DE10139154A1 - Winkelstellungssensor - Google Patents

Abstract

Ein Winkelstellungssensor (10, 60) umfaßt einen Rotor (12, 62), der an einer Welle (14, 64) angebracht ist. Ein erster Magnet (30, 66) und ein zweiter Magnet (32, 68) sind an der Oberfläche des Rotors (12, 62) angebracht. Außerdem sind ein erster Konzentrator (16, 78) und ein zweiter Konzentrator (18, 80) um den Umfang des Rotors (12, 62) einander gegenüberliegend angeordnet. Ein Zwischenraum ist zwischen dem ersten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellt, und ein Magnetfeldmeßelement (28, 90) ist in dem Zwischenraum angeordnet. Wenn der Rotor (12, 62) in bezug auf das Meßelement (28, 90) rotiert, gibt das Meßelement (28, 90) ein lineares Signal aus, das die Lage des Rotors (12, 62) in bezug auf das Meßelement (28, 90) über einen Bereich zwischen negativen neunzig Grad und positiven neunzig Grad darstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Winkelstellungssenso­ ren. Manche Kraftfahrzeugsteuersysteme erfordern Winkelstellungssenso­ ren, die nur eine partielle Winkelbewegung eines Teils relativ zu einem anderen Teil erfassen müssen, zum Beispiel weniger als plus oder minus neunzig Grad (+/- 90°). Geformte Magnete sind in Verbindung mit Ma­ gnetfeldsensoren dazu verwendet worden, kontaktlose Winkelstellungs­ sensoren bereitzustellen, die eine partielle Winkelbewegung erfassen. Es ergibt sich, daß Winkelstellungssensoren, die rotierende Magnete benut­ zen, die von feststehenden Magnetfeldsensoren erfaßt werden, ein sinus­ förmiges oder pseudosinusförmiges Ausgangssignal erzeugen, das sich ei­ nem linearen Ausgangssignal lediglich annähert. Infolgedessen weisen diese Sensoren eine begrenzte Genauigkeit auf, wie es bei der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde.

Widerstandsstreifen umfassende Stellungs- oder Lagesensoren sind auch in großem Maße dazu verwendet worden, die Stellung eines sich bewegen­ den Teils relativ zu einem entsprechenden feststehenden Teil festzustellen. Bei der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß diese traditionellen Sensoren aufgrund der Anfälligkeit der Widerstandsstreifen gegenüber vorzeitigem Verschleiß Zuverlässigkeitsprobleme haben können. Außer­ dem kann das Schwingen von Kontaktbürsten entlang der Widerstands­ streifen in den Ausgangssignalen unannehmbares elektrisches Rauschen bewirken.

Bei der vorliegenden Erfindung wurden diese Nachteile des Standes der Technik erkannt, und es wurden die unten offenbarten Lösungen für ei­ nen oder mehrere der Mängel des Standes der Technik geschaffen.

