DE4400616C2 - Magnetischer Positionssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Positionssensor, gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1 (DE 40 38 674 A1).

Die geometrischen Größen Position und Winkel lassen sich mit Hilfe von physikalischen Größen, wie Kapazität, Lichtintensität oder magnetischer Feldstärke bzw. magneti­ scher Flußdichte in ein elektrisches Ausgangssignal zur Weiterverarbeitung umsetzen.

Es ist eine Meßvorrichtung bekannt, bei welcher auf einer Welle eines Rotationskörpers ein aus zwei Scheiben beste­ hender einstückiger Geberkörper angeordnet ist (EP 04 12 181 B1).

Die Schei­ ben weisen einen unterschiedlichen Durchmesser auf, wobei eine Scheibe konzentrisch und die andere Scheibe exzen­ trisch auf der Welle angeordnet ist.

Durch die exzentrische Anordnung des Geberkörpers während der Rotation ändert sich die Größe des Meßluftspaltes zwischen Geberkörper und dem an seinem Umfang angeordneten Flußleitkörper. Hierdurch ergibt sich auch eine entspre­ chende Änderung des von einer Erregerspule getriebenen magnetischen Flusses.

Dieser Änderung wird der von einer Kompensationsspule erzeugte magnetische Fluß durch einen elektronischen Regler derart angepaßt, daß das Magnetfeld in dem Luftspalt, in welchem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, zu Null kom­ pensiert wird.

Der durch den Regler eingestellte Strom der Kompensations­ spule ist somit ein Maß für die jeweilige Drehstellung des Geberkörpers.

Die beschriebene Lösung ist in ihrer Ausführung sehr montage- und justier aufwendig und somit sehr teuer, so daß sie für einen breiten Einsatz unter extremen Bedingungen (Staub, Öl, Wasser, Chemikalien, wie sie z. B. in Kraftfahrzeugen auftreten) nicht nutzbar sind. Eine Temperaturkompensation ist nur in sehr engen Grenzen realisierbar.

Ein Einsatz von robusten Meßelementen wie z. B. Feldplatten oder Hallsensoren war bisher unter den beschriebenen Bedin­ gungen nicht möglich, da bei der Umsetzung der magnetischen Größen Induktion oder Feldstärke in ein elektrisches Signal eine nicht zu vernachlässigende Temperaturabhängigkeit auf­ tritt.

Aus der DE 40 38 674 A1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der absoluten Ist-Position eines entlang einer vorbestimmten Wegstrecke bewegbaren Bauteils bekannt. Diese Vorrichtung weist ein erstes Geberteil für die Grob­ auflösung sowie ein zweites Geberteil für die Feinauflösung auf. Jedem Geberteil sind Magnetflußsensoren zugeordnet, die an ein und demselben Träger angeordnet sind. Hinter jedem Magnetflußsensor ist ein Permanent­ magnet angeordnet.

Diese Anordnung ist für den Einsatz in einem Automobil relativ aufwendig konstruiert.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen, präzisen und für den Einsatz in einem Automobil geeigneten robusten Sensor zur Messung von Positionsänderungen zu schaffen, der als Absolutwertgeber arbeitet und in einem großen Betriebstemperaturbereich ein­ setzbar ist. Ein lineares elektrisches Abbildsignal der Positionsänderung soll mit einer kostengünstigen Signalver­ arbeitung realisierbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß aus zwei von der Positionsänderung abhängigen magnetischen Flüssen, die von zwei separaten Magnetfeldsensoren gemessen werden, ein Differenzsignal bzw. ein Quotient aus Differenz und Summe der beiden magnetischen Flüsse über eine an sich bekannte Auswerteelektronik gebildet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist somit in einem weiten Betriebstemperaturbereich einsetzbar.

Durch eine Differenzbildung der elektrischen Abbildgrößen kann man Störgrößen, die die Flußdichten durch die beiden Magnetfeldsensoren gleichartig ändern, unterdrücken.

Vorteilhafterweise sind beide Magnetfeldsensoren auf einem Chip angeordnet. Dadurch ist eine gute Paarigkeit bezüglich der Sensorkennlinie und der Temperaturabhängigkeit reali­ sierbar. Die Anordnung bietet außerdem die Möglichkeit, Geber und Auswerteschaltung in einer Ebene anzuordnen.

Zur Messung eines Drehwinkels besteht die Geber­ anordnung aus zwei mit einer Welle eines Rotationskör­ pers verbundenen Geberscheiben, wobei dem Umfang jeder Geberscheibe gegenüberliegend je ein Magnet­ feldsensor angeordnet ist und die Magnetfeldsensoren an einem Schenkel des als Winkel ausgebildeten Fluß­ leitkörpers befestigt sind und der andere Schenkel des Flußleitkörpers die Welle des Rotationskörpers um­ schließt und über den Permanentmagneten einen ge­ schlossenen Magnetkreis mit den Geberscheiben bildet.

In einer Weiterbildung wird die Abstandsänderung zwischen den beiden Geberscheiben und dem Flußleit­ körper entweder über die exzentrische Anordnung min­ destens einer Geberscheibe auf der Welle des Rota­ tionskörpers oder über die Kontur der Geberscheiben realisiert, so daß sich für einen beliebigen Drehwinkel innerhalb des Meßbereiches eine eindeutige Differenz zwischen den magnetischen Flüssen bzw. den magne­ tischen Flußdichten einstellt. Der funktionale Zusam­ menhang zwischen dem Drehwinkel und dem elektri­ schen Ausgangssignal ist somit in weiten Bereichen frei wählbar.

Unterschiedliche Feldverläufe, die auf Grund der un­ terschiedlichen Abstände der Geberscheiben zum Fluß­ leitkörper auftreten, können durch verschiedene Quer­ schnittsgeometrien der Geberscheiben kompensiert werden, so daß ein gleichartiger Feldverlauf auftritt.

Eine weitere Verbesserung des Temperaturverhal­ tens der Anordnung läßt sich dadurch erreichen, daß die Geberscheiben mit einem dazwischen angeordneten Abstandshalter eine kompakte Einheit bilden.

Soll das System selbst auf Funktionsfähigkeit über­ prüft werden, ist der Flußleitkörper U-förmig ausgebil­ det, an seinen Seitenschenkeln sind jeweils zwei Ma­ gnetfeldsensoren zum Umfang der Geberscheiben ge­ genüberliegend angeordnet und die Drehachse der Wel­ le durchsetzt den Flußleitkörper zentrisch.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sollen anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Drehwinkelsensor

Fig. 2 ein Drehwinkelsensor mit kompakter Geberein­ heit

Fig. 3 der magnetische Fluß innerhalb des Drehwinkel­ sensors

Fig. 4 Konturen der Geberscheiben

Fig. 5 ein redundantes System

Fig. 6 ein erfindungsgemäßer linearer Wegsensor

Gemäß Fig. 1 ist ein Drehwinkelsensor dargestellt, der aus zwei Geberscheiben 1 und 2 besteht, welche auf der mit dem nicht weiter dargestellten Rotationskörper ver­ bundenen Welle 5 angeordnet sind. Die erste Geber­ scheibe 1 ist dabei exzentrisch auf der Welle 5 angeord­ net, während die zweite Geberscheibe 2 zentrisch befe­ stigt ist. Beide Geberscheiben 1 und 2 weisen den glei­ chen Durchmesser auf.

Die Geberscheiben 1 und 2 werden durch einen weichmagnetischen Abstandshalter 3 auf konstante Di­ stanz gehalten. Gegenüber dem Umfang einer jeden Geberscheibe 1, 2 ist je ein Magnetfeldsensor 8, 9, ent­ weder Hallgeneratoren oder Feldplatten, angeordnet, welche auf einem gemeinsamen Chip 7 angebracht sind. Das Chip 7 wiederum ist an einem L-förmigen, weich­ magnetischen Flußleitkörper 6 befestigt. Dieser Fluß­ leitkörper 6 ist ortsfest montiert und trägt einen Perma­ nentmagneten 4, welcher ein konstantes Magnetfeld für das Sensorsystem bereitstellt. Der Permanentmagnet 4 kann aber auch drehbar mit der Welle 5 verbunden sein.

Die genannten Elemente bilden einen geschlossenen Magnetkreis.

Die Geberscheiben 1 und 2, der Abstandshalter 3 und der Flußleitkörper 6 besitzen kleine magnetische Wi­ derstände und dienen in diesem Magnetkreis als Fluß­ konzentratoren.

In der Draufsicht der Fig. 1 ist noch einmal die zentri­ sche bzw. exzentrische Lagerung der Geberscheiben 1 und 2 auf der Welle 5 verdeutlicht.

In Fig. 2 sind die Geberscheiben 1 und 2 und der Abstandshalter 3 als ein kompaktes Element hergestellt. Es besteht als Spritzteil aus einem temperaturstabilen mit ferromagnetischen Partikeln gefüllten Kunststoff, wodurch das Temperaturverhalten der Anordnung wei­ ter verbessert wird.

Die Funktionsweise der Anordnung soll nun anhand Fig. 3 näher erläutert werden.

Durch den Dauermagneten 4 wird ein konstantes Ma­ gnetfeld gebildet, welches alle Elemente des Drehwin­ kelsensors durchsetzt.

Aufgrund der unterschiedlichen Anordnung der Ge­ berscheiben 1, 2 auf der Welle 5 des Rotationskörpers ändert sich für die exzentrisch angeordnete Geberschei­ be 1 der Abstand zum gegenüberliegenden Magnetfeld­ sensor 8 in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Die so her­ vorgerufene Magnetfelddeformation führt zu einer Än­ derung des magnetischen Flusses Φ1, der vom Magnet­ feldsensor 8 detektiert wird. Der magnetische Fluß Φ2 wird vom Magnetfeldsensor 9 detektiert.

Für jeden beliebigen Drehwinkel ist eine eindeuti­ ge Differenz zwischen den Flüssen Φ1 und Φ2 herstell­ bar.

Die magnetischen Flüsse Φ1 und Φ2 werden von den Magnetfeldsensoren 8 und 9 in elektrische Signale um­ gewandelt. Da beide Magnetfeldsensoren 8 und 9 auf einem Chip 7 angeordnet sind, können durch eine Diffe­ renzbildung Störgrößen, die den magnetischen Fluß gleichartig ändern, unterdrückt wer­ den. Zu diesen Störgrößen gehören die Temperaturän­ derung, die den gesamten Magnetkreis beeinflussen, Axial- und Radialspiel der mechanischen Lagerung der Welle 5 und magnetische Störfelder.

Die Abstandsänderung zu den Magnetfeldsensoren kann auch über die Kontur der Geberscheiben dersel­ ben realisiert werden.

In Fig. 4a ist in Draufsicht noch einmal die bisher diskutierte Anordnung der Geberscheiben dargestellt, wobei das verstärkte Kreuz in allen Darstellungen die Drehachse symbolisieren soll.

Gemäß Fig. 4b haben beide Scheiben denselben Durchmesser, sind aber beide exzentrisch auf der Welle 5 angeordnet. Mit beiden Anordnungen wird ein mono­ tones elektrisches Ausgangssignal über einen Winkelbe­ reich von 180 Grad erzeugt.

Die Fig. 4c und 4d zeigen Geberscheibenanordnun­ gen, welche beide zentrisch zur Drehachse gelagert sind. Während Fig. 4c Geberscheiben mit gegenläufigen zunehmenden bzw. abnehmenden Radien zeigen, ist in Fig. 4d nur eine Geberscheibe mit abnehmendem Radi­ us dargestellt. Bei dieser Anordnung verläuft das elek­ trische Ausgangssignal in einem Winkelbereich von na­ hezu 360 Grad monoton.

Weitere Formen sind natürlich entsprechend der ge­ forderten Systemkennlinie (Bereichsspreizung, Schalt­ punkte) denkbar.

Auf der Basis der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Grundanordnungen lassen sich auch Redundanzen ent­ sprechend Fig. 5 bewirken.

Zu diesem Zweck ist der Flußleitkörper 6 U-förmig ausgebildet. An seinen Seitenschenkeln sind jeweils auf einem Chip 7, 12 zwei Magnetfeldsensoren 7, 8; 13, 14 zum Umfang der Geberscheiben 1, 2 gegenüberliegend angeordnet. Die Welle 5 durchsetzt dabei den Flußleit­ körper 6 zentrisch. Mit dieser Anordnung ist es möglich, das System auf Funktionsfähigkeit zu prüfen. Der von den Magnetfeldsensoren 8, 9 detektierte magnetische Gesamtfluß Φg1 ist dabei wertmäßig genauso groß, wie der gegensinnige, von den Magnetfeldsensoren 13, 14 detektierte magnetische Gesamtfluß Φg2.

Ein linearer Wegsensor ist in Fig. 6 dargestellt.

Die Geberanordnung besteht dabei aus zwei, eine gegenläufige Keilform aufweisenden Teilen 15 und 16, zu welchen jeweils senkrecht je ein Magnetfeldsensor 8 und 9 angeordnet ist. Die Geberteile 15 und 16 sowie die Magnetfeldsensoren 8 und 9 sind gegenüberliegend auf den Schenkeln des U-förmigen Flußleitkörpers 17 ange­ bracht. Dabei sind beide Magnetfeldsensoren 8 und 9 auf einem gemeinsamen Chip 7 integriert.

Zwischen den Geberteilen 15 und 16 und dem sie tragenden Schenkel des Flußleitkörpers 17 befindet sich der Permanentmagnet 18, dessen N-S-Richtung senk­ recht zur Bewegungsrichtung 19 des Sensors verläuft.

Die Geberteile 15 und 16 sowie der Permanentma­ gnet 18 sind dabei auf einer nicht dargestellten gemein­ samen Führungsschiene angeordnet, so daß bei einer Wegänderung in Bewegungsrichtung 19 alle gleichzeitig beweglich sind.

Aufgrund der Keilform der Geberteile 15, 16 wird die Wegänderung eines Objektes in eine Abstandsände­ rung und somit eine Änderung des magnetischen Flus­ ses erzeugt, welche zu Meßzwecken in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Ein solcher Geber eignet sich zum Beispiel zur berührungsfreien Füllstandsmessung.

Claims (14)

1. Magnetischer Positionssensor, mit einer zweiteiligen, in einem Magnet­ feld liegenden Geberanordnung, durch welche die Positionsänderungen eines Objektes in Abstandsänderungen zu einem weichmagnetischen Flußleitkörper um­ wandelbar sind, auf welchem Magnetfeldsensoren angeordnet sind, die die durch die Abstands­ änderungen hervorgerufenen Änderungen des magnetischen Flusses in elektrische Signale umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Teil (1, 2; 15, 16) der mit dem Objekt (5) fest verbundenen Geberanordnung zur Detektion der Abstandsänderungen jeweils ein am Flußleitkörper (6; 17) befestigter Magnetfeldsensor (8, 9; 13, 14) gegenüberliegend angeordnet ist, daß der Flußleitkörper (6; 17) mit einem einzigen Permanentmagneten (4; 18) verbunden ist, welcher das Magnetfeld erzeugt, wobei dieser Permanentmagnet (4; 18) mit der zweiteiligen Geberanordnung (1, 2; 15, 16), den Magnetfeld­ sensoren (8, 9; 13, 14) und dem Flußleitkörper (6; 17) einen geschlossenen Magnetkreis bildet, in dem der erste Magnetfeldsensor (8) den vom ersten Teil (1; 15) der Geberan­ ordnung (1, 2; 15, 16) beeinflußten ersten magnetischen Fluß (Φ1) und der zweite Magnetfeldsensor (9) den vom zweiten Teil (2, 16) der Geberanordnung beeinflußten zweiten magnetischen Fluß (Φ2) detektiert, wobei ein Differenzsignal oder ein Quotient aus Differenz und Summe der Signale gebildet ist.

2. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß beide Magnetfeld­ sensoren (8, 9; 13, 14) auf einem Chip (7) angeordnet sind.

3. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberan­ ordnung aus zwei mit einer Welle (5) eines Rota­ tionskörpers verbundenen Geberscheiben (1, 2) be­ steht, wobei dem Umfang jeder Geberscheibe (1, 2) gegenüberliegend je ein Magnetfeldsensor (8, 9) angeordnet ist und die Magnetfeldsensoren (8, 9) an einem Schenkel des als Winkel ausgebildeten Fluß­ leitkörpers (6) befestigt sind und der andere Schen­ kel des Flußleitkörpers (6) die Welle (5) des Rota­ tionskörpers umschließt und über den Permanent­ magneten (4) den geschlossenen Magnetkreis mit den Geberscheiben (1, 2) bildet.

4. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ge­ berscheibe (1, 2) exzentrisch auf der Welle (5) ange­ ordnet ist.

5. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusam­ menhang zwischen Drehwinkel und elektrischem Ausgangssignal über die Kontur der Geberscheibe (1, 2) realisierbar ist.

6. Magnetischer Positionssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberscheiben (1, 2) unterschiedliche Querschnitts­ geometrien aufweisen.

7. Magnetischer Positionssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberscheiben (1, 2) durch einen weichmagneti­ schen Abstandshalter (3) auf Distanz gehalten sind.

8. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberscheiben (1, 2) und der Abstandshalter (3) eine kompakte Ein­ heit (10) bilden, die auf der Welle (5) des Rotations­ körpers angeordnet ist.

9. Magnetischer Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberan­ ordnung aus zwei gegenläufigen, keilförmigen Tei­ len (15, 16) besteht, welche mit dem Permanentma­ gneten (18) gleichzeitig bewegbar auf einem U-för­ migen Flußleitkörper (17) angeordnet sind.

10. Magnetischer Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren (8, 9) Hallgeneratoren sind.

11. Magnetischer Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren (8, 9) Feldplatten sind.

12. Magnetischer Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren (8, 9) magnetoresistive Elemente mit Barberpol-Struktur sind.

13. Magnetischer Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (4) orts­ fest am Flußleitkörper (6) oder drehbar mit der Welle (5) verbunden ist.

14. Magnetischer Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Flußleitkörper (6) U-förmig ausgebildet ist, an dessen Seitenschenkeln jeweils zwei Magnetfeldsensoren (8, 9; 13, 14) zum Umfang jeder der Geberscheiben (1, 2) gegenüberliegend ange­ ordnet sind und die Drehachse der Welle (5) den Flußleitkörper (6) zentrisch durchsetzt.