Magnetischer Wegsensor

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Wegsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte magnetische Wegsensoren werden zur berührungslosen Wegmessung eingesetzt. Diese weisen einen Magnetgeber und einen magnetischen Flussdichtesensor auf, die im Abstand eines Luftspaltes voneinander angeordnet und relativ zueinander bewegbar sind. Der Magnetgeber weist zwei auf einem Magnetträger angeordnete Magnete auf, die quaderförmig ausgebildet sind. Der magnetische Flussdichtesensor wertet die z- Komponente der Flussdichte aus und liefert so ein Maß für den zu messenden Weg. Der zu messende Weg soll möglichst genau bestimmt werden können, so dass bei magnetischen Wegsensoren ein ständiger Wunsch nach einem verbesserten Messverhalten besteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Wegsensor mit einem verbesserten Messverhalten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen magnetischen Wegsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch eine gezielte Formgebung der Magnete in Richtung der x- Achse (x- Richtung) und/oder in Richtung der y- Achse (y-Richtung) ein verbessertes Messverhalten erzielbar ist. Durch die gezielte Formgebung in x-Richtung kann die z-Komponente der Flussdichte im Bereich des Hubes in x-

Richtung des Wegsensors linearisiert werden. Der Wegsensor weist so eine lineare Kennlinie für die z-Komponente mit einer zulässigen maximalen Flussdichte innerhalb des gewünschten Hubes auf. Hierdurch kann an jeder Stelle des Hubes die gleiche maximale Auflösung des Wegsensors gewähr-

leistet werden. Weiterhin können auf der Wegmessung basierende Regelsysteme einfacher ausgelegt werden, da die Kennlinie linear verläuft. Durch die gezielte Formgebung in y-Richtung kann im Bereich des durch Einbautoleranzen verursachten Querversatzes in y-Richtung erzielt werden, dass die z-Komponente im Wesentlichen konstant ist. Die lineare Kennlinie ist also im Wesentlichen unabhängig von dem Querversatz der Magnete in y-Richtung. Hierdurch wird eine hohe Robustheit und Unempfmdlich- keit gegenüber Einbautoleranzen erzielt. Die Formgebung kann je nach Bedarf wahlweise in x- und/oder y-Richtung erfolgen.

Ein Wegsensor nach Anspruch 2 stellt eine einfache Formgebung in x- Richtung bereit. Dadurch, dass die z- Abmessung der Magnete, also die Magnetdicke, in Richtung zu der y- Achse hin abnimmt, weisen die Magnete an dem der y- Achse abgewandtem Rand eine größere Magnetdicke als an dem der y- Achse zugewandtem Rand auf. Hierdurch wird die Abfla- chung der Kennlinie der z-Komponente an den Rändern des Hubes kompensiert.

Ein Wegsensor nach Anspruch 3 stellt eine einfache Formgebung in y- Richtung bereit. Dadurch, dass die z- Abmessung der Magnete, also die Magnetdicke, in Richtung zu der x- Achse hin abnimmt, weisen diese an den der x- Achse abgewandten Rändern eine größere Magnetdicke als im Bereich der x- Achse auf. Hierdurch wird ein Abfall der z-Komponente der Flussdichte zu den Rändern hin kompensiert, wodurch die Kennlinie der z-Komponente im Wesentlichen unabhängig von der Position der Magnete in y-Richtung ist. Ein Querversatz der Magnete fuhrt somit zu keiner änderung der z-Komponente, da deren Kennlinie im Wesentlichen in y-Richtung konstant ist.

Ein Wegsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6 ist einfach herstellbar.

Ein Wegsensor nach Anspruch 7 stellt eine einfach herstellbare Formgebung in x- und y-Richtung bereit.

Ein Wegsensor nach Anspruch 8 weist einen verbesserten Feldverlauf der z-Komρonente auf, da die Magnete in z-Richtung spitz zulaufen.

Ein Wegsensor nach Anspruch 9 weist einen definierten Feldverlauf der z- Komponente auf und ist gleichzeitig einfach herstellbar, da die Magnete in z-Richtung spitz zulaufen und einen schmalen und einfach herzustellenden Rand aufweisen.

Ein Wegsensor nach Anspruch 10 ermöglicht eine definierte Einstellung der z-Komponente in x- und y-Richtung. Die Innenprofükante kann hierbei insbesondere konkav oder konvex verlaufen.

Ein Wegsensor nach Anspruch 11 ermöglicht einen definierten und nach Bedarf einstellbaren Feldverlauf bei gleichzeitig einfacher Herstellbarkeit der Magnete.