Ein Winkelstellungssensor umfaßt einen Rotor. Ein erster Magnet ist an der Oberfläche des Rotors angebracht, und ein zweiter Magnet ist an der Oberfläche des Rotors gegenüber dem ersten Magneten angebracht. Zu­ sätzlich ist ein erster Konzentrator um den Umfang des Rotors herum an­ geordnet, und ein zweiter Konzentrator ist um den Umfang des Rotors ge­ genüber dem ersten Konzentrator angeordnet, so daß ein Zwischenraum zwischen dem ersten Konzentrator und dem zweiten Konzentrator herge­ stellt ist. Ein Magnetfeldmeßelement ist in dem zwischen dem ersten Kon­ zentrator und dem zweiten Konzentrator hergestellten Zwischenraum an­ geordnet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetfeldmeßelement ein Hall-Sensor. Der Rotor ist vorzugsweise an ein rotierendes Element ge­ koppelt, und der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator sind in bezug auf den Rotor feststehend.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist jeder Magnet einen inneren Pol und einen äußeren Pol auf. Die Breite des äußeren Pols ist größer als die Breite des inneren Pols. Außerdem sind die Konzentratoren bogenförmig und überspannen einen Winkel von annähernd einhundert­ unddreißig Grad.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist jeder Ma­ gnet eine Innenpolbreite und eine Außenpolbreite auf. Die Innenpolbreite ist gleich der Außenpolbreite. Bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung weist jeder Magnet eine Länge auf, die mindestens doppelt so groß wie die Innenpolbreite und die Außenpolbreite ist. Außerdem sind die Konzentratoren bogenförmig und überspannen einen Winkel von annä­ hernd neunzig Grad.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Fahrzeugsteuersystem einen Mikroprozessor und einen Winkelstellungs­ sensor, der elektrisch an den Mikroprozessor gekoppelt ist. Der Sensor stellt ein lineares Signal für den Mikroprozessor bereit, das eine Winkel­ bewegung im Bereich zwischen negativen neunzig Grad und positiven neunzig Grad darstellt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen be­ schrieben, in diesen zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Winkelstellungssensors,

Fig. 2 einen Graphen des Ausgangs des in Fig. 1 gezeigten Win­ kelstellungssensors,

Fig. 3 eine Draufsicht eines alternativen Winkelstellungssensors,

Fig. 4 einen Graphen des Ausgangs des in Fig. 2 gezeigten alter­ nativen Winkelstellungssensors, und

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugsystems, in das der Winkelstellungssensor eingebaut ist.

In Fig. 1 ist ein Winkelstellungssensor gezeigt und allgemein mit 10 be­ zeichnet. Fig. 1 zeigt einen im allgemeinen scheibenförmigen, vorzugsweise nichtmagnetischen Rotor 12, der mit einer Welle 14 verbunden ist. Es ist festzustellen, daß der Rotor 12 mit der Welle 14 direkt, wie gezeigt, oder indirekt über ein oder mehrere Zahnräder (nicht gezeigt) verbunden sein kann. Fig. 1 zeigt einen im allgemeinen bogenförmigen, ersten Konzentra­ tor 16 und einen im allgemeinen bogenförmigen, zweiten Konzentrator 18, die jeweils ein proximales Ende 20, 22 und ein distales Ende 24, 26 auf­ weisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Konzentratoren 16, 18 aus einem weichen magnetischen Material hergestellt, und die Konzentratoren 16, 18 sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, um den Umfang des Rotors 12 herum derart angeordnet, daß die proximalen Enden 20, 22 der Konzentratoren 16, 18 in enger Nähe beieinander liegen, sich aber nicht berühren. Ein Magnetfeldmeßelement 28, z. B. ein Hall-Sensor, ist in dem zwischen den proximalen Enden 20, 22 der Konzentratoren 16, 18 hergestellten Zwischenraum angeordnet. Bei einer bevorzugte Ausfüh­ rungsform, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, überspannt jeder bogenförmige Konzentrator 16, 18 einen Winkel α, der größer als neunzig Grad (90°), aber kleiner als einhundertundachtzig Grad (180°) ist.

Weiterhin sind nach Fig. 1 ein erster Permanentmagnet 30 und ein zweiter Permanentmagnet 32 an der Oberfläche des Rotors 12 angebracht. Es ist festzustellen, daß die Magnete 30, 32 über die Insert-Technik in den Rotor 12 eingeformt oder auf andere Weise an dem Rotor angebracht sein kön­ nen, so daß sie von dem Rotor 12 getragen sind. Fig. 1 zeigt, daß die Ma­ gnete 30, 32 tropfenförmige, im allgemeinen längliche Strukturen sind, die Spiegelbilder voneinander sind und an der Oberfläche des Rotors 12 in identischen Stellungen einander gegenüberliegend orientiert sind. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist jeder Magnet 30, 32 einen inneren Pol 34, 36 und einen äußeren Pol 38, 40 auf. Außerdem hat jeder innere Pol 34, 36 eine Breite 42, 44, und jeder äußere Pol 38, 40 hat eine Breite 46, 48. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Breiten 46, 48 der äußeren Pole 38, 40 größer als die Breiten 42, 44 der inneren Pole 34, 36.

Es ist zu verstehen, daß, wenn der Rotor 12 in irgendeiner Richtung in bezug auf die Konzentratoren 16, 18 rotiert, wie dies durch den Bewe­ gungsbogen 50 angedeutet ist, der Winkel des magnetischen Flusses von jedem Magnet, der das Meßelement 28 erreicht, variiert. Die Konzentrato­ ren 16, 18 sammeln und leiten den magnetischen Fluß um die Konzen­ tratoren 16, 18 herum und durch das Meßelement 28 hindurch. Der Aus­ gang des Meßelements 28 schwankt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Mit dem oben beschriebenen Aufbau, d. h. der Größe und Form der Magnete 30, 32 und den durch die Konzentratoren 16, 18 überspannten Winkeln, ist der Ausgang des Meßelements 28 von annähernd negativen fünfundachtzig Grad zu annähernd positiven fünfundachtzig Grad (-85° bis +85°) linear, wie von der in Fig. 1 gezeigten Nullstellung aus gemessen. Es ist festzu­ stellen, daß die Magnete 30, 32 verstellt werden können, indem sie bei­ spielsweise nach innen oder nach außen verschwenkt, verdreht, verkippt, verschoben, verlängert oder verkürzt werden oder ihre Form verändert wird, um die Linearität des Winkelstellungssensors 10 einzustellen.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform des Winkelstellungssensors gezeigt und allgemein mit 60 bezeichnet. Fig. 3 zeigt, daß der Winkelstel­ lungssensor 60 einen Rotor 62 umfaßt, der mit einer Welle 64 verbunden ist. An dem Rotor 62 sind ein erster Permanentmagnet 66 und ein zweiter Permanentmagnet 68 angebracht. Bei dieser Ausführungsform ist jeder Magnet 66, 68 im allgemeinen oval und weist eine Innenpolbreite 70, 72 auf, die gleich der Außenpolbreite 74, 76 ist. Außerdem weist jeder Magnet 66, 68 eine Länge 75, 77 auf, die mindestens doppelt so groß wie die In­ nen- und Außenpolbreiten 70, 72, 74, 76 ist.

Fig. 3 zeigt einen im allgemeinen bogenförmigen, ersten Konzentrator 78 und einen im allgemeinen bogenförmigen, zweiten Konzentrator 80. Jeder Konzentrator 78, 80 weist ein proximales Ende 82, 84 und ein distales Ende 86, 88 auf. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Konzentratoren 78, 80 um den Umfang des Rotors 62 herum derart angeordnet, daß die proximalen Enden 82, 84 der Konzentratoren 78, 80 in enger Nähe beiein­ ander liegen, sich aber nicht berühren. Ein Magnetfeldmeßelement 90, z. B. ein Hall-Sensor, ist in dem zwischen den proximalen Enden 82, 84 der Konzentratoren 78, 80 hergestellten Zwischenraum angeordnet. Bei dieser Ausführungsform des Winkelstellungssensors 60 überspannt jeder bogenförmige Konzentrator 78, 80 einen Winkel β, der annähernd neunzig Grad (90°) beträgt. Es ist festzustellen, daß der Winkel β größer als neun­ zig Grad (90°) aber nicht größer als einhundertundachtzig Grad (180°) sein kann.

Es ist zu verstehen, daß, wenn der Rotor 62 in irgendeiner Richtung mit bezug auf die Konzentratoren 78, 80 rotiert, wie dies durch den Bewe­ gungsbogen 92 angedeutet ist, der Winkel des magnetischen Flusses von jedem Magneten, der das Meßelement 90 erreicht, variiert. Der Ausgang des Meßelements 90 schwankt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Mit dem oben beschriebenen Aufbau, d. h. der Größe und Form der Magnete 66, 68 und den Winkeln β, die von den Konzentratoren 78, 80 überspannt werden, ist der Ausgang des Meßelements 90 von null Grad bis annähernd sechzig Grad (0° bis 60°) linear. Es ist festzustellen, daß der Ausgang des Sensors von null Grad bis annähernd negativen sechzig Grad (0° bis -60°), der in Fig. 4 nicht gezeigt ist, ebenso linear ist.

In Fig. 5 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das ein Fahrzeugsteuersystem darstellt, das allgemein mit 100 bezeichnet ist. Fig. 5 zeigt, daß das Fahr­ zeugsteuersystem 100 den Winkelstellungssensor der vorliegenden Erin­ dung, z. B. den in Fig. 1 gezeigten Sensor 10 umfaßt, der elektrisch mit ei­ nem Mikroprozessor 102 oder einem äquivalenten Schaltkreis über eine elektrische Leitung 104 verbunden ist. Insbesondere ist das Meßelement 28 mit dem Mikroprozessor 102 über die elektrische Leitung 104 verbun­ den. Ein Steuersystem 106 ist elektrisch mit dem Mikroprozessor 102 durch eine elektrische Leitung 108 gekoppelt. Wenn sich der Rotor 12 dreht, liefert das Meßelement 28 dem Mikroprozessor 102 ein Signal. Das Signal wird dann, von dem Mikroprozessor 102 verarbeitet, um die Stel­ lung des Rotors 12 relativ zu dem Meßelement 28 gemäß den obigen Prin­ zipien zu bestimmen. Es ist zu verstehen, daß der in Fig. 3 gezeigte Sensor 60 in dem Steuersystem 100 verwendet werden kann.

Es ist festzustellen, daß mit der oben beschriebenen Ausgestaltung und dem oben beschriebenen Aufbau der Winkelstellungssensor 10, 60 dazu verwendet werden kann, die Winkelbewegung eines Teils in bezug auf ein weiteres Teil ohne Kontakt zwischen den Teilen über einen vorbestimmten Bereich zu erfassen, während ein relativ genauer linearer Ausgang über den vorbestimmten Bereich geliefert wird.

Zusammengefaßt umfaßt ein Winkelstellungssensor 10, 60 einen Rotor 12, 62, der an einer Welle 14, 64 angebracht ist. Ein erster Magnet 30, 66 und ein zweiter Magnet 32, 68 sind an der Oberfläche des Rotors 12, 62 angebracht. Außerdem sind ein erster Konzentrator 16, 78 und ein zweiter Konzentrator 18, 80 um den Umfang des Rotors 12, 62 einander gegen­ überliegend angeordnet. Ein Zwischenraum ist zwischen dem ersten Kon­ zentrator 16, 78 und dem zweiten Konzentrator 18, 80 hergestellt, und ein Magnetfeldmeßelement 28, 90 ist in dem Zwischenraum angeordnet. Wenn der Rotor 12, 62 in bezug auf das Meßelement 28, 90 rotiert, gibt das Meßelement 28, 90 ein lineares Signal aus, das die Lage des Rotors 12, 62 in bezug auf das Meßelement 28, 90 über einen Bereich zwischen negativen neunzig Grad und positiven neunzig Grad darstellt.

Claims (18)

1. Winkelstellungssensor, umfassend:
einen Rotor (12, 62),
einen ersten Magneten (30, 66), der an dem Rotor (12, 62) ange­ bracht ist,
einen zweiten Magneten (32, 68), der an dem Rotor (12, 62) ge­ genüber dem ersten Magneten (30, 66) angebracht ist,
einen ersten Konzentrator (16, 78), der um den Umfang des Ro­ tors (12, 62) herum angeordnet ist,
einen zweiten Konzentrator (18, 80), der um den Umfang des Ro­ tors (12, 62) gegenüber dem ersten Konzentrator (16, 78) derart an­ geordnet ist, daß ein Zwischenraum zwischen dem ersten Konzen­ trator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellt ist, und
ein Magnetfeldmeßelement (28, 90), das in dem zwischen dem er­ sten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellten Zwischenraum angeordnet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeldmeßelement (28, 90) ein Hall-Sensor ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (12, 62) an ein rotierendes Element (14, 64) gekoppelt ist,
und daß der erste Konzentrator (16, 78) und der zweite Konzentrator (18, 80) in bezug auf den Rotor (12, 62) feststehend sind.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (30, 32) einen inneren Pol (34, 36) und einen äußeren Pol (38, 40) aufweist, und daß die Breite (46, 48) des äußeren Pols (38, 40) größer als die Breite (42, 44) des inneren Pols (34, 36) ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren (16, 18) bogenförmig sind und einen Winkel von mindestens neunzig Grad überspannen.

6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (66, 68) eine Innenpolbreite (70, 72) und eine Außen­ polbreite (74, 76) aufweist, wobei die Innenpolbreite (70, 72) gleich der Außenpolbreite (74, 76) ist.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (66, 68) eine Länge (75, 77) aufweist, die mindestens doppelt so groß wie die Innenpolbreite (70, 72) und die Außenpol­ breite (74, 76) ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren (78, 80) bogenförmig sind und einen Winkel von annähernd neunzig Grad überspannen.

9. Fahrzeugsteuersystem, umfassend:
einen Mikroprozessor (102),
einen Winkelstellungssensor (10, 60), der elektrisch an den Mi­ kroprozessor (102) gekoppelt ist, wobei der Sensor (10, 60) dem Mi­ kroprozessor (102) ein lineares Signal liefert, das eine Winkelbewe­ gung in einem Bereich zwischen negativen neunzig Grad und positi­ ven neunzig Grad darstellt.

10. Sensor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Steuersystem (106), das mit dem Mikroprozessor (102) elektrisch gekoppelt ist.

11. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelstellungssensor (10, 60) umfaßt:
einen Rotor (12, 62),
einen ersten Magneten (30, 66), der an dem Rotor (12, 62) ange­ bracht ist,
einen zweiten Magneten (32, 68), der an dem Rotor (12, 62) ge­ genüber dem ersten Magneten (30, 66) angebracht ist,
einen ersten Konzentrator (16, 78), der um den Umfang des Ro­ tors (12, 62) herum angeordnet ist,
einen zweiten Konzentrator (18, 80), der um den Umfang des Ro­ tors (12, 62) gegenüber dem ersten Konzentrator (16, 78) derart an­ geordnet ist, daß zwischen dem ersten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) ein Zwischenraum hergestellt ist, und
ein Magnetfeldmeßelement (28, 90), das in dem zwischen dem er­ sten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellten Zwischenraum angeordnet ist.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeldmeßelement (28, 90) ein Hall-Sensor ist.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (12, 62) an ein rotierendes Element (14, 64) gekoppelt ist,
und daß der erste Konzentrator (16, 78) und der zweite Konzentrator (18, 80) in bezug auf den Rotor (12, 62) feststehend sind.

14. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (30, 32) einen inneren Pol (34, 36) und einen äußeren Pol (38, 40) aufweist, und daß die Breite (46, 48) des äußeren Pols (38, 40) größer als die Breite (42, 44) des inneren Pols (34, 36) ist.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren (16, 18) bogenförmig sind und einen Winkel von mindestens neunzig Grad überspannen.

16. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (66, 68) eine Innenpolbreite (70, 72) und eine Außen­ polbreite (74, 76) aufweist, wobei die Innenpolbreite (70, 72) gleich der Außenpolbreite (74, 76) ist.

17. Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (66, 68) eine Länge (75, 77) aufweist, die mindestens doppelt so groß wie die Innenpolbreite (70, 72) und die Außenpol­ breite (74, 76) ist.

18. Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren (78, 80) bogenförmig sind und einen Winkel von annähernd neunzig Grad überspannen.