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DE69321619T2 - Kontakloser Winkelpositionsgeber - Google Patents

Kontakloser Winkelpositionsgeber

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DE69321619T2
DE69321619T2 DE69321619T DE69321619T DE69321619T2 DE 69321619 T2 DE69321619 T2 DE 69321619T2 DE 69321619 T DE69321619 T DE 69321619T DE 69321619 T DE69321619 T DE 69321619T DE 69321619 T2 DE69321619 T2 DE 69321619T2
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Ronald J. Goshen Indiana 46526 Wolf
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Durakool Inc
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelpositionsgeber gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
  • Winkelpositionsgeber können für verschiedene Zwecke Verwendung finden einschließlich der Ermittlung der Winkelposition eines drehbar gelagerten Gegenstandes, wie z. B. einem Drosselventil eines Verbrennungsmotors.
  • Es sind verschiedenartige Geber zum Melden der Winkelposition eines drehbar gelagerten Gegenstandes, wie z. B. einer Ventilklappe, bekannt. Beispielsweise sind verschiedenartige Geber vom Kontakttyp, wie etwa elektromechanische Potentiometer, bekannt. Solche elektromechanischen Potentiometer enthalten einen gekrümmten Dickfilm-Widerstandspasten-Widerstand und einen beweglich gelagerten elektrischen Edelmetall-Schleifkontakt, der mit der Ventilklappe mechanisch kuppelbar ist, so daß die Position des. Schleifkontakts gegenüber dem Widerstand entsprechend der Winkelposition der Ventilklappe variiert. Bei solchen Gebern treten bekanntermaßen verschiedenartige Probleme auf. Beispielsweise können solche Geber aufgrund der zwischen der Ventilklappenwelle und dem Schleifkontakt innerhalb des Gebergehäuses erforderlichen dynamischen Abdichtung nicht hermetisch abgedichtet werden. Wie dem Fachmann bekannt, sind solche dynamischen Abdichtungen einem Verschleiß mit der Zeit unterworfen und können so zu einer im Laufe der Zeit verschlechterten Arbeitsweise des Gebers führen. So treten, wenn solche Geber in einem verhältnismäßig abträglichen Umfeld Verwendung finden, wie etwa unter einer Motorhaube, bekanntermaßen Schmutz, Feuchtigkeit und chemische Dämpfe in das Gebergehäuse ein und rufen einen Güteverlust und eine unzuverlässige Arbeitsweise des Gebers hervor.
  • Ein weiteres Problem bei Gebern des Kontakttyps besteht darin, daß sie einer Abnutzung unterliegen. Im besonderen bewegen sich die Schleifkontakte während der veranschlagten Lebensdauer des Gebers in Berührung mit dem Dickfilm-Widerstand viele Male hin und her, vielleicht Millionen Male. Ein solcher beweglicher Kontakt ruft eine lokale Verringerung der Dicke des Dickfilm-Widerstands hervor. Da der Widerstand von dem Querschnitt abhängt, verändert die Verringerung der Dicke des Widerstands den lokalen Widerstandswert in demjenigen Abschnitt des Widerstandes, welcher der größten Abnutzung unterliegt. Dies ruft eine Abdrift des Ausgangssignals im Laufe der Zeit hervor, welche die Eichung und Linearität des Gebers beeinträchtigt. Bei solchen Gebern des Kontakttyps treten noch weitere Probleme auf. Beispielsweise können in einigen Fällen, z. B. wenn der Motor mit annähernd konstanter Geschwindigkeit betrieben wird, von dem Motor hervorgerufene Vibrationen eine zusätzliche lokale Abnutzung des Widerstands hervorrufen, die, wie oben beschrieben, die Eichung und die Linearität des Ausgangssignals des Gebers beeinträchtigen kann.