Ein Wegsensor nach Anspruch 12 ermöglicht eine voneinander unabhängige Formgebung in x- und y-Richtung. Die Innenprofϊlkanten haben vorzugsweise die gleiche Form und sind beispielsweise linear ausgebildet. Der Pfad kann beispielsweise eine Rechteckhälfte, ein Halbkreis oder eine Ellipsenhälfte sein. Bei der Rechteckhälfte ist der übergang zwischen den Querschnittsprofilen diskret oder kontinuierlich. Bei dem Halbkreis oder der Ellipsenhälfte ist der übergang zwischen den Querschnittsprofilen kontinuierlich. Die Querschnittsprofile können entsprechend den Ansprüchen 7 bis 11 ausgebildet sein.

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Ein Wegsensor nach Anspruch 13 weist eine hohe mechanische Stabilität auf.

Ein Wegsensor nach Anspruch 14 ist einfach aufgebaut. Insbesondere wird kein gemeinsamer Träger für die Magnete benötigt, da diese selbsttragend sind.

Ein Wegsensor nach Anspruch 15 erhöht das Nutzfeld auf der Seite des Flussdichtesensors .

Ein Wegsensor nach Anspruch 16 ist einfach und kompakt aufgebaut. Insbesondere liegt im Bereich des Flussdichtesensors ein hohes Nutzfeld vor, wodurch Magnetmaterial eingespart werden kann.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausfϊihrungsbeispiele. Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines magnetischen Wegsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Magnetgeber des Wegsensors in Figur 1,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Magnetgebers in Figur 2,

Figur 4 eine Kennlinie der z-Komponente der Flussdichte,

Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines Magnets gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel,

Figur 6 eine Draufsicht auf den Magnet in Figur 5,

Figur 7 eine perspektivische Ansicht zweier Magnete gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 8 eine perspektivische Ansicht eines Magnets gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,

Figur 9 eine perspektivische Ansicht eines Magnets gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,

Figur 10 eine perspektivische Ansicht eines Magnets gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,

Figur 11 eine perspektivische Ansicht eines Magnets gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel,

Figur 12 eine perspektivische Ansicht eines Magnets gemäß einem achten Ausführungsbeispiel, und

Figur 13 eine perspektivische Ansicht eines Magnets gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein magnetischer Wegsensor 1 weist einen Magnetgeber 2 und einen zugehörigen magnetischen

Flussdichtesensor 3 auf. Der Magnetgeber 2 weist zur Ausbildung eines Magnetfeldes einen ersten als Permanentmagnet ausgebildeten Magnet 4 und einen zweiten als Permanentmagnet ausgebildeten Magnet 5 auf, die in einem - in den Figuren 1 und 2 gezeigten - Ruhezustand im Wesentlichen mittig entlang einer x- Achse auf einem Magnetträger 6 angeordnet sind. Darüber hinaus sind die Magnete 4, 5 in dem Ruhezustand achsensymmetrisch zu einer y- Achse auf dem Magnetträger 6 angeordnet. Die y- Achse verläuft somit in dem Ruhezustand im Wesentlichen mittig zwischen den Magneten 4, 5. Die Magnete 4, 5 weisen in Richtung der x- Achse (nach- folgend x-Richtung) einen Magnetabstand L auf. In Richtung einer senkrecht zu der x- und y- Achse verlaufenden z- Achse ist der Flussdichtesensor 3 von dem Magnetgeber 2 beabstandet. Der Abstand wird als Luftspalt S bezeichnet. Der Flussdichtesensor 3 ist als Hall-Sensor ausgebildet und weist einen im Ruhezustand auf der z- Achse liegenden sensitiven Bereich 7 zur Messung einer in Richtung der z- Achse (nachfolgend z-Richtung) verlaufenden z-Komponente der Flussdichte des Magnetfeldes auf. Die z- Komponente wird nachfolgend als B _z bezeichnet.

Der Magnetträger 6 ist aus einem weichmagnetischen Material und ver- stärkt das Nutzfeld, also die z-Komponente B _z , auf der Seite des Flussdichtesensors 3.

Der Magnetgeber 2 und der Flussdichtesensor 3 sind relativ zueinander in der x-Richtung verschiebbar, wobei der Flussdichtesensor 3 in unterschied- liehen x-Positionen unterschiedliche z-Komponenten misst. Auf diese Weise ist mittels des Wegsensors 1 eine Messung des Weges X in x-Richtung über einen Hub δX des Wegsensors 1 möglich.

