DE10139154B4 - Winkelstellungssensor - Google Patents
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Abstract
Winkelstellungssensor,
umfassend:
einen Rotor (12, 62),
einen ersten Magneten (30, 66), der an dem Rotor (12, 62) angebracht ist,
einen zweiten Magneten (32, 68), der an dem Rotor (12, 62) gegenüber dem ersten Magneten (30, 66) angebracht ist,
einen ersten Konzentrator (16, 78), der um den Umfang des Rotors (12, 62) herum angeordnet ist,
einen zweiten Konzentrator (18, 80), der um den Umfang des Rotors (12, 62) gegenüber dem ersten Konzentrator (16, 78) derart angeordnet ist, dass ein Zwischenraum zwischen dem ersten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellt ist, und
ein Magnetfeldmesselement (28, 90), das in dem zwischen dem ersten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellten Zwischenraum angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Magnet (30, 66) und der zweite Magnet (32, 68) längliche Strukturen sind und an dem Rotor (12, 62) einander...
einen Rotor (12, 62),
einen ersten Magneten (30, 66), der an dem Rotor (12, 62) angebracht ist,
einen zweiten Magneten (32, 68), der an dem Rotor (12, 62) gegenüber dem ersten Magneten (30, 66) angebracht ist,
einen ersten Konzentrator (16, 78), der um den Umfang des Rotors (12, 62) herum angeordnet ist,
einen zweiten Konzentrator (18, 80), der um den Umfang des Rotors (12, 62) gegenüber dem ersten Konzentrator (16, 78) derart angeordnet ist, dass ein Zwischenraum zwischen dem ersten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellt ist, und
ein Magnetfeldmesselement (28, 90), das in dem zwischen dem ersten Konzentrator (16, 78) und dem zweiten Konzentrator (18, 80) hergestellten Zwischenraum angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Magnet (30, 66) und der zweite Magnet (32, 68) längliche Strukturen sind und an dem Rotor (12, 62) einander...
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Winkelstellungssensoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Manche Kraftfahrzeugsteuersysteme erfordern Winkelstellungssensoren, 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 Magnetfeldsensoren dazu verwendet worden, kontaktlose Winkelstellungssensoren bereitzustellen, die eine partielle Winkelbewegung erfassen. Es ergibt sich, daß Winkelstellungssensoren, die rotierende Magnete benutzen, die von feststehenden Magnetfeldsensoren erfaßt werden, ein sinusförmiges oder pseudosinusförmiges Ausgangssignal erzeugen, das sich einem linearen Ausgangssignal lediglich annähert. Infolgedessen weisen diese Sensoren eine begrenzte Genauigkeit auf, wie es bei der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde.
- Aus der
DE 196 30 764 A1 ist eine Messvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der A1 bekannt. - Die
DE 38 26 408 C2 zeigt einen Drosselklappen-Winkelsensor für Verbrennungsmotoren, wobei an einem Ende der Drosselklappen-Welle ein Permanentmagnet angebracht ist. - Die
DE 41 23 131 A1 offenbart ein Verfahren zur Bereitstellung eines, von einem Drehwinkel linear abhängigen, elektrischen Ausgangssignals, wobei die Differenz des magnetischen Potentials zwischen jeweils zwei, einander geometrisch gegenüberliegenden Punkten in zwei Zweigen eines, von einem magnetischen Fluss gleichsinnig durchsetzten, rotationssymmetrischen, geschlossenen magnetischen Systems als Maß für den Drehwinkel dient, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. - In der
DE 197 16 985 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position und/oder Torsion rotierender Wellen gezeigt, die zweipolig-radiale Ringmagnetelemente sowie Statorelemente aus magnetisch leitendem Material verwendet, wobei in den Statorelementen Luftspalte eingebracht sind, in denen teilweise je ein Hall-IC-Element angeordnet ist. - Widerstandsstreifen umfassende Stellungs- oder Lagesensoren sind auch in großem Maße dazu verwendet worden, die Stellung eines sich bewegenden 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. Außerdem kann das Schwingen von Kontaktbürsten entlang der Widerstandsstreifen in den Ausgangssignalen unannehmbares elektrisches Rauschen bewirken.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelstellungssensor mit einem linearen Ausgangssignal bereitzustellen, bei dem die Linearität einfach und kostengünstig einstellbar ist.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetfeldmeßelement ein Hall-Sensor. Der Rotor ist vorzugsweise an ein rotierendes Element gekoppelt, 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 einhundertunddreißig Grad.
- Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist jeder Magnet eine Innenpolbreite und eine Außenpolbreite auf. Die Innenpolbreite ist gleich der Außenpolbreite. Bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung 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 annähernd neunzig Grad.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Fahrzeugsteuersystem einen Mikroprozessor und einen Winkelstellungssensor, der elektrisch an den Mikroprozessor gekoppelt ist. Der Sensor stellt ein lineares Signal für den Mikroprozessor bereit, das eine Winkelbewegung im Bereich zwischen negativen neunzig Grad und positiven neunzig Grad darstellt.
- Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigt:
-
1 eine Draufsicht eines Winkelstellungssensors, -
2 einen Graphen des Ausgangs des in1 gezeigten Winkelstellungssensors, -
3 eine Draufsicht eines alternativen Winkelstellungssensors, -
4 einen Graphen des Ausgangs des in2 gezeigten alternativen Winkelstellungssensors, und -
5 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Fahrzeugsystems, in das der Winkelstellungssensor eingebaut ist. - In
1 ist ein Winkelstellungssensor gezeigt und allgemein mit10 bezeichnet.1 zeigt einen im allgemeinen scheibenförmigen, vorzugsweise nichtmagnetischen Rotor12 , der mit einer Welle14 verbunden ist. Es ist festzustellen, daß der Rotor12 mit der Welle14 direkt, wie gezeigt, oder indirekt über ein oder mehrere Zahnräder (nicht gezeigt) verbunden sein kann.1 zeigt einen im allgemeinen bogenförmigen, ersten Konzentrator16 und einen im allgemeinen bogenförmigen, zweiten Konzentrator18 , die jeweils ein proximales Ende20 ,22 und ein distales Ende24 ,26 aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Konzentratoren16 ,18 aus einem weichen magnetischen Material hergestellt, und die Konzentratoren16 ,18 sind, wie es in1 gezeigt ist, um den Umfang des Rotors12 herum derart angeordnet, daß die proximalen Enden20 ,22 der Konzentratoren16 ,18 in enger Nähe beieinander liegen, sich aber nicht berühren. Ein Magnetfeldmeßelement28 , z.B. ein Hall-Sensor, ist in dem zwischen den proximalen Enden20 ,22 der Konzentratoren16 ,18 hergestellten Zwischenraum angeordnet. Bei einer bevorzugte Ausführungsform, wie sie in1 gezeigt ist, überspannt jeder bogenförmige Konzentrator16 ,18 einen Winkel α, der größer als neunzig Grad (90°), aber kleiner als einhundertundachtzig Grad (180°) ist. - Weiterhin sind nach
1 ein erster Permanentmagnet30 und ein zweiter Permanentmagnet32 an der Oberfläche des Rotors12 angebracht. Es ist festzustellen, daß die Magnete30 ,32 über die Insert-Technik in den Rotor12 eingeformt oder auf andere Weise an dem Rotor angebracht sein können, so daß sie von dem Rotor12 getragen sind.1 zeigt, daß die Ma gnete30 ,32 tropfenförmige, im allgemeinen längliche Strukturen sind, die Spiegelbilder voneinander sind und an der Oberfläche des Rotors12 in identischen Stellungen einander gegenüberliegend orientiert sind. Wie es in1 gezeigt ist, weist jeder Magnet30 ,32 einen inneren Pol34 ,36 und einen äußeren Pol38 ,40 auf. Außerdem hat jeder innere Pol34 ,36 eine Breite42 ,44 , und jeder äußere Pol38 ,40 hat eine Breite46 ,48 . Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Breiten46 ,48 der äußeren Pole38 ,40 größer als die Breiten42 ,44 der inneren Pole34 ,36 . - Es ist zu verstehen, daß, wenn der Rotor
12 in irgendeiner Richtung in bezug auf die Konzentratoren16 ,18 rotiert, wie dies durch den Bewegungsbogen50 angedeutet ist, der Winkel des magnetischen Flusses von jedem Magnet, der das Meßelement28 erreicht, variiert. Die Konzentratoren16 ,18 sammeln und leiten den magnetischen Fluß um die Konzentratoren16 ,18 herum und durch das Meßelement28 hindurch. Der Ausgang des Meßelements28 schwankt, wie es in2 gezeigt ist. Mit dem oben beschriebenen Aufbau, d.h. der Größe und Form der Magnete30 ,32 und den durch die Konzentratoren16 ,18 überspannten Winkeln, ist der Ausgang des Meßelements28 von annähernd negativen fünfundachtzig Grad zu annähernd positiven fünfundachtzig Grad (–85° bis +85°) linear, wie von der in1 gezeigten Nullstellung aus gemessen. Es ist festzustellen, daß die Magnete30 ,32 verstellt werden können, indem sie beispielsweise nach innen oder nach außen verschwenkt, verdreht, verkippt, verschoben, verlängert oder verkürzt werden oder ihre Form verändert wird, um die Linearität des Winkelstellungssensors10 einzustellen. - In
3 ist eine alternative Ausführungsform des Winkelstellungssensors gezeigt und allgemein mit60 bezeichnet.3 zeigt, daß der Winkelstel lungssensor60 einen Rotor62 umfaßt, der mit einer Welle64 verbunden ist. An dem Rotor62 sind ein erster Permanentmagnet66 und ein zweiter Permanentmagnet68 angebracht. Bei dieser Ausführungsform ist jeder Magnet66 ,68 im allgemeinen oval und weist eine Innenpolbreite70 ,72 auf, die gleich der Außenpolbreite74 ,76 ist. Außerdem weist jeder Magnet66 ,68 eine Länge75 ,77 auf, die mindestens doppelt so groß wie die Innen- und Außenpolbreiten70 ,72 ,74 ,76 ist. -
3 zeigt einen im allgemeinen bogenförmigen, ersten Konzentrator78 und einen im allgemeinen bogenförmigen, zweiten Konzentrator80 . Jeder Konzentrator78 ,80 weist ein proximales Ende82 ,84 und ein distales Ende86 ,88 auf. Wie es in3 gezeigt ist, sind die Konzentratoren78 ,80 um den Umfang des Rotors62 herum derart angeordnet, daß die proximalen Enden82 ,84 der Konzentratoren78 ,80 in enger Nähe beieinander liegen, sich aber nicht berühren. Ein Magnetfeldmeßelement90 , z.B. ein Hall-Sensor, ist in dem zwischen den proximalen Enden82 ,84 der Konzentratoren78 ,80 hergestellten Zwischenraum angeordnet. Bei dieser Ausführungsform des Winkelstellungssensors60 überspannt jeder bogenförmige Konzentrator78 ,80 einen Winkel β, der annähernd neunzig Grad (90°) beträgt. Es ist festzustellen, daß der Winkel β größer als neunzig 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 Konzentratoren78 ,80 rotiert, wie dies durch den Bewegungsbogen92 angedeutet ist, der Winkel des magnetischen Flusses von jedem Magneten, der das Meßelement90 erreicht, variiert. Der Ausgang des Meßelements90 schwankt, wie es in4 gezeigt ist. Mit dem oben beschriebenen Aufbau, d.h. der Größe und Form der Magnete66 ,68 und den Winkeln β, die von den Konzentratoren78 ,80 überspannt werden, ist der Ausgang des Meßelements90 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 in4 nicht gezeigt ist, ebenso linear ist. - In
5 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das ein Fahrzeugsteuersystem darstellt, das allgemein mit100 bezeichnet ist.5 zeigt, daß das Fahrzeugsteuersystem100 den Winkelstellungssensor der vorliegenden Erfindung, z.B. den in1 gezeigten Sensor10 umfaßt, der elektrisch mit einem Mikroprozessor102 oder einem äquivalenten Schaltkreis über eine elektrische Leitung104 verbunden ist. Insbesondere ist das Meßelement28 mit dem Mikroprozessor102 über die elektrische Leitung104 verbunden. Ein Steuersystem106 ist elektrisch mit dem Mikroprozessor102 durch eine elektrische Leitung108 gekoppelt. Wenn sich der Rotor12 dreht, liefert das Meßelement28 dem Mikroprozessor102 ein Signal. Das Signal wird dann von dem Mikroprozessor102 verarbeitet, um die Stellung des Rotors12 relativ zu dem Meßelement28 gemäß den obigen Prinzipien zu bestimmen. Es ist zu verstehen, daß der in3 gezeigte Sensor60 in dem Steuersystem100 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 Rotor12 ,62 , der an einer Welle14 ,64 angebracht ist. Ein erster Magnet30 ,66 und ein zweiter Magnet32 ,68 sind an der Oberfläche des Rotors12 ,62 angebracht. Außerdem sind ein erster Konzentrator16 ,78 und ein zweiter Konzentrator18 ,80 um den Umfang des Rotors12 ,62 einander gegenüberliegend angeordnet. Ein Zwischenraum ist zwischen dem ersten Konzentrator16 ,78 und dem zweiten Konzentrator18 ,80 hergestellt, und ein Magnetfeldmeßelement28 ,90 ist in dem Zwischenraum angeordnet. Wenn der Rotor12 ,62 in bezug auf das Meßelement28 ,90 rotiert, gibt das Meßelement28 ,90 ein lineares Signal aus, das die Lage des Rotors12 ,62 in bezug auf das Meßelement28 ,90 über einen Bereich zwischen negativen neunzig Grad und positiven neunzig Grad darstellt.
Claims (10)
- Winkelstellungssensor, umfassend: einen Rotor (
12 ,62 ), einen ersten Magneten (30 ,66 ), der an dem Rotor (12 ,62 ) angebracht ist, einen zweiten Magneten (32 ,68 ), der an dem Rotor (12 ,62 ) gegenüber dem ersten Magneten (30 ,66 ) angebracht ist, einen ersten Konzentrator (16 ,78 ), der um den Umfang des Rotors (12 ,62 ) herum angeordnet ist, einen zweiten Konzentrator (18 ,80 ), der um den Umfang des Rotors (12 ,62 ) gegenüber dem ersten Konzentrator (16 ,78 ) derart angeordnet ist, dass ein Zwischenraum zwischen dem ersten Konzentrator (16 ,78 ) und dem zweiten Konzentrator (18 ,80 ) hergestellt ist, und ein Magnetfeldmesselement (28 ,90 ), das in dem zwischen dem ersten Konzentrator (16 ,78 ) und dem zweiten Konzentrator (18 ,80 ) hergestellten Zwischenraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (30 ,66 ) und der zweite Magnet (32 ,68 ) längliche Strukturen sind und an dem Rotor (12 ,62 ) einander gegenüberliegend verstellbar angebracht sind. - Winkelstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeldmesselement (
28 ,90 ) ein Hall-Sensor ist. - Winkelstellungssensor 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. - Winkelstellungssensor 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. - Winkelstellungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren (
16 ,18 ) bogenförmig sind und einen Winkel von mindestens neunzig Grad überspannen. - Winkelstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnet (
66 ,68 ) eine Innenpolbreite (70 ,72 ) und eine Außenpolbreite (74 ,76 ) aufweist, wobei die Innenpolbreite (70 ,72 ) gleich der Außenpolbreite (74 ,76 ) ist. - Winkelstellungssensor 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 Außenpolbreite (74 ,76 ) ist. - Winkelstellungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren (
78 ,80 ) bogenförmig sind und einen Winkel von annähernd neunzig Grad überspannen. - Fahrzeugsteuersystem, umfassend: einen Mikroprozessor (
102 ), einen Winkelstellungssensor (10 ,60 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der elektrisch an den Mikroprozessor (102 ) gekoppelt ist, wobei der Sensor (10 ,60 ) dem Mikroprozessor (102 ) ein lineares Signal liefert, das eine Winkelbewegung in einem Bereich zwischen negativen neunzig Grad und positiven neunzig Grad darstellt. - Fahrzeugsteuersystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Steuersystem (
106 ), das mit dem Mikroprozessor (102 ) elektrisch gekoppelt ist.
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