DE10114043A1

DE10114043A1 - Wegsensor mit magnetoelektrischem Wandlerelement

Info

Publication number: DE10114043A1
Application number: DE2001114043
Authority: DE
Inventors: Manfred Abendroth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-06-13

Abstract

Es wird ein Wegsensor mit mindestens einem magnetoelektrischen Wandlerelement (7, 8) vorgeschlagen, bei dem ein stabförmiger Magnetträger (3) in der Richtung des zu erfassenden Weges zwischen zwei sich ortsfest gegenüberliegenden magnetoelektrischen Wandlerelementen (7, 8), insbesondere Hallsensoren, unter messbarer Beeinflussung eines Magnetflusses bewegbar ist. Im Magnetträger (3) erstreckt sich in einem Winkel zu der Bewegungsrichtung (5) ein Permanentmagnet (6) oder ein magnetisch leitfähiges Teil (21), das an einem Ende jeweils dem einen Wandlerelement (7) und an seinem anderen Ende dem jeweils anderen Wandlerelement (8) näher gegenüberliegt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Wegsensor mit mindestens ei nem magnetoelektrischen Wandlerelement zur Erfassung der Bewegung eines Bauelements nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist bereits aus der DE 43 17 259 A1 eine Sensoranord nung für einen Drehwinkel bekannt, bei der ein Magnet flussgenerator zur Erzeugung eines messbaren Magnetflus ses in einer elektrischen Steuereinrichtung angeordnet ist. Es sind hier magnetoelektrische Wandlerelemente vor handen, mit denen eine Änderung des Magnetflusses, her vorgerufen durch die Drehbewegung eines magnetisch lei tenden Körpers, erfassbar sind.

Es werden beispielsweise auch Wegsensoren in Kraftfahr zeugen an elektrohydraulischen Bremsen für die Erfassung des Bremspedalweges benötigt. Da eine reine Drucküberwa chung der hydraulischen Speicher, z. B. Membran- oder Kol benspeicher, für eine zuverlässige Bremsfunktion nicht ausreicht wird zusätzlich zum Signal für den Druck des Hauptbremszylinders sowie aus einem Signal für einen Bremslichtschalter auch aus dem Wegsignal des Bremspedals der Fahrerbremswunsch errechnet und entweder als Soll bremsdruck oder als Sollfahrzeugverzögerung an die je weiligen Stellglieder weitergegeben. Diese Bremswunsch erfassung ist stark sicherheitsrelevant und setzt eine hohe Zuverlässigkeit des verwendeten Wegsensors voraus. Sowohl der Weg des Bremspedals als auch der Membran- bzw. Kolbenweg im Speicher können je nach Ausführung des Sys tems bis zu 50 mm betragen, so dass sich nicht alle be kannten Wegmessprinzipien für diese Aufgabe eignen.

Bei den üblichen physikalischen Verfahren, die sich zur Wegmessung eignen, handelt sich beispielsweise um induk tive Tauchankersysteme, z. B. mit einem Differential transformator, um potentiometrische Lösungen, um Hall sensoren in Verbindung mit Permanentmagneten oder auch um inkrementelle Sensoren mit optischer oder, magnetischer Abtastung. Es können allerdings auch digitale Wegsensoren mit absoluten optisch oder magnetisch codierten Maßstäben angewandt werden.

Üblich sind auch Anordnungen mit denen man einen Linear weg in eine Winkelbewegung umwandeln kann, wodurch sich für die Wegmessung eine ganze Reihe anderer Verfahren einsetzen ließen. Nachteil dieser Wandlung ist jedoch insbesondere ein zusätzlicher Wandlungsfehler durch ein Lagerspiel, so dass es insgesamt vorteilhafter ist, den Linearweg auf direkte Weise zu messen. Bei den zuvor ge nannten üblichen Verfahren mit einer Messung des Linear wegs handelt es sich jedoch ausschließlich um Lösungen, die nicht auf die Belange der Wegmessung in sicherheits relevanten Systemen direkt zugeschnitten sind und daher für viele Anwendungsfälle nicht ausreichen.

Vorteile der Erfindung

Bei einer Weiterbildung eines Wegsensors zur Erfassung einer Bewegung nach der gattungsgemäßen Art mit mindesten einem magnetoelektrischem Wandlerelement wird gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise ein stabförmiger Träger in der Richtung des zu erfassenden linearen Weges zwi schen zwei sich ortsfest gegenüberliegenden magnetoelekt rischen Wandlerelementen, die nach einer bevorzugten Aus führungsformen Hallsensoren sind, bewegt.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung befindet sich in einem Magnetträger in einem Winkel zu der Bewe gungsrichtung ein Permanentmagnet, der an einem Ende je weils dem einen Wandlerelement und an seinem anderen Ende dem jeweils anderen Wandlerelement mit seinen Polflächen nahe ist. Die durch eine Bewegung entstehenden gegenläu figen Signalspannungen der beiden Wandlerelemente sind dann jeweils unabhängig voneinander auswertbar und mit ihnen ist ein dem Linearweg entsprechendes Signal erzeug bar.

Eine zweite Ausführungsform weist einen stabförmigen mag netisch nichtleitenden Träger in der Richtung des zu er fassenden Weges auf. Im Träger erstreckt sich hier in ei nem Winkel zu der Bewegungsrichtung ein magnetisch leit fähiges Teil und die magnetoelektrischen Wandlerelemente sind über Abstandselemente außen mit jeweils einem Perma nentmagneten versehen.

Der Messeffekt beruht hier in beiden Fällen im wesentli chen darauf, dass sich die magnetische Feldstärke mit zu nehmendem Abstand von der Magnetoberfläche verringert.

Der Winkel des Magneten oder des magnetisch leitfähigen Teils zu der Bewegungsrichtung liegt in vorteilhafter Weise im Bereich von ca. 1° bis 10°. Durch die Winkel lage beispielsweise des Magneten zu seiner Bewegungs richtung vergrößert sich der Abstand der Polflächen des sich bewegenden Magneten zum feststehenden Hallelement. Die Winkellage sollte so gewählt werden, dass sich der Abstand zwischen dem Hallelement und der Magnetoberfläche nur um den Betrag ändern darf, indem ein ausreichend li nearer Zusammenhang zwischen der magnetischer Feldstärke und dem Abstand besteht. Der optimale Winkel ist abhängig vom gewählten Magnetwerkstoff, von der zu messenden Weg länge s und vom gewählten Grundabstand s_o in der Aus gangsstellung des Wegsensors.

Bei der bevorzugten Anwendung von analogen Hallelementen als Wandlerelemente können diese bereits einen internen Verstärker enthalten, der so ausgelegt ist, dass die Sig nalspannungen in Verbindung mit preiswerten Magneten im Bereich zwischen 1 und 4 Volt liegen, so dass eine weite re Verstärkung des Ausgangssignals der so gebildeten Hallsensoren nicht erforderlich ist.

Um eine Überwachung der Funktionalität des Wegsensors auf einfache Art zu ermöglichen können die Messsignale der beiden Wandlerelemente auch durch Addition miteinander verknüpft werden. Werden z. B. die Ausgangssignale der beiden Hallsensoren so kalibriert, dass sie die gleiche Empfindlichkeit aufweisen, entsteht nach der Addition ei ne vom Weg eine nahezu konstante, nur durch den Linea ritätsfehler beeinflusste, Ausgangsspannung. Diese Aus gangsspannung kann dann als Überwachungsgröße dienen und bei einer entsprechenden Abweichung von dem an sich kon stanten Wert kann auf einen Sensordefekt geschlossen wer den.

In einem bevorzugten Anwendungsfall ist der Wegsensor Be standteil eines Bremssystems für ein Kraftfahrzeug und der bewegbare Träger bildet mit der Kolbenstange des Bremszylinders des Bremssystems eine kompakte Baueinheit. Der Wegsensor kann auch Bestandteil eines elektrohydrau lischen Bremssystems für ein Kraftfahrzeug sein, wobei der bewegbare Träger mit der Kolbenstange eines Kolben speichers des elektrohydraulischen Bremssystems eine kom pakte Baueinheit bildet. Andererseits kann der bewegbare Träger in vorteilhafter Weise auch mit der Membran eines Membran-Hochdruckspeichers als Bestandteil des elektro hydraulischen Bremssystems eine kompakte Baueinheit bil den.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu meh reren in Form von Unterkombinationen bei der Ausfüh rungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten ver wirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfä hige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Wegsensor für eine Linearwegmessung in drei Ansichten mit einem Magneten, der zwischen zwei Hallsensoren als magnetoelektrische Wandler bewegt wird,

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs der Signalspan nungen der Hallsensoren nach der Fig. 1 und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Weg sensors in drei Ansichten mit einem in einem Träger angeordneten magnetisch leitendem Blech, das zwi schen zwei mit Magneten versehenen Hallsensoren als magnetoelektrische Wandler bewegt wird.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Wegsensor 1 dargestellt, der ein Ge häuse 2 und einen darin längs verschiebbaren Magnetträger 3 aufweist. In der oberen rechten Ansicht ist eine Drauf sicht, in der unteren Ansicht ein Längsschnitt gemäß der Schnittlinie A-A und in der oben links gezeichneten An sicht ist ein Vertikalschnitt des Wegsensors 1 gezeigt.

Der Magnetträger 3 ist über ein mechanisches Koppelele ment 4 mit einem Bauteil verbindbar, dessen lineare Bewe gung gemäß Pfeil 5 erfasst werden soll. Dieses Bauteil kann beispielsweise die Druckstange des Hauptbremszylin ders bzw. des Kolben oder der Membran des Druckspeichers eines Bremssystems für ein Kraftfahrzeug sein.

Im Magnetträger 3 ist im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ein Magnet 6 angeordnet, der mit einer vorgegebenen Winkellage zur Bewegungsrichtung 5 eingebaut ist und der so polarisiert ist, dass sich die Polflächen auf den Breitseiten befinden. Im Gehäuse 2 sind beiderseitig der Bewegungsbahn des Magnetträgers 3 gegenüberliegend Hall sensoren 7 und 8 angeordnet, die mit entsprechenden Hallelementen, Signalverstärkern und Anschlusselementen 9 versehen sind. Die Winkellage des Magneten 6 zur Bewe gungsrichtung 5 ist so gewählt, dass sich der Abstand der Oberfläche des Magneten 6 zum jeweiligen Hallsensor 7 und 8 über den Messweg nur um wenige Millimeter, z. B. 3 mm, verändert. Die Länge des stabförmigen Magneten 6 muss da bei größer sein als der maximal zu messende Weg s.

In Fig. 2 sind die Verläufe der Signalspannungen U_hall der Hallsensoren 7 und 8 über den Weg s des Magnetträgers 3 in der Bewegungsrichtung 5 nach der Fig. 1 gezeigt; es ergeben sich zwei gegenläufige Signalspannungsverläufe mit dem Verlauf 10 gleich U_hall7 = f(s) und 11 gleich U_hall8 = f(s), wobei beispielsweise die Länge des Magneten 6 halle hier ca. 32 mm beträgt. Mit der Kurve 12 ist die Addition beider Signalspannungsverläufe 10 und 11 angegeben.

Die analogen Hallsensoren 7 und 8 enthalten vorzugsweise bereits jeweils einen internen Verstärker, der so ausge legt ist, dass die Signalspannungen in Verbindung mit ei nem kostengünstigen Magneten 6 bei der Darstellung nach der Fig. 2 im Bereich zwischen 1 und 4 Volt liegen kön nen, so dass eine weitere Verstärkung des Ausgangssignal der Hallsensoren 7 und 8 nicht erforderlich ist.

Der Messeffekt gemäß der Erfindung beruht darauf, dass sich die magnetische Feldstärke mit zunehmendem Abstand von der Magnetoberfläche verringert und somit durch eine Bewegung des Magnetträgers 3 und aufgrund der Winkellage des Magneten 6 eine Feldstärkenänderung ergibt. Durch die Winkellage des Magneten 6 zu seiner Bewegungsrichtung 5 vergrößert sich beispielsweise bei einer Herausbewegung des Magnetträgers 3 nach oben (vgl. Fig. 1) der Abstand der Polfläche des sich bewegenden Magneten 6 zum ortsfes ten Hallsensor 7.

Die Ausgangssignale der beiden Hallsensoren 7 und 8 sind in Abhängigkeit des zu messenden Weges s für den ge wünschten Messeffekt in der Regel ausreichend linear. Mit der beschriebenen Anordnung ist ein linearer Wegbe reich von mindestens 20 mm nutzbar. Zur Messung größerer Wege kann man das Prinzip variieren, indem man einen Mag neten benutzt, dessen Länge beispielsweise um etwa 20% größer als der zu messende Weg s ist.

Jedoch muss auch die Winkellage des Magneten 6 so gewählt werden, dass sich der Abstand zwischen dem Hallsensor 7 oder 8 und Magnetoberfläche nur um den Betrag ändern darf, bei dem ein ausreichend linearer Zusammenhang zwi schen der magnetischen Feldstärke und dem Abstand be steht. Ein typischer Wert des Winkels beträgt beispiels weise für einen Magnetwerkstoff Kobalt-Samarium, eine Weglänge von s = 60 mm und einen Grundabstand s₀ = 0,5 mm ca. 3,5°.

Durch die beschriebene Verwendung von zwei analogen Hall sensoren 7 und 8, die durch eine entsprechende Anordnung jeweils einen zueinander gespiegelten Signalverlauf 10 und 11 aufweisen, besteht außerdem die Möglichkeit, den Wegsensor 1 in seiner Funktion zu überwachen. Werden die Ausgangssignale beider Hallsensoren so kalibriert, dass sie die gleiche Empfindlichkeit aufweisen, entsteht nach Addition eine über den Weg nahezu konstante, nur durch den Linearitätsfehler variierende Ausgangsspannung gemäß dem Verlauf 12 nach der Fig. 2. Bei einer Abweichung von diesem Wert kann auf einen Sensordefekt geschlossen wer den.

Der Linearitätsfehler des Wegsensors 1 kann darüber hi naus auch dadurch verringert werden, dass man z. B. einen kunststoffgebundenen Magnetwerkstoff für den Magneten 6 verwendet, der als Band eine gewisse Flexibilität auf weist. Eine Nut 13 im Gehäuse 2 nach der Fig. 1 kann zur Aufnahme eines solchen flexiblen Magnetträgers 3 nicht als gerade Spur, sondern mit leichten Krümmungen ausge führt werden, die dem inversen Linearitätsfehler der Kennlinie entsprechen, so dass sich die Kennlinie somit auf rein mechanischem Wege verbessern lässt.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wegsensors 20 ergibt sich aus der Möglichkeit, den Mag neten nach der Fig. 1 durch ein magnetisch gut leitendes Blech 21 nach Fig. 3 zu ersetzen. In diesem Falle muss jeweils hinter den Hallsensoren 7 und 8 ein Permanent magnet 22 und 23 über einen Abstandshalter 24 und 25 an geordnet werden. Die gleich wirkenden Bauteile wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 sind in der Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Anordnung kann sehr kostengünstig ausgeführt werden, da das Volumen der Vorspann-Magneten 22 und 23 deutlich kleiner aus fällt, wobei allerdings nachteilig ist, dass hier ein ge ringerer Messeffekt und eine größere Nichtlinearität auf treten kann.

Claims

1. Wegsensor mit mindestens einem magnetoelektrischem Wandlerelement (7, 8) und einem Magneten (6; 22, 23), bei dem durch die Bewegung eines Bauelements eine mit dem Wandlerelement (7, 8) messbare Beeinflussung des Mag netflusses bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
ein stabförmiger Magnetträger (3) in der Richtung des zu erfassenden Weges zwischen zwei sich ortsfest ge genüberliegenden magnetoelektrischen Wandlerelementen (7, 8) bewegbar ist,
wobei sich im Magnetträger (3) in einem Winkel zu der Bewegungsrichtung (5) ein Permanentmagnet (6) er streckt, der mit jeweils einer an seiner Längsseite liegenden Polfläche an einem Ende jeweils dem einen Wandlerelement (7) und an seinem anderen Ende dem je weils anderen Wandlerelement (8) näher gegenüberliegt und dass
die Messsignale der beiden Wandlerelemente (7, 8) je weils unabhängig voneinander auswertbar sind.

2. Wegsensor mit mindestens einem magnetoelektrischem Wandlerelement (7, 8) und einem Magneten (6; 22, 23), bei dem durch die Bewegung eines Bauelements eine mit dem Wandlerelement (7, 8) messbare Beeinflussung des Mag netflusses bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
ein stabförmiger magnetisch nichtleitender Träger (3) in der Richtung des zu erfassenden Weges zwischen zwei sich ortsfest gegenüberliegenden magnetoelek trischen Wandlerelementen (7, 8) bewegbar ist, die ü ber Abstandselemente (24, 25) außen mit jeweils einem Permanentmagneten (22, 23) versehen sind,
wobei sich im Träger (3) in einem Winkel zu der Bewe gungsrichtung (5) ein magnetisch leitfähiges Teil (21) erstreckt, das an einem Ende jeweils dem einen Wandlerelement (7) und an seinem anderen Ende dem je weils anderen Wandlerelement (8) näher gegenüberliegt und dass
die Messsignale der beiden Wandlerelemente (7, 8) je weils unabhängig voneinander auswertbar sind.

3. Wegsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Winkel zu der Bewegungsrichtung (5) im Bereich von ca. 1° bis 10° liegt und dabei so gewählt ist, dass sich der Abstand zwischen dem jeweiligen Wand lerelement (7, 8) und der Oberfläche des Magneten (6) oder des magnetisch leitfähigen Teils (21) nur um den Betrag ändert, indem ein ausreichend linearer Zusammenhang zwischen der magnetischer Feldstärke und dem Abstand besteht.

4. Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) und der Magnet (6) oder das magnetisch leitfähige Teil (21) in vorgegebenen Grenzen flexi bel sind und ein Kanal (13) zur Führung des Trägers (3) im Gehäuse (2) des Wegsensors (1; 20) eine vorge gebene Krümmung aufweist.

5. Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente Hallelemente (7, 8) sind.

6. Wegsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallelemente mit Verstärkern zu Hallsensoren (7, 8) zusammengeschaltet sind, deren Ausgangsignalspannungen direkt weiterverarbeitbar sind.

7. Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale (10, 11) der beiden Wandlerelemente (7, 8) zur Überwachung der Funktionalität des Weg sensors (1; 20) durch Addition (12) miteinander ver knüpft sind.

8. Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (1; 20) Bestandteil eines Bremssystems für ein Kraftfahrzeug ist und der bewegbare Träger (3) mit der Kolbenstange des Bremszylinders des Bremssystems eine kompakte Baueinheit bildet.

9. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (1; 20) Bestandteil eines elektrohy draulischen Bremssystems für ein Kraftfahrzeug ist und der bewegbare Träger (3) mit der Kolbenstange eines Kolbenspeichers des elektrohydraulischen Bremssystems eine kompakte Baueinheit bildet.

10. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (1; 20) Bestandteil eines elektrohy draulischen Bremssystems für ein Kraftfahrzeug ist und der bewegbare Träger (3) mit der Membran eines Membran-Hochdruckspeichers des elektrohydraulischen Bremssystems eine kompakte Baueinheit bildet.