  • Im Bestreben, die mit solchen Kontakt- Winkelpositionsgebern auftretenden Probleme zu überwinden, wurden kontaktlose Geber entwickelt. Vor allem wurden wegen des verhältnismäßig abträglichen Umfelds eines Verbrennungsmotors verschiedenartige magnetische Geber entwickelt. Beispielsweise geben US-A-3,818,292, US-A-3,112,464 und US-A-4,570,118 Winkelpositionsgeber mit einem Permanentmagneten an, die von einem variierenden Luftspalt Gebrauch machen, um die an einem Hall-Effekt-Element anliegende magnetische Flußdichte in Abhängigkeit von einer Drehbewegung zu variieren. Indessen führt der variierende Luftspalt solcher Geber dazu, daß das Ausgangssignal des Gebers sich exponentiell und damit verhältnismäßig nichtlinear verhält. Um das Ausgangssignal zu linearisieren werden die bei solchen Gebern verwendeten Magnete bekanntermaßen mittels verschiedenartiger bekannter Gießverfahren in solcher Weise hergestellt, daß sie eine unregelmäßige Form besitzen. Jedoch sind solche gegossenen Magnete bekanntlich rauh und weisen Oberflächenmängel auf, die zu Abweichungen von Stück zu Stück beitragen. Die Entfernung solcher Mängel ist verhältnismäßig zeitraubend und trägt so beträchtlich zu den Gesamtkosten des Gebers bei.
  • Andere bekannte Winkelpositionsgeber mit einem einzigen Magneten und einem variierenden Luftspalt verwenden unregelmäßig geformte Magnethalter zum Schiefstellen des Magneten gegenüber der Drehachse und dem Hall-Effekt-Element. Solche unregelmäßig geformten Magnethalter tragen wiederum zu den Gesamtkosten des Gebers bei und erschweren die Eichung des Gebers.
  • Es sind auch Winkelpositionsgeber mit einem einzigen Magneten und einem nicht variierenden Luftspalt bekannt. Beispielsweise enthält der in US-A-4,893,502 angegebene Winkelpositionsgeber einen kreisrunden Magneten, der über eine dynamische Abdichtung starr an eine Ventilklappenwelle gekuppelt und diametral magnetisiert ist, um gegenüberliegende Nord- und Südpole zu bilden. In der Mitte vor dem Magneten befindet sich ein ortsfestes Sensorelement in Gestalt eines magnetischen Widerstandselements (MRE). Das Sensorelement und der Magnet sind innerhalb einer gemeinsamen Abdeckung eingeschlossen, die einen Teil des Ventilkörpers bildet. Obgleich dieser Winkelpositionsgeber auf diese Weise integral mit dem Ventil ausgebildet ist, erfordert er ein gewisses Maß an Raum, insbesondere in axialer Richtung, der jedoch bei solchen Anwendungen sehr rar sein kann.
  • Die US-A-3,184,620 zeigt einen Winkelpositionsgeber mit den Merkmalen des Gattungsbegriffs des Anspruchs 1. Dieses Gerät in Form einer Sinus-Cosinus-Quelle enthält zwei unter einem rechten Winkel entlang der Dreh- oder zentralen Längsachse des Magneten aufeinanderfolgend angeordnete Hall-Effekt-Elemente. Indem der Magnet eine entsprechende Länge besitzt, ist das Gerät entlang der Drehachse wiederum verhältnismäßig sperrig. Dazu noch besitzt die Öffnung des Magneten im Querschnitt eine hundeknochenähnliche Form, die schwer herzustellen ist.
  • Aus US-A-3,663,843 ist andererseits ein Winkelpositionsgeber mit einem zentral innerhalb einer diagonalen, schlitzförmigen Öffnung eines gegabelten Permanetmagneten angeordneten einzigen Hall-Effekt-Element bekannt. Der auf diese Weise an einem seiner Enden geschlossene Magnet liefert, gesehen entlang der axialen Länge des Magneten, ein ungleichförmiges magnetisches Feld. Um den Linearitätsbereich des Ausgangssignals dieses Geräts über Winkel von etwa ± 6º hinaus zu vergrößern, ist das Hall-Effekt-Element fest zwischen zwei Ferrit-Stücken eingeschlossen, die als Flußkonzentratoren wirken. Wegen des entlang der axialen Länge des Magneten ungleichförmigen magnetischen Feldes haben die Flußkonzentratoren im wesentlichen unterschiedliche Formen und lassen es damit nicht zu, das magnetische Feld zu mitteln, um das Verhalten zu verbessern. Nimmt man an, daß dieses Gerät dennoch zufriedenstellend arbeitet, indem es ein annähernd lineares Ausgangssignal über einen vergrößerten Winkelbereich liefert, so leidet es doch unter der Tatsache, daß wiederum kein Standard-Magnet Verwendung finden kann.
  • Schließlich gibt DE-A-42 15 641 einen zweietagigen ringförmigen Magneten mit einer kreisrunden zentralen Öffnung an, der eine Anordnung mit drei um einen zentral angeordneten IC herum angeordneten Hall-Effekt-Elementen, sowie zwei flußleitenden Stücken an beiden axialen Stirnseiten der Hall- Effekt-Elemente umgibt. Neben einem erheblichen Durchmesser erfordert auch dieses Gerät einen beträchtlichen axialen Raum.
  • Davon ausgehend zielt die beanspruchte Erfindung darauf ab, einen Geber der im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der, obgleich er ein komplettes, über einen beträchtlichen Winkelbereich im wesentlichen lineares Winkelpositionssignal hervorbringt, einfach im Aufbau und klein insbesondere in axialer Richtung ist.
  • Die beanspruchte Erfindung erlaubt es, einen Standard- Magneten einfacher Ausbildung zu verwenden. Dazu noch können unter gleichzeitiger Verwendung des Merkmals des Anspruchs 5 Standard-Magnete Verwendung finden, die einen verhältnismäßig weiten Toleranzbereich hinsichtlich des magnetischen Feldes besitzen.
  • Wenn Anspruch 1 in seinem kennzeichnenden Teil die Länge des Magneten hinsichtlich des Sensorelements definiert, versteht es sich, daß dies sich auf die Länge des eigentlichen Sensorelements ohne irgendeine Einbettung desselben anders als ein normales IC-Gehäuse bezieht.
  • Nachfolgend wird ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der Erfindung exemplarisch unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt
  • Fig. 1 eine perspektivische Ansicht wesentlicher Elemente eines kontaktlosen Winkelpositionsgebers nach der Erfindung und
  • Fig. 2 einen Querschnitt eines Winkelpositionsgebers, wie in Fig. 1 gezeigt, jedoch ergänzt durch zusätzliche Elemente.
  • Der dargestellte Winkelpositionsgeber 200 enthält einen Magneten 202, Signalerzeugungsmittel in Form eines magnetischen Sensorelements 204, z. B. ein Hall-Effekt-Element, einen oder mehrere in bezug auf das Sensorelement 204 starr angebrachte Flußkonzentratoren 206 und einen beweglich angebrachten Flußkonzentrator 208, der es gestattet, die Empfindlichkeit des Gebers 200 mechanisch einzustellen. Der Magnet 202 wird von einer Antriebsarmanordnung 210 getragen, die in bezug auf das Sensorelement 204 und die Flußkonzentratoren 206 und 208 drehbar gelagert ist. Wie durch die Richtung von Pfeilen 212 dargestellt, ist der Magnet 202 in der Lage, um eine Achse 214 zu rotieren.
  • Der Magnet 202 ist als im wesentlichen kreisrundes Element mit einer zentralen Öffnung 216 gestaltet. Er ist so ausgebildet, daß er zwei halbkreisförmige Abschnitte aufweist, deren jeder einen Pol bildet. Im besonderen bildet ein halbkreisförmiger Abschnitt 218 einen Südpol, während ein halbkreisförmiger Abschnitt 220 einen Nordpol bildet.
  • Das Sensorelement 204 und die starr angebrachten Flußkonzentratoren 206 werden von einem Gehäuse 221 getragen, das aus einem magnetisch nichtleitenden Material, wie z. B. Kunststoff, Messing oder Aluminium, hergestellt ist. Im besonderen ist das Gehäuse 221, wie am besten in Fig. 2 dargestellt, mit einem zylindrischen Abschnitt 222 versehen, der an einem Ende 224 geschlossen ist, und mit einem ringförmigen Kragenabschnitt 226. Wie gezeigt, ist das Sensorelement 204 zwischen den starr angebrachten Flußkonzentratoren 206 eingeschlossen und wird von dem geschlossenen Ende 224 des zylindrischen Abschnitts 222 des Gehäuses 221 getragen. In dem geschlossenen Ende 224 ist eine Aussparung 228 ausgebildet zur Aufnahme des magnetischen Sensorelements 204, um eine ordnungsgemäße Orientierung desselben gegenüber dem Gehäuse 221 zu erleichtern.
  • Der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 222 des Gehäuses 221 ist kleiner als der Durchmesser der zentral angeordneten Öffnung 216 in dem kreisrunden Magneten 202, und der zylindrische Abschnitt 222 des Gehäuses 221 befindet sich innerhalb der Öffnung 216, was die axiale Gesamtlänge des Gebers verringert.
  • An einem ortsfesten äußeren Teil ist eine Abdeckung 230 anbringbar. Die Abdeckung 230 ist als im wesentlichen zylindrisches Glied mit mindestens einer teilweisen ringförmigen inneren Schulter 232 und einem Mundstück 234 ausgebildet. Die ringförmige Schulter 232 definiert einen ersten Innendurchmesser und einen zweiten Innendurchmesser. Der erste Innendurchmesser ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des Kragenabschnitts 226 des Gehäuses 221 gewählt. Ein in einer Ringnut 229 des Gehäuses 221 liegender O-Ring 227 dient zur Abdichtung des Gehäuses 221 gegenüber der Abdeckung 230, um Vergußmaterial (siehe unten) am Eindringen in den Bereich der Antriebsarmanordnung 210 zu hindern.
  • Der zweite Innendurchmesser der Abdeckung 230 ist kleiner als der erste Innendurchmesser. Er ist so gewählt, daß die Antriebsarmanordnung 210 innerhalb der Abdeckung frei rotieren kann.
  • Die Antriebsarmanordnung 210 enthält einen als ringförmiges Glied unregelmäßiger Form ausgebildeten Antriebsarm 235, der einen ringförmigen Schachtabschnitt 236 und einen Antriebsabschnitt 238 definiert. Der ringförmige Schachtabschnitt 236 ist entsprechend ausgebildet, um den zylindrischen Abschnitt 222 des Gehäuses 221 aufzunehmen und so die axiale Gesamtlänge des Gebers 200 in oben beschriebener Weise verringern zu können. Der Antriebsabschnitt 238 ist geeignet, an das drehbare Glied gekuppelt zu werden, dessen Drehung gemessen werden soll, auf eine Weise, daß die Antriebsarmanordnung 210 zusammen mit diesem Glied rotiert.
  • Eine Schraubenfeder 240 dient dazu, die Antriebsarmanordnung 210 elastisch in einer vorbestimmten Position zu halten, beispielsweise der in Fig. 2 gezeigten Position. Die Schraubenfeder 240 ist um den Außendurchmesser des Antriebsarms 235 herum angeordnet. Ein Ende (nicht gezeigt) der Schraubenfeder 240 ist starr an dem Antriebsarm 235 festgelegt. Das andere Ende, 242, der Feder 240 ist starr mit der Abdeckung 230 verbunden. Auf diese Weise kann eine Drehung der Antriebsarmanordnung 210 gegenüber der Abdeckung 230 eine Kompression oder Spannung der Feder 240 hervorrufen, um die Antriebsarmanordnung 210 vorzuspannen.
  • Der Schachtabschnitt 236 des Antriebsarms 235 ist mit einer innenliegenden ringförmigen Schulter 243 versehen. Die Abmessungen der ringförmigen Schulter 243 sind so gewählt, daß der kreisrunde Magnet 202 mit der ringförmigen Innenwand 244 des Antriebsarms 235 bündig abschließen kann.
  • Der Geber 200 enthält des weiteren eine Druckschaltungsplatte (PCB) 245. Die PCB 245 wird von dem zylindrischen Abschnitt 222 des Gehäuses 221 getragen, um eine elektrische Verbindung zwischen dem magnetischen Sensorelement 204 und einer Gruppe externer elektrischer Leiter 246 herzustellen. Im besonderen besitzt, falls als magnetisches Sensorelement 204 ein Hall-Effekt-Element Verwendung findet, dieses eine Mehrzahl elektrischer Leiter 248. Die PCB 245 ist entsprechend ausgebildet, um in oben beschriebener Weise eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Leitern 246 und 248 herzustellen.
  • Ist der axiale Abstand des Flußkonzentrators 208 einmal eingestellt, so wird ein Abschnitt des Gehäuses 221 mit einem geeigneten Vergußmaterial 249, wie z. B. Epoxy, vergossen, um die Anordnung gegenüber Staub, Feuchtigkeit und sonstigen schädlichen Verunreinigungen abzudichten. Der ringförmige Kragenabschnitt 226 des Gehäuses 221 schützt den Bodenabschnitt (Fig. 2) vor dem Vergußmaterial 249, um eine freie Drehung der Antriebsarmanordnung 210 zu gestatten.
  • Im Betrieb ruft eine Drehung des drehbaren Gliedes, dessen Drehbewegung gemessen werden soll, eine Drehung der Antriebsarmanordnung 210 hervor. Da der Magnet 202 an der Antriebsarmanordnung 210 starr festgelegt ist, bewirkt eine solche Drehung, daß sich die Winkelposition der magnetischen Nord- und Südpole des Magneten 202 gegenüber der Fühlebene des Sensorelements 204 ändert. Diese Änderung bewirkt eine Änderung des Ausgangssignals aus dem Sensorelement 204 als Funktion der Änderung der Winkelposition des Magneten 202 gegenüber der Antriebsarmanordnung.

Claims (5)

1. Kontaktloser Winkelpositionsgeber (200) zum Ermitteln der Winkelposition eines drehbar gelagerten Gegenstandes in bezug auf eine vorbestimmte Drehachse (214), mit
- einer Abdeckung (230)
- einem koaxial in bezug auf die Drehachse (214) angeordneten ringförmigen Magneten (202) mit einer zentralen Öffnung (216) und gegenüberliegenden magnetischen Nord- und Südpolen innerhalb einer gemeinsamen Ebene, betrachtet entlang der Drehachse,
- Kupplungsmitteln (210) zum mechanischen Kuppeln des Magneten (202) an den drehbar gelagerten Gegenstand und
- einem im wesentlichen zentral und im wesentlichen innerhalb der Öffnung (216) des Magneten (202) angeordneten ortsfesten magnetischen Sensorelement (204),
dadurch gekennzeichnet,
- daß die zentrale Öffnung (216) des Magneten (202) einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt besitzt,
- daß die axiale Länge des Magneten (202) im wesentlichen derjenigen des magnetischen Sensorelements (204) entspricht und
- daß das Sensorelement (204) zwischen einem Paar Flußkonzentratoren (206) innerhalb der zentralen Öffnung (216) des Magneten (202) eingeschlossen ist.
2. Winkelpositionsgeber (202) nach Anspruch 1, worin der Magnet (202) entsprechend magnetisiert ist, um zumindest entlang seinem Innenumfang miteinander abwechselnde magnetische Polaritäten zu besitzen.
3. Winkelpositionsgeber (200) nach Anspruch 1 oder 2, worin die magnetischen Nord- und Südpole halbkreisförmige gekrümmte Abschnitte (218, 220) des Magneten (202) definieren.
4. Winkelpositionsgeber (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das magnetische Sensorelement (204) ein Halleffekt-Element aufweist.
5. Winkelpositionsgeber (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren mit einem im wesentlichen kreisrunden Flußkonzentrator (208) in im wesentlichen koaxialer Anordnung in bezug auf den ringförmigen Magneten (202) und in bezug auf das Sensorelement (204) einstellbar angebracht.
DE69321619T 1992-06-22 1993-06-22 Kontakloser Winkelpositionsgeber Revoked DE69321619T2 (de)

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