DE10244703A1

DE10244703A1 - Einrichtung zur Messung von Wegen und/oder Positionen

Info

Publication number: DE10244703A1
Application number: DE10244703A
Authority: DE
Inventors: Klaus Fahrlaender; Dierk Tille
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2003-04-10
Also published as: WO2003029758A1; US6989670B2; US20040232907A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung (1) mit einem Magneten (2) und mit einem die Magnetfeldstärke detektierenden Sensor (3). Der Magnet (2) und/oder der Sensor (3) wirken mit einem beweglichen Element (4) zusammen, wobei mittels des beweglichen Elementes (4) eine Relativbewegung zwischen dem Sensor (3) und dem Magneten (2) bewirkbar ist. Weiter besitzt der Magnet (2) eine derartige Form, daß die Magnetfeldstärke entlang einer Achse (5) des Magneten (2) einen variierenden, nichtkonstanten Verlauf aufweist. Die Relativbewegung verläuft im wesentlichen in Richtung dieser Achse (5) des Magneten (2). Aufgrund der vom Sensor (3) detektierten Magnetfeldstärke ist der Weg und/oder die Position des beweglichen Elementes (4) feststellbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtungen finden in Haushaltsgeräten Verwendung. Beispielsweise kann in einer Waschmaschine die Wegmeßeinrichtung zur Beladungserkennung der Wäschetrommel sowie die Positionsmeßeinrichtung zur Detektierung des Schwingungsverhaltens der Wäschetrommel dienen.
Aus der DE 40 38 674 A1 ist eine magnetisch arbeitende Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung bekannt. Diese besitzt einen herkömmlichen Permanent-Magneten und einen die Magnetfeldstärke detektierenden Sensor. Der Magnet und/oder der Sensor wirken mit einem beweglichen Element zusammen, so daß mittels des beweglichen Elementes eine Relativbewegung zwischen dem Sensor und dem Magneten bewirkbar ist. Im Magnetkreis befindet sich eine schräg zur Relativbewegung angeordnete Schiene aus magnetisch gut leitendem Material, wodurch die Magnetfeldstärke entsprechend der Relativbewegung beeinflußt wird, so daß der Weg und/oder die Position des beweglichen Elementes aufgrund der vom Sensor detektierten Magnetfeldstärke feststellbar ist. Anstelle einer solchen Schiene kann auch ein sich vergrößernder Luftspalt zwischen Magnet und Sensor vorgesehen sein, wodurch sich dann eine geringere, nichtlinear vom Abstand zwischen dem Magnet und dem Sensor abhängige Feldstärke am Sensor ergibt. Nachteilig bei den solcherart ausgestalteten Einrichtungen erscheint deren geringe Empfindlichkeit, mangelnde Genauigkeit sowie auch der Aufwand zur Auswertung der Magnetfeldstärke für die Weg- und/oder Positionsbestimmung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung einfacher auszugestalten und insbesondere deren Genauigkeit zu steigern.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung weist der Magnet anders als ein herkömmlicher, stabförmiger Permanent-Magnet eine derartige Form auf, daß die Magnetfeldstärke entlang einer Achse des Magneten einen variierenden Verlauf besitzt. Der Magnet ist in der Einrichtung so angeordnet, daß die Relativbewegung im wesentlichen in Richtung dieser Achse des Magneten verläuft. In einfacher Art und Weise ist damit die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung durch die Form des Magneten den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise erzeugt der Sensor in der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung eine elektrische Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke. Die elektrische Ausgangsspannung ist mittels einer elektronischen Schaltung, einem Mikrocomputer o. dgl. in an sich üblicher Weise weiter auswertbar. Der Einfachheit halber kann die Ausgangsspannung im wesentlichen proportional zur erfaßten Magnetfeldstärke, und zwar insbesondere zu der der jeweiligen Magnetfeldstärke zugehörigen Flußdichte, sein.
Zur Detektierung der Magnetfeldstärke eignen sich die bekannten physikalischen Meßverfahren. Insbesondere kann es sich bei dem Sensor um einen analog arbeitenden Hallsensor, GMR-Sensor o. dgl. handeln.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung besitzt der Magnet in Richtung der Achse eine rampen- oder keilförmige Gestalt, wodurch eine lineare Änderung der Höhe des Magneten in Richtung der Achse einhergeht. Dadurch ist der Flußdichteverlauf für das Magnetfeld in Richtung der Achse im wesentlichen linear. Zusätzlich kann der Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Sensor in der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung entlang der Richtung der Achse im wesentlich gleichbleibend sein. Eine solche Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung besitzt eine konstante Auflösung im gesamten Meßbereich sowie eine gleichbleibende Empfindlichkeit.
In kostengünstiger Weise ist der Magnet in seiner gewünschten Form durch Spritzgießen herstellbar. Hierfür besteht der Magnet aus kunststoffgebundenen Magnetpartikeln. Der Magnet kann am beweglichen Element, beispielsweise mit einer Verrastung, befestigt, in das bewegliche Element eingesetzt, in das bewegliche Element integriert o. dgl. sein. Wird der kunststoffgebundene Magnet durch Spritzgießen hergestellt, so bietet es sich der Einfachheit halber weiterhin an, den Magneten in das bewegliche Element in der Art eines Zwei-Komponenten-Teils einzuspritzen.
Eine aufgrund ihrer Kostengünstigkeit besonders für den Einsatz in Haushaltsgeräten, wie Waschmaschinen, Wäschetrocknern o. dgl., geeignete Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung besitzt einen Stößel als bewegliches Element, wobei der Stößel in einem Gehäuse linear beweglich gelagert sein kann. Der Magnet kann dann derart am Stößel befestigt sein, daß die Achse des Magneten in etwa parallel zur Längsachse des Stößels ausgerichtet ist.
Um die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung mit eigener Intelligenz auszustatten, ist der insbesondere in der Art eines integrierten Schaltkreises ausgestaltete Sensor auf einer Leiterplatte angeordnet, wobei zusätzlich eine Elektronik zur Auswertung des Sensorsignals auf der Leiterplatte befindlich sein kann. Zweckmäßigerweise ist im Gehäuse eine Halterung zur Befestigung der Leiterplatte angeordnet. Schließlich kann am Gehäuse, und zwar insbesondere an der Halterung, eine Steckaufnahme für einen Stecker zur elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte angeordnet sein.
Vor allem in einer Waschmaschine oder einem Wäschetrockner ist die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung einerseits am beweglichen Element, nämlich der Trommel, und andererseits an einem feststehenden Element, nämlich dem Gestell, angelenkt. Zur Anlenkung des Stößels am beweglichen Element und des Gehäuses der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung am Gestell ist der Einfachheit halber ein Kugelgelenk sowie eine Befestigungsplatte bevorzugt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung kostengünstig sowie einfach herzustellen ist und daher in kostensensitiven Massenartikeln, wie Haushaltsgeräten o. dgl., einsetzbar ist. Dennoch arbeitet die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung sehr genau sowie auch empfindlich, so daß diese auch in sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, verwendbar ist. Besonders vorteilhaft ist, daß das vom Sensor erzeugte Ausgangssignal in einfacher und auch schneller Art und Weise im Hinblick auf die Weg- und/oder Positionsbestimmung auswertbar ist. Weiterhin kann die Auflösung und das erzielte Ausgangssignal in einfacher Weise durch die Gestalt des Magneten, insbesondere durch dessen Steigung in Richtung seiner Achse entsprechend der rampenförmigen Gestalt, beeinflußt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung in perspektivischer Darstellung in der Art einer Prinzipskizze,
Fig. 2 den Flußdichteverlauf in Abhängigkeit vom Weg als Kennlinie für die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung in näherer Ausgestaltung ebenfalls in perspektivischer Darstellung und
Fig. 4 die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung aus Fig. 3 in Explosionsdarstellung.
In der als Prinzipskizze dienenden Fig. 1 ist eine Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 gezeigt, die aus einem Magneten 2 und einem die Magnetfeldstärke detektierenden Sensor 3 besteht. Der Magnet 2 und/oder der Sensor 3 wirkt mit einem beweglichen Element 4zusammen, so daß mittels des beweglichen Elementes 4 somit eine Relativbewegung zwischen dem Sensor 3 und dem Magnet 2 bewirkt werden kann. Vorliegend ist der Magnet 2 an dem beweglichen Element 4 angeordnet, das lediglich schematisch angedeutet ist. Der Magnet 2 besitzt nun eine derartige Form, daß die Magnetfeldstärke entlang einer Achse 5 des Magneten 2 einen variierenden und somit nichtkonstanten Verlauf aufweist. Der Magnet 2 ist so angeordnet, daß die Relativbewegung im wesentlichen in dieser Richtung der Achse 5 des Magneten 2 verläuft. Dadurch ist der Weg und/oder die Position des beweglichen Elementes 4 aufgrund der vom Sensor 3 jeweilig detektierten Magnetfeldstärke feststellbar.
Nachfolgend sind verschiedene weitere Ausgestaltungen der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 näher erläutert.
Der Sensor 2 erzeugt eine elektrische Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke, die an den Anschlüssen 6 des Sensors 3 abnehmbar ist. Die Ausgangsspannung ist im wesentlichen proportional zur erfaßten Magnetfeldstärke. Ebenso ist die Ausgangsspannung proportional zu der der jeweiligen Magnetfeldstärke zugehörigen Flußdichte, wie auch anhand der Kennlinie 7 für die Flußdichte B des Magneten 2 in Fig. 2 zu sehen ist. Die Kennlinie 7 ist in Fig. 2 im Abhängigkeit vom Weg in Richtung der Achse 5 entlang des Magneten 2, und zwar entlang einer zur Breite des Magneten mittigen und zur horizontalen Bodenfläche des Magneten 2 parallelen Linie in bestimmten Abstand zur Bodenfläche, dargestellt. Vom Magneten 2 ist hier die Seitenansicht gezeigt.
Bei dem Sensor 2 kann es sich um einen Hallsensor, einen GMR-Sensor o. dgl. handeln. Bevorzugt ist ein analog arbeitender Hallsensor.
Der Magnet 2 besitzt in Richtung der Achse 5 eine rampen- oder keilförmige Gestalt, wie insbesondere aus der Fig. 2 hervorgeht. Diese Rampe ist dergestalt, daß der Magnet 2 eine lineare Änderung seiner Höhe 8 in Richtung der Achse 5 besitzt. Dadurch ist auch der Flußdichteverlauf B für das Magnetfeld in Richtung der Achse 5 im wesentlichen linear, was die Kennlinie 7 zeigt. Erst an den Enden des Magneten 2 treten nichtlineare Effekte auf, so daß bevorzugterweise der Arbeitsbereich der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 innerhalb der beiden Enden des Magneten 2 gewählt wird. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist der Sensor 3 so zum Magneten 2 angeordnet, daß der Luftspalt 9 zwischen dem Magneten 2 und dem Sensor 3 entlang der Richtung der Achse 5 im wesentlichen gleich ist.
Die rampen- oder keilförmige Gestalt des Magneten 2 kann durch entsprechende Bearbeitung aus einem herkömmlichen Stabmagneten hergestellt werden. Bevorzugt ist jedoch, daß der Magnet 2 aus kunststoffgebundenen Magnetpartikeln besteht. In diesem Fall kann der Magnet 2 in einfacher Art und Weise durch Spritzgießen hergestellt sein.
Der Magnet 2 ist am beweglichen Element 4 befestigt. Zur Befestigung ist eine Rastnase 10 am Magneten 2 vorgesehen, so daß der Magnet 2 am beweglichen Element 4 verrastet werden kann. Selbstverständlich kann der Magnet 2 auch in sonstiger Weise in das bewegliche Element 4 eingesetzt oder integriert sein. Das bewegliche Element 4 besteht in der Regel aus Kunststoff und ist in herkömmlicher Art durch Spritzgießen hergestellt. Falls es sich um einen kunststoffgebundenen Magneten 2 handelt, bietet es sich dann an, den Magneten 2 in das bewegliche Teil 4 in der Art eines Zwei-Komponenten-Teils beim Herstellen des beweglichen Elementes 4 einzuspritzen.
In Fig. 3 und 4 ist die nähere Ausgestaltung einer Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 gezeigt, die insbesondere für eine Waschmaschine, einen Wäschetrockner o. dgl. zur Detektierung von Schwingungen und/oder der Beladung der Trommel bestimmt ist.
Die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 besitzt ein Gehäuse 11. Das bewegliche Element besteht aus einem Stößel 4, der im Gehäuse 11 linear beweglich gelagert ist. Der rampen- oder keilförmige Magnet 2 ist derart am Stößel 4 durch Einclipsen, Umspritzen o. dgl. befestigt, daß die in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnete Richtung der Achse 5 des Magneten 2 in etwa parallel zur Richtung der Längsachse 12 des Stößels 4 ausgerichtet ist. Der Sensor 3, bei dem es sich um einen Hallsensor handelt, ist in der Art eines integrierten Schaltkreises ausgestaltet und auf einer Leiterplatte 13 angeordnet. Auf der Leiterplatte 13 kann sich zusätzlich eine Elektronik zur Auswertung des vom Sensor 3 erzeugten Sensorsignals befinden, was jedoch nicht weiter gezeigt ist. Im Gehäuse 11 befindet sich eine Halterung 14 zur Befestigung der Leiterplatte 13. Schließlich ist am Gehäuse 11, und zwar an der Halterung 14, eine Steckaufnahme 15 für einen Stecker 16 angeordnet. Der Stecker 16 dient zur elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte 13, womit die elektrische Spannung zum Betrieb der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 zugeführt sowie die von der Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 erzeugten Daten weitergeleitet werden.
Die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 ist einerseits an der Trommel der Waschmaschine, des Wäschetrockners o. dgl. und andererseits an dessen Gestell angelenkt. Zur Anlenkung an die Trommel dient ein Kugelgelenk 17. Das Kugelgelenk 17 besteht aus einer am Stößel 4 befestigten Kugel 19 sowie einer Kugelpfanne 20, in der die Kugel 19 gelagert ist. Die Kugelpfanne 20 befindet sich an einer Befestigungsplatte 21, die wiederum an der Trommel als bewegliches Teil befestigt ist, um so die Bewegungen der Trommel auf den Stößel 4 zu übertragen. Zur Anlenkung an das Gehäuse 11 dient ebenfalls ein Kugelgelenk 18, wobei die Kugel 19 am Gehäuse 11 und Kugelpfanne 20 an einer Befestigungsplatte 22 angeordnet sind. Die Befestigungsplatte 22 ist wiederum an dem Gestell als feststehenden Teil der Waschmaschine, des Wäschetrockners o. dgl. angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung 1 außer in sonstigen Haushaltsgeräten auch in Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Kraftfahrzeugschlössern, zur Fahrwerkserkennung o. dgl. Verwendung finden. Bezugszeichen-Liste 1 Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung
2 Magnet
3 Sensor
4 bewegliches Element/Stößel
5 Richtung/Achse des Magneten
6 Anschluß (am Sensor)
7 Kennlinie (für die Flußdichte des Magneten)
8 Höhe (des Magneten)
9 Luftspalt
10 Rastnase
11 Gehäuse
12 Längsachse (von Stößel)
13 Leiterplatte
14 Halterung
15 Steckaufnahme
16 Stecker
17, 18 Kugelgelenk
19 Kugel (von Kugelgelenk)
20 Kugelpfanne (von Kugelgelenk)
21, 22 Befestigungsplatte

Claims

1. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung mit einem Magneten (2) und mit einem die Magnetfeldstärke detektierenden Sensor (3), wobei der Magnet (2) und/oder der Sensor (3) mit einem beweglichen Element (4) zusammenwirkt, und wobei mittels des beweglichen Elementes (4) eine Relativbewegung zwischen dem Sensor (3) und dem Magneten (2) bewirkbar ist, derart daß der Weg und/oder die Position des beweglichen Elementes (4) aufgrund der vom Sensor (3) detektierten Magnetfeldstärke feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) eine derartige Form besitzt, daß die Magnetfeldstärke entlang einer Achse (5) des Magneten (2) einen variierenden Verlauf besitzt, und daß die Relativbewegung im wesentlichen in Richtung dieser Achse (5) des Magneten (2) verläuft.

2. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) eine elektrische Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke erzeugt, wobei vorzugsweise die Ausgangsspannung im wesentlichen proportional zur erfaßten Magnetfeldstärke, insbesondere zu der der jeweiligen Magnetfeldstärke zugehörigen Flußdichte, ist.

3. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sensor (3) um einen insbesondere analog arbeitenden Hallsensor, GMR-Sensor o. dgl. handelt.

4. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) in Richtung der Achse (5) eine rampen- oder keilförmige Gestalt, insbesondere mit einer linearen Änderung der Höhe (8) des Magneten (2) in Richtung der Achse (5), besitzt, derart daß der Flußdichteverlauf für das Magnetfeld in Richtung der Achse (5) im wesentlichen linear ist, wobei vorzugsweise der Luftspalt (9) zwischen dem Magneten (2) und dem Sensor (3) entlang der Richtung der Achse (5) im wesentlich gleich ist.

5. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) aus kunststoffgebundenen Magnetpartikeln besteht, wobei insbesondere der Magnet (2) durch Spritzgießen hergestellt ist.

6. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) am beweglichen Element (4), beispielsweise mit einer Verrastung, befestigt, in das bewegliche Element (4) eingesetzt, in das bewegliche Element (4) integriert o. dgl. ist, insbesondere daß der kunststoffgebundene Magnet (2) in das bewegliche Element (4) in der Art eines Zwei-Komponenten-Teils eingespritzt ist.

7. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element aus einem Stößel (4) besteht, daß vorzugsweise der Stößel (4) in einem Gehäuse (11) linear beweglich gelagert ist, und daß weiter vorzugsweise der Magnet (2) derart am Stößel (4) befestigt ist, daß die Achse (5) des Magneten (2) in etwa parallel zur Längsachse (12) des Stößels (4) ausgerichtet ist.

8. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3), der insbesondere in der Art eines integrierten Schaltkreises ausgestaltet ist, auf einer Leiterplatte (13) angeordnet ist, daß vorzugsweise eine Elektronik zur Auswertung des Sensorsignals auf der Leiterplatte (13) befindlich ist, daß weiter vorzugsweise im Gehäuse (11) eine Halterung (14) zur Befestigung der Leiterplatte (13) angeordnet ist, und daß noch weiter vorzugsweise am Gehäuse (11), insbesondere an der Halterung (14), eine Steckaufnahme (15) für einen Stecker (16) zur elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte (13) angeordnet ist.

9. Weg- und/oder Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (4) mittels eines Kugelgelenks (17) sowie gegebenenfalls einer Befestigungsplatte (21) an einem beweglichen Teil angelenkt ist, und daß vorzugsweise das Gehäuse (11) mittels eines Kugelgelenks (18) sowie gegebenenfalls einer Befestigungsplatte (22) an einem feststehenden Teil angeordnet ist.