DE10048172A1 - Magnetischer Bewegungssensor - Google Patents

Abstract

Magnetischer Bewegungssensor, mit einem ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld (B) mit einer Magnetfeldrichtung erzeugenden bewegbaren Magneten (3) und einem innerhalb des Magnetfeldes (B) angeordneten feststehenden Beeinflussungselement (6, 6'), wobei bei einer Bewegung des Magneten (3) quer zur Magnetfeldrichtung im Beeinflussungselement (6, 6') eine bewegungsabhängige physikalische Größe (I, F, M) hervorgerufen wird und wobei die hervorgerufene Größe (I, F, M) von einem Abtastelement (7, 8, 8') erfasst und ausgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Bewe­ gungssensor mit einem ein im wesentlichen homogenes Magnet­ feld mit einer Magnetfeldrichtung erzeugenden Magneten und einem innerhalb des Magnetfeldes angeordneten Beeinflussungs­ element.

Derartige Bewegungssensoren sind allgemein bekannt. Mit ihnen wird eine bewegungsabhängige physikalische Größe erfasst. Un­ ter einer bewegungsabhängigen physikalischen Größe ist dabei eine physikalische Größe zu verstehen, die - im Gegensatz zu einer positionsabhängigen physikalischen Größe - von der Be­ wegung als solche abhängt.

Im Stand der Technik ist dabei der Magnet feststehend ange­ ordnet. Das Beeinflussungselement ist bewegbar. Bei einer Be­ wegung des Beeinflussungselements quer zur Magnetfeldrichtung wird im Beeinflussungselement die bewegungsabhängige physika­ lische Größe hervorgerufen. Die hervorgerufene Größe wird von einem Abtastelement erfasst und ausgegeben.

Derartige magnetische Bewegungssensoren sind beispielsweise in Gevatter: "Handbuch der Mess- und Automatisierungstech­ nik", Springer-Verlag, 1999, Seiten 107f und 115 beschrieben. Auch Ferraris-Sensoren sind derart aufgebaut.

Aufgrund der Bewegung des Beeinflussungselements kann das Ab­ tasten der bewegungsabhängigen physikalischen Größe nur be­ rührungslos erfolgen. Die magnetischen Bewegungssensoren des Standes der Technik müssen daher exakt justiert werden. In der Folge sind sie kompliziert, störanfällig und vergleichs­ weise kostspielig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen einfacher aufgebauten Bewegungssensor zu schaffen, der robust und störunanfällig ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Magnet bewegbar und das Beeinflussungselement feststehend ist.

Denn dadurch kann das Abtastelement mit dem Beeinflussungs­ element mechanisch direkt verbunden sein. Ein berührungsloses Abtasten des Beeinflussungselements ist nicht erforderlich. Sogar ein berührungsloses Abtasten des Beeinflussungselements wird aber vereinfacht, da aufgrund des feststehenden Beein­ flussungselements z. B. kein Flattern des Beeinflussungsele­ ments auftreten kann.

Die Bewegung des Magneten kann wahlweise translatorisch oder rotatorisch sein.

Die bewegungsabhängige physikalische Größe kann eine Kraft bzw. ein Drehmoment oder ein Strom sein.

Auch kann die bewegungsabhängige physikalische Größe wahlwei­ se geschwindigkeits- oder beschleunigungsproportional sein.

Der konstruktive Aufbau des magnetischen Bewegungssensors kann durch folgende Maßnahmen besonders einfach gestaltet werden:

• - der Magnet ist als Permanentmagnet ausgebildet,
• - das Beeinflussungselement ist als Festkörper ausgebildet,
• - das Beeinflussungselement ist als Stromleitelement ausge­ bildet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei­ gen in Prinzipdarstellung

Fig. 1 einen magnetischen Bewegungssensor von der Seite,

Fig. 2 den Bewegungssensor von Fig. 1 in der Draufsicht, und

Fig. 3 einen weiteren magnetischen Bewegungssensor in der Draufsicht.

Gemäß Fig. 1 weist ein magnetischer Bewegungssensor ein Sen­ sorgehäuse 1 auf. Das Sensorgehäuse 1 ist mit einem Nutzele­ mentgehäuse 2 eines Nutzelements fest verbunden.

Im Sensorgehäuse 1 ist ein Permanentmagnet 3 gelagert. Der Permanentmagnet 3 ist dabei derart gelagert, dass er um eine Rotationsachse 4 drehbar ist. Der Permanentmagnet 3 erzeugt ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld B, das sich parallel zur Rotationsachse 4 erstreckt. Der Permanentmagnet 3 ist mit einer Welle 5 (bzw. alternativ einer Achse 5) des Nutzele­ ments, deren Drehbewegung erfasst werden soll, drehfest ver­ bunden.

Im Sensorgehäuse 1 ist ferner ein feststehendes Beeinflus­ sungselement 6, 6' angeordnet. Gemäß Fig. 1 ist dabei das Be­ einflussungselement 6, 6' innerhalb des Magnetfeldes B ange­ ordnet.

Wenn die Welle 5 bzw. die Achse 5 sich dreht, führt auch der Permanentmagnet 3 eine Drehbewegung aus. Die Bewegung des Permanentmagneten 3 ist also eine rotatorische Bewegung, und zwar quer zur Magnetfeldrichtung. Dadurch wird im Beeinflus­ sungselement 6, 6' eine bewegungsabhängige physikalische Grö­ ße hervorgerufen. Diese Größe wird von Abtastelementen 7, 8, 8' erfasst und ausgegeben.

Gemäß Fig. 2 kann das Beeinflussungselement 6 z. B. aus einem dia- oder paramagnetischen Metall bestehen. In diesem Fall ist das Beeinflussungselement 6 als Festkörper und als Strom­ leitelement ausgebildet. Das Beeinflussungselement 6 kann in diesem Fall wahlweise als vergleichsweise schmaler, zentrisch zur Rotationsachse 4 angeordneter metallischer Streifen oder als (nahezu oder völlig) vollständige Scheibe ausgebildet sein.

Durch die Bewegung des Permanentmagneten 3 wird auf die La­ dungsträger des Beeinflussungselements 6 eine Kraft ausgeübt, nämlich die Lorentzkraft. Dadurch entsteht zwischen der Rota­ tionsachse 4 und dem äußeren Rand des Beeinflussungselements 6 eine Verschiebung der frei beweglichen Elektronen des Be­ einflussungselements 6, welche die Lorentzkraft gerade kom­ pensiert.

Die Lorentzkraft ist proportional der Geschwindigkeit, mit der sich der Permanentmagnet 3 bewegt. Die Geschwindigkeit des Permanentmagneten 3 wiederum ist proportional zur Winkel­ geschwindigkeit, mit der sich der Permanentmagnet 3 bzw. die Welle 5 oder die Achse 5 dreht. Auch eine sich aufbauende Ge­ genspannung U ist somit proportional zur (Dreh-)Geschwindig­ keit des Permanentmagneten 3. Wenn der Permanentmagnet 3 be­ schleunigt wird, sich seine Geschwindigkeit also ändert, än­ dert sich auch die sich aufbauende Gegenspannung U. Dies be­ wirkt im Beeinflussungselement 6 einen Ausgleichsstrom I auf­ grund der sich ergebenden Ladungsträgerverschiebung. Der Aus­ gleichsstrom I ist proportional zur (Dreh-)Beschleunigung des Permanentmagneten 3. Er kann mittels des Abtastelements 7, z. B. einem magnetoresistiven Sensor 7, gemessen bzw. abgegrif­ fen werden.

Ebenfalls alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, ex­ zentrisch zur Rotationsachse 4 als Beeinflussungselement 6' einen elektrischen Dipol 6' anzuordnen. Auch in diesem Fall wird auf die Ladungsträger des Dipols 6' durch die Drehbewe­ gung des Permanentmagneten 3 eine Kraft F ausgeübt. Diese Kraft F kann über Piezoelemente 8, 8' direkt erfasst und in eine Piezospannung U' umgesetzt werden. Alternativ zur Erfas­ sung der Kraft F kann auch ein Drehmoment M um eine Dipolach­ se 9 erfasst werden. Die Piezoelemente 8, 8', die in diesem Fall die Abtastelemente 8, 8' darstellen, sind ebenfalls me­ chanisch direkt mit dem Beeinflussungselement 6' verbunden.

Obenstehend wurde in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 der Auf­ bau eines magnetischen Bewegungssensors zum Erfassen einer rotatorischen Bewegung des Permanentmagneten 3 beschrieben. Die Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 ist aber ohne weiteres auch auf eine translatorische Bewegung übertragbar. Eine der­ artige Anordnung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Glei­ che Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeich­ net. Es muss lediglich beachtet werden, dass der Permanent­ magnet 3 groß genug ist, um die gesamte translatorisch abzu­ fahrende Verfahrstrecke zu erfassen.

Claims (11)

1. Magnetischer Bewegungssensor, mit einem ein im wesentli­ chen homogenes Magnetfeld (B) mit einer Magnetfeldrichtung erzeugenden bewegbaren Magneten (3) und einem innerhalb des Magnetfeldes (B) angeordneten feststehenden Beeinflussungs­ element (6, 6'), wobei bei einer Bewegung des Magneten (3) quer zur Magnetfeldrichtung im Beeinflussungselement (6, 6') eine bewegungsabhängige physikalische Größe (I, F, M) hervorge­ rufen wird und wobei die hervorgerufene Größe (I, F, M) von ei­ nem Abtastelement (7, 8, 8') erfasst und ausgegeben wird.

2. Bewegungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Bewegung des Magneten (3) eine translatorische Bewegung ist.

3. Bewegungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Bewegung des Magneten (3) eine rotatorische Bewegung ist.

4. Bewegungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegungsabhängige physikalische Größe (I, F, M) eine Kraft (F) bzw. ein Drehmo­ ment (M) ist.

5. Bewegungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, dass die bewe­ gungsabhängige physikalische Größe (I, F, M) ein Strom (I) ist.

6. Bewegungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die bewe­ gungsabhängige physikalische Größe (I, F, M) geschwindigkeits­ proportional ist.

7. Bewegungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die bewegungsabhängige physikalische Größe (I, F, M) beschleunigungs­ proportional ist.

8. Bewegungssensor nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Magnet (3) als Permanentmagnet (3) ausgebildet ist.

9. Bewegungssensor nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Beein­ flussungselement (6, 6') als Festkörper (6, 6') ausgebildet ist.

10. Bewegungssensor nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Beein­ flussungselement (6, 6') als Stromleitelement (6) ausgebildet ist.

11. Bewegungssensor nach einem der obigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Abtast­ element (7, 8, 8') mit dem Beeinflussungselement (6, 6') mecha­ nisch verbunden ist.