Die Magnete 4, 5 definieren einen Aufhahmeraum A. Der Flussdichtesen- sor 3 ist außerhalb des Aufhahmeraumes A angeordnet. Alternativ kann dieser teilweise in dem Aufhahmeraum A angeordnet sein.

Die Magnete 4, 5 sind in x-Richtung derart geformt, dass die z-

Komponente B ₂ im Bereich des Hubes δX eine im Wesentlichen lineare Kennlinie aufweist, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Die Magnete 4, 5 sind hierzu keilförmig ausgebildet, so dass eine in der z-Richtung verlaufende erste z- Abmessung Zi der Magnete 4, 5 in Richtung zu der y- Achse hin abnimmt. Jeder Magnet 4, 5 bildet einen Profϊlkörper 8 aus, der ein zugehöriges Querschnittsprofil Q mit einer Innenprofϊlkante K aufweist. Das Querschnittsprofϊl Q ist ein Fünfeck mit drei rechten Winkeln. Die zugehörige Innenprofϊlkante K verläuft linear. Der Profϊlkörper 8 ist somit als Keil mit einer in einem spitzen Winkel zu der x-y-Ebene verlaufenden Schräg- fläche 9 sowie einer parallel zu der x-y-Ebene verlaufenden ersten Randfläche 10 und einer parallel zu der y-z-Ebene verlaufenden zweiten Randfläche 11 ausgebildet.

Dadurch, dass die Magnete 4, 5 im Bereich der ersten Randfläche 10 eine größere z- Abmessung Z ₁ , also eine größere Materialdicke, als im Bereich der zweiten Randfläche 11 aufweisen, wird über den Hub δX ein linearer Verlauf der z-Komponente B ₂ erzielt. In Figur 4 ist der durch die erfϊn- dungsgemäßen Magnete 4, 5 erzielte lineare Verlauf durchgezogen dargestellt, wohingegen der von herkömmlichen Wegsensoren erzielte Verlauf gestrichelt dargestellt ist.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Die Magnete 4, 5 weisen einen Boden 12 und den darauf angeordneten Profϊlkörper 8 auf. Diese sind einstückig miteinander ausgebildet. Die Magnete 4, 5 sind in der x-Richtung derart geformt, dass die z- Komponente B _z im Bereich des Hubes δX eine im Wesentlichen lineare Kennlinie entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel aufweist. Darüber hinaus sind die Magnete 4, 5 in Richtung der y- Achse (nachfolgend y- Richtung) derart geformt, dass die z-Komponente B ₂ im Bereich eines Querversatzes δY in y-Richtung im Wesentlichen konstant ist. Hierzu ist jeder Magnet 4, 5 in y-Richtung derart geformt, dass eine in der z-Richtung verlaufende zweite z- Abmessung Z ₂ zu der x- Achse hin abnimmt. Der Profϊlkörper 8 wird derart gebildet, dass das Querschnittsprofil Q, das ein Viereck mit zwei rechten Winkeln und einer linearen mnenprofϊlkante K ist, entlang eines Pfades in Form einer Rechteckhälfte R gezogen wird. Somit ergibt sich eine U- förmige Schrägfläche 9 und eine U- förmige erste Randfläche 10.

Die Magnete 4, 5 definieren den Aufhahmeraum A, der durch den Profϊlkörper 8 und den Boden 12 begrenzt ist. Der Flussdichtesensor 3 kann entweder im Abstand S außerhalb des Aufnahmeraumes A angeordnet sein. Alternativ kann der Flussdichtesensor 3 zumindest teilweise in dem Aufnahmeraum A angeordnet sein. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf das vorangegangene Ausführungsbeispiel verwiesen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 7 ein drittes Ausführungs- beispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen sind die Magnete 4, 5 einstückig ausgebildet. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 8 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel ist das Querschnittsprofil Q ein Dreieck. Hierdurch ergibt sich, dass die erste Randfläche 10 eine - mathematisch be- trachtet — U- förmige Kante ergibt. Der Feldverlauf kann hierdurch verbessert werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 9 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu den vorangegange- nen Ausführungsbeispielen wird der Profilkörper 8 derart erzeugt, dass das dreieckförmige Querschnittsprofil Q mit der linearen Innenprofilkante K entlang eines Halbkreises H gezogen wird. Alternativ kann das Quer- sclinittsprofil Q entlang einer Ellipsenhälfte E gezogen werden. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausfüh- rungsbeispiele verwiesen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 10 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weisen die Magnete 4, 5 keinen Boden auf. Der Profilkörper 8 entspricht somit den Magneten 4, 5. Das Querschnittsprofil Q, das ein Viereck mit zwei rechten Winkeln und einer linearen Innenprofilkante K ist, wird entlang des Halbkreises H gezogen. Alternativ kann das Querschnittsprofil Q entlang der Ellipsenhälfte E gezogen werden. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf die vorange- gangenen Ausfuhrungsbeispiele verwiesen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 11 ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weist das Querschnittsprofil Q, das als

Viereck mit zwei rechten Winkeln ausgebildet ist, eine nichtlineare Innen- profϊlkante K auf. Die Innenprofϊlkante K verläuft mit zunehmendem Abstand von der x- und/oder y-Achse zunehmend steiler. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbei- spiele verwiesen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 12 ein achtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist der Profϊlkörper 8 derart gebildet, dass das Querschnittsprofil Q die Form eines Rechteckes mit einer linearen Innenprofϊlkante K aufweist, wobei dieses entlang der Rechteckhälfte R gezogen wird. Die Magnete 4, 5 sind einstückig ausgebildet und weisen keinen Boden auf. Die Magnete 4, 5 bilden somit einen rechteckigen Rahmen mit einer im Wesentlichen senkrecht zu der x-y-Ebene verlaufenden Schrägfläche 9. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 13 ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu den vorange- gangenen Ausfuhrungsbeispielen ist der Profϊlkörper 8 durch ein erstes Querschnittsprofϊl Q ₁ mit einer ersten Innenprofϊlkante K ₁ und ein davon abweichendes zweites Querschnittsprofϊl Q ₂ mit einer zweiten Innenprofϊlkante K ₂ gebildet. Die Querschnittsprofile Q ₁ und Q ₂ haben die Form eines Vierecks mit zwei im Wesentlichen rechten Winkeln. Die Innenprofϊlkan- ten K ₁ und K ₂ sind linear, wobei die Innenprofϊlkante K ₁ im Vergleich zu der Innenprofilkante K ₂ steiler verläuft. Der Profϊlkörper 8 ist derart gebildet, dass das erste Querschnittsprofϊl Q ₁ in x-Richtung entlang von zwei parallelen linearen Teilstücken R ₁ und R ₃ und das zweite Querschnittsprofϊl Q ₂ entlang eines senkrecht dazu verlaufenden linearen Teilstückes R ₂ eines

Pfades R gezogen werden. Der Pfad R hat die Form einer Rechteckhälfte. Der übergang zwischen den Querschnittsprofilen Qi und Q ₂ ist diskret. Hinsichtlich der weitern Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.

Prinzipiell gilt für die Erfindung folgendes:

Die Magnete 4, 5 sind in x-Richtung so geformt, dass eine lineare Kennlinie mit einer zulässigen maximalen Flussdichte Bz innerhalb des geforder- ten Hubes δX entsteht. Die Magnete 4, 5 sind zusätzlich oder alternativ in y-Richtung derart geformt, dass ein Flussdichteabfall durch Querversatz δY innerhalb eines definierten Bereiches nicht auftritt. Durch die Formgebung in x-Richtung wird eine lineare Kennlinie der sensierten Flussdichte über den gesamten Hub δX und somit an jeder Stelle des Hubes δX eine maximale Auflösung des Wegsensors 1 erzielt. Durch die Formgebung in y-Richtung ist der Wegsensor 1 gegenüber Einbautoleranzen unempfindlich.

Die Magnete 4, 5 sind Permanentmagnete. Das weichmagnetische Material des Magnetträgers 6 ist vorzugsweise Stahl. Die Magnete 4, 5 können als Einzelmagnete oder einstückig ausgebildet sein. Der Flussdichtesensor 3 kann sowohl bei Einzelmagneten, als auch bei einer einstückigen Ausbildung außerhalb oder teileweise innerhalb des Aufnahmeraumes A angeordnet sein. Vorzugsweise steigt bei den Profilkörpern 8 die Profilhöhe zu den Außenwänden hin an. Die Magnete 4, 5 sind vorzugsweise identisch zueinander ausgebildet.

Das Querschnittsprofil Q kann eine lineare oder nichtlineare Innenprofil- kante K aufweisen. Das Querschnittsprofil Q kann ein Viereck mit zwei im

Wesentlichen rechten Winkeln, oder ein Dreieck sein. Der Profilkörper 8 kann durch Ziehen des Querschnittsprofils Q entlang eines Pfades in Form einer Rechteckhälfte R, eines Halbkreises H oder einer Ellipsenhälfte E gebildet sein. Entsprechendes gilt, wenn der Profilkörper 8 durch mehrere voneinander abweichende Querschnittsprofile Q ₁ , Q ₂ gebildet ist.