DE10145313A1 - Sensorvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erzeugen eines von der Relativposition zweier relativ zueinander bewegbarer Teile, insbesondere zweier Kraftfahrzeugteile, abhängigen elektrischen Steuersignals, mit mindestens einem Magneten und zumindest einem magnetfeldempfindlichen Sensor, die relativ zueinander unbeweglich gehalten sind, und mit einem magnetisch leitenden Steuerglied, das, bezogen auf den Sensor und den Magneten, beweglich gehalten ist zur Beeinflussung des auf den Sensor einwirkenden Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Relativstellung des Steuergliedes. Um die Sensorvorrichtung derart weiterzubilden, daß sie eine höhere Empfindlichkeit bezüglich einer Lageänderung des Steuergliedes aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorrichtung zwei parallel zueinander ausgerichtete Magnete umfaßt, zwischen denen das Steuerglied angeordnet ist, und daß von den Magneten ausgehende Magnetfeldlinien zumindest einen Sensor, einen Teilbereich des Steuergliedes und einen Spalt durchsetzen, dessen Breite, bezogen auf die Richtung der Magnetfeldlinien, durch Veränderungen der Relativstellung des Steuergliedes veränderbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Er­ zeugen eines von der Relativposition zweier relativ zu­ einander bewegbarer Teile, insbesondere zweier Kraft­ fahrzeugteile, abhängigem elektrischen Steuersignals, mit mindestens einem Magneten und zumindest einem mag­ netfeldempfindlichen Sensor, der in Abhängigkeit von der Stärke des auf ihn einwirkenden Magnetfeldes ein elektrisches Steuersignal bereitstellt, wobei der Mag­ net und der Sensor relativ zueinander unbeweglich ge­ halten sind, und mit einem magnetisch leitenden Steuer­ glied, das bezogen auf den Sensor und den Magneten be­ weglich angeordnet ist zur Beeinflussung des auf den Sensor einwirkenden Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Relativstellung des Steuergliedes.

Sensorvorrichtungen, mit deren Hilfe die Relativpositi­ on zweier relativ zueinander bewegbarer Teile berüh­ rungslos erfaßt werden kann, sind seit langem bekannt. So wird beispielsweise in der DE 44 13 496 C1 ein Dreh­ winkelsensor beschrieben, bei dem ein drehbar gehalte­ ner Ringmagnet und ein ortsfest in einem Gehäuse fest­ gelegter Sensor zum Einsatz kommen. Eine umgekehrte Anordnung von Magnet und Sensor wird in der DE-A-197 51 519 in Form eines Linearsensors offenbart, bei dem ein Magnet relativ zum Sensor verschiebbar gehalten ist.

An die Ausgestaltung des Magnetfeldes werden bei derar­ tigen Sensorvorrichtungen hohe Linearitätsanforderungen gestellt. Dadurch wird der vom Sensor erfaßbare Ver­ schiebe- oder Verdrehbereich der relativ zueinander be­ wegbaren Teile beschränkt. Außerdem werden an die Lage­ rung des bewegbaren Magneten bzw. des bewegbaren Sen­ sors hohe Anforderungen gestellt.

Aus der DE-A-16 73 938 ist eine Sensorvorrichtung be­ kannt, bei der zusätzlich zum Magneten und zum Sensor ein magnetisch leitendes Steuerglied zum Einsatz kommt, mit dessen Hilfe das auf den Sensor einwirkende Magnet­ feld beeinflußt werden kann. Dies gibt die Möglichkeit, sowohl den Magneten als auch den Sensor ortsfest anzu­ ordnen, während das Steuerglied relativ zum Magneten und zum Sensor verschiebbar gehalten ist. Um mittels des Steuergliedes das auf den Sensor einwirkende Mag­ netfeld beeinflussen zu können, greift das aus der DE 16 73 938 bekannte Steuerglied in einen von einem Joch definierten Luftspalt ein, so daß dieser je nach Rela­ tivstellung des Steuergliedes mehr oder weniger vom Steuerglied ausgefüllt wird. Dies hat allerdings eine Beschränkung des von der Sensorvorrichtung erfaßbaren Bewegungsbereichs der relativ zueinander bewegbaren Teile zur Folge, denn der Bewegungsbereich wird durch die Ausdehnung des Jochspaltes in Bewegungsrichtung des Steuergliedes beschränkt.

Ein vergrößerter Bewegungsbereich kann durch die Sen­ sorvorrichtung erfaßt werden, die in der EP-B-0157916 beschrieben ist. Die Sensorvorrichtung umfaßt ein ring­ förmiges Joch mit zwei einander diametral gegenüberlie­ genden Luftspalten, wobei in den ersten Luftspalt ein Dauermagnet und in den zweiten Luftspalt der magnet­ feldempfindliche Sensor eingefügt ist. Das Steuerglied ist als konisch ausgestalteter Eisenkern ausgestaltet, der in die zentrale Öffnung des Joches eintaucht und senkrecht zur Ringebene bewegbar ist.

Mittels der aus der EP-B-0157916 bekannten Sensorvor­ richtung kann zwar ein größerer Bewegungsbereich der relativ bewegbaren Teile erfaßt werden, als dies mit­ tels der eingangs genannten Vorrichtungen der Fall ist. Es hat sich aber herausgestellt, daß eine Bewegung des Steuergliedes nur eine verhältnismäßig geringe Änderung des vom Sensor bereitgestellten Steuersignales zur Fol­ ge hat, so daß geringe Änderungen der Relativstellung des Steuergliedes nicht in allen Fällen zuverlässig er­ faßt werden können. Die Empfindlichkeit der Sensorvor­ richtung bezüglich einer Lageänderung des Steuergliedes ist somit beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensor­ vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzu­ bilden, daß sie eine höhere Empfindlichkeit bezüglich einer Lageänderung des Steuergliedes aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Sensorvorrichtung der gat­ tungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zwei parallel zueinander ausgerichtete Magnete umfaßt, zwischen denen das Steuerglied angeord­ net ist, und daß von den Magneten ausgehende Magnet­ feldlinien mindestens einen Sensor, zumindest einen Teilbereich des Steuergliedes und einen Spalt durchset­ zen, dessen Breite bezogen auf die Richtung der Magnet­ feldlinien durch Veränderung der Relativstellung des Steuergliedes veränderbar ist.

Erfindungsgemäß sind der mindestens eine Sensor, das Steuerglied und der in seiner Breite veränderliche Spalt derart angeordnet, daß von den Magneten jeweils ausgehende Magnetfeldlinien zumindest einen Teilbereich des Steuergliedes, zumindest einen Sensor und den Spalt durchsetzen. Die Breite des Spaltes bezogen auf die Richtung der Magnetfeldlinien kann durch Veränderung der Relativstellung des Steuergliedes verändert werden, so daß eine Lageänderung des Steuergliedes eine unmit­ telbare Änderung der Stärke des auf den Sensor einwir­ kenden Magnetfeldes zur Folge hat, denn der Sensor ist bezogen auf die Magnetfeldlinien in Reihe zum Spalt und zum Sensor angeordnet.

An die erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Magnete werden keine besonderen Linearitätsanforderungen ge­ stellt, es ist lediglich erforderlich, daß ein vom Steuerglied beeinflußbares Magnetfeld erzeugt wird. Das Steuerglied kann an einem der beiden relativ zuein­ ander bewegbaren Teile festgelegt werden. So kann bei­ spielsweise vorgesehen sein, mittels der Sensorvorrich­ tung die Position eines Kolbens oder einer Kolbenstange relativ zu einem Zylinder eines Kolben-Zylinderaggre­ gates zu erfassen. Derartige Kolben-Zylinderaggregate kommen beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Als Steuerglied kann zum Beispiel eine magnetisch lei­ tende Kolbenstange zum Einsatz kommen, die somit einen Teil der Sensorvorrichtung ausbildet und beweglich ge­ lagert ist, während der mindestens eine Sensor und die Magnete der Kolbenstange benachbart ortsfest zum Bei­ spiel am korrespondierenden Zylinder gehalten sind. Bei einer derartigen Ausführungsform bildet die Sensorvor­ richtung einen Linearsensor, mit dessen Hilfe eine Ver­ schiebung des Steuergliedes relativ zu den Magneten und zu dem mindestens einen Sensor erfaßt werden kann. Al­ ternativ kann vorgesehen sein, daß die Sensorvorrich­ tung als Drehwinkelsensor zum Einsatz kommt. Hierzu ist es lediglich erforderlich, das Steuerglied derart aus­ zugestalten, daß durch eine Verdrehung des Steuerglie­ des die Breite des Spaltes bezogen auf die Richtung der Magnetfeldlinien veränderbar und dadurch die Stärke des auf den Sensor einwirkenden Magnetfeldes beeinflußbar ist.

Die beiden Magnete der Sensorvorrichtung sind parallel zueinander ausgerichtet. Dies hat zur Folge, daß sie jeweils einen eigenen magnetischen Kreis ausbilden, wo­ bei das Steuerglied von beiden Magnetkreisen erfaßt wird, indem von beiden Magneten ausgehende Magnetfeld­ linien das Steuerglied durchsetzen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß ein einziger Sensor von den Magnetfeldlinien beider Magnetkreise durchsetzt wird.

Günstig ist es, wenn jeder Magnetkreis mindestens einen Sensor aufweist, da dadurch die Sensorvorrichtung red­ undant ausgestaltet werden kann, so daß auch bei einer Beschädigung von einem der Sensoren ein elektrisches Steuersignal bereitgestellt werden kann.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Steuerglied den von Magnetfeldlinien durchsetzten Spalt - vorzugsweise einen Luftspalt - begrenzt, dessen Breite bezogen auf die Richtung der Magnetfeldlinien durch Bewegung des Steuergliedes veränderbar ist. Der Spalt bildet hierbei einen magnetischen Widerstand, dessen Stärke durch die Breite des Spaltes bestimmt ist und durch Veränderung der Spaltbreite beeinflußt werden kann. Je geringer die Spaltbreite gewählt wird, desto geringer ist der magne­ tische Widerstand des Spaltes und desto stärker ist das Magnetfeld am Ort des mindestens einen Sensors. Dies hat zur Folge, daß die Sensorvorrichtung eine Absolut­ messung der Lage des Steuergliedes relativ zum Sensor ermöglicht, wenn zuvor bei Veränderung der Spaltbreite eine Eichkurve für die Sensorvorrichtung ermittelt wur­ de. Die Absolutstellung des Steuergliedes kann dann aufgrund der jeweils vorliegenden Spaltbreite zuverläs­ sig erfaßt werden.

Es kann vorgesehen sein, daß die Spaltbreite kontinu­ ierlich veränderbar ist. Dies hat zur Folge, daß eine Bewegung des Steuergliedes eine kontinuierliche Verän­ derung des von dem mindestens einen Sensor bereitge­ stellten Steuersignals hervorruft.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Spaltbreite durch Bewegung des Steuergliedes sprunghaft veränderbar ist. Dies dies gibt die Möglichkeit zur Erzeugung eines sprunghaft sich ändernden Steuersignales, so daß die Sensorvorrichtung beispielsweise als Schalter zum Ein­ satz kommen kann, der bei Vorliegen einer vorgebbaren Relativstellung des Steuergliedes seinen Schaltzustand ändert.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist vorgesehen, daß der der Bewegung des Steu­ ergliedes entsprechende Verlauf des Steuersignales durch die Oberflächengestaltung des Steuerglieds vor­ gebbar ist. Wie voranstehend erläutert, kann beispiels­ weise vorgesehen sein, daß das Steuerglied den von Mag­ netfeldlinien durchsetzten Spalt begrenzt, wobei durch Bewegung des Steuergliedes die Spaltbreite bezogen auf die Richtung der Magnetfeldlinien veränderbar ist. Je nach Form der Oberfläche des Steuergliedes kann hierbei eine kontinuierliche oder eine diskontinuierliche Ände­ rung der Spaltbreite erzielt werden. Das Steuerglied kann beispielsweise in Form einer verschiebbaren Zahn­ stange ausgebildet sein, so daß eine Verschiebung des Steuergliedes im wesentlichen eine impulsartige Ände­ rung der Spaltbreite zur Folge hat, während eine säge­ zahnförmige Oberflächengestaltung des Steuergliedes ei­ ne entsprechende sägezahnartige Änderung der Spaltbrei­ te bewirkt. Der Verlauf der Spaltbreite in Abhängigkeit von der Bewegung des Steuergliedes hat wiederum eine entsprechende Änderung des am Ort des mindestens einen Sensors herrschenden Magnetfeldes zur Folge, wodurch eine entsprechende Änderung des vom Sensor bereitge­ stellten Steuersignals hervorgerufen wird.

Wie bereits erläutert, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Breite des an das Steuerglied angrenzen­ den Spaltes durch Drehung des Steuergliedes veränderbar ist. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Breite des Spaltes durch Drehung des Steuergliedes um eine Drehachse veränderbar ist, die im wesentlichen senkrecht zu den den Spalt durchsetzenden Magnetfeldli­ nien ausgerichtet ist.

Alternativ und/oder ergänzend ist es von Vorteil, wenn die Breite des Spaltes bezogen auf die Richtung der Ma­ gnetfeldlinien durch Verschiebung des Steuergliedes entlang einer ungefähr senkrecht zu den den Spalt durchsetzenden Magnetfeldlinien ausgerichteten Ver­ schiebeachse veränderbar ist. Günstig ist es, wenn das Steuerglied im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ver­ schiebbar ist, die durch die den Spalt durchsetzenden Magnetfeldlinien definiert ist.

Um sicherzustellen, daß lediglich eine Translation des Steuergliedes entlang seiner Verschiebeachse zu einer Änderung des von dem mindestens einen Sensor bereitge­ stellten Steuersignals führt, nicht jedoch eine Ro­ tation des Steuergliedes um die Verschiebeachse, ist es günstig, wenn das Steuerglied bezogen auf die Verschie­ beachse rotationssymmetrisch ausgestaltet ist. Die An­ forderungen an die Lagerung des Steuergliedes können dadurch beträchtlich verringert werden. So kann bei­ spielsweise vorgesehen sein, daß das Steuerglied in ein korrespondierendes Halteteil beispielsweise mittels ei­ nes Gewindes eingedreht werden kann, wobei jedoch le­ diglich die beim Eindrehen erfolgende Translationsbewe­ gung des Steuergliedes entlang der Verschiebeachse von der Sensorvorrichtung erfaßt wird, während die gleich­ zeitig erfolgende Rotationsbewegung keinen Einfluß auf das Steuersignal hat.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung herausgestellt, bei der sich das Steuerglied in Richtung der Verschie­ beachse konisch erweitert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung umfaßt mindestens ein magnetisch lei­ tendes Joch zur Bündelung des Magnetfeldes. Dadurch kann eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung erzielt werden, denn die von den bei­ den Magneten ausgehenden Magnetfeldlinien können über entsprechend geformte Joche unmittelbar dem in seiner Breite veränderbaren Spalt und über diesen dem Steuer­ glied und dem mindestens einen Sensor zugeführt werden. Von der Sensorvorrichtung wird somit praktisch kein Störmagnetfeld hervorgerufen, das eine störende Beein­ flussung beispielsweise von der Sensorvorrichtung un­ mittelbar benachbart angeordneten elektrischen Steuer­ geräten zur Folge hätte. Der Einsatz von Jochen hat außerdem den Vorteil, daß die Sensorvorrichtung nur ei­ ne geringe Empfindlichkeit bezüglich äußerer Störfelder aufweist, da durch die Magnete, die Joche, den minde­ stens einen Sensor und das Steuerglied geschlossene Magnetkreise erzeugt werden, die nur durch sehr starke äußere Magnetfelder merklich beeinflußt werden können.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Sensorvor­ richtung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung zwei die Nordpole bzw. die Südpole der beiden Magnete miteinan­ der verbindende, magnetisch leitende Joche umfaßt, die in Kombination mit den Magneten das Steuerglied in Um­ fangsrichtung umgeben. Das Steuerglied kann hierbei in Kombination mit den Jochen jeweils einen Spalt definie­ ren, wobei zumindest ein Spalt zusätzlich einen Sensor aufnehmen kann. Bei einer derartigen Ausführungsform verbindet eines der beiden Joche die Nordpole der Mag­ nete, und mittels des anderen Joches werden die Südpole der Magnete miteinander verbunden. Dies hat zur Folge, daß die von den beiden Magneten definierten Magnetkrei­ se jeweils teilweise in dem einen und teilweise in dem anderen Joch verlaufen und sich im übrigen im wesentli­ chen über das zwischen den Jochen und den Magneten an­ geordnete Steuerglied und den Spalt erstrecken.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Sensorvorrich­ tung zwei magnetisch leitende, in Umfangsrichtung je­ weils einen Teilbereich des Steuergliedes übergreifende Joche umfaßt, die jeweils eine Aufnahme aufweisen, in der ein Magnet angeordnet ist. Die beiden Joche können somit jeweils zwei Jochbögen umfassen, die einen Magne­ ten zwischen sich aufnehmen und mit ihren dem jeweili­ gen Magnet abgewandten freien Stirnkanten dem Steuer­ glied zugewandt sind, wobei die Stirnkanten im Abstand zum Steuerglied angeordnet sind. Einerseits durch die Stirnkanten und andererseits durch das Steuerglied wird somit ein Spalt definiert, der von den jeweils von ei­ nem Magnetfeld ausgehenden Magnetfeldlinien durchsetzt wird.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vor­ gesehen, daß die Sensorvorrichtung eine das Steuerglied aufnehmende Führungshülse aus einem im wesentlichen un­ magnetischen Material aufweist. Die Führungshülse er­ möglicht eine konstruktiv besonders einfache Lagerung des Steuergliedes und kann beispielsweise aus einem Aluminiummaterial hergestellt werden, das praktisch keine Beeinflussung des auf das Steuerglied und den mindestens einen Sensor einwirkenden Magnetfeldes her­ vorruft.

Die Führungshülse ist vorzugsweise zusammen mit dem Steuerglied an einem relativ zu den Magneten und zum mindestens einen Sensor beweglich gehaltenen Führungs­ teil festgelegt. Letzteres kann beispielsweise als Füh­ rungskolben ausgestaltet sein, der in einer Führungs­ aufnahme, insbesondere einem Führungszylinder, ver­ schiebbar gehalten ist.

Zur Ankopplung des Steuergliedes an eines der beiden relativ zueinander bewegbaren Teile, deren Relativposi­ tion von der Sensorvorrichtung erfaßt werden soll, ist es von Vorteil, wenn die Sensorvorrichtung ein am Steu­ erglied gelagertes Kopplungsteil umfaßt. Das Kopplungs­ teil kann beispielsweise als Stößel ausgebildet sein. Es hat sich bei verschiebbar gelagertem Steuerglied als günstig erwiesen, wenn das Kopplungsteil quer zur Ver­ schieberichtung des Steuergliedes verschwenkbar am Steuerglied gelagert ist. So kann beispielsweise vorge­ sehen sein, daß das Kopplungsteil mittels eines Kugel­ kopfes am Steuerglied gehalten ist. Eine derartige Aus­ gestaltung hat den Vorteil, daß lediglich eine Transla­ tionsbewegung des Steuergliedes von der Sensorvorrich­ tung erfaßt wird, daß aber eine gleichzeitig beispiels­ weise aufgrund von Lagertoleranzen erfolgende Ver­ schwenkbewegung auf das vom Sensor bereitgestellte Steuersignal keinen merklichen Einfluß hat.

Um zu vermeiden, daß das Kopplungsteil dem von den Mag­ neten hervorgerufenen Magnetfeld ausgesetzt wird, ist es von Vorteil, wenn das Steuerglied eine Kopplungsauf­ nahme aufweist, in die das Kopplungsteil eintaucht. Das magnetisch leitende Steuerglied, das beispielsweise aus einem Eisenmaterial, insbesondere aus einem Baustahl, gefertigt sein kann, umgibt bei einer derartigen Aus­ führungsform das Kopplungsteil in Umfangsrichtung und bildet dadurch eine magnetische Abschirmung für das Kopplungsteil.

Als günstig hat es sich erweisen, wenn sich die Kopp­ lungsaufnahme in Richtung des dem Steuerglied abgewand­ ten freien Endes des Kopplungsteiles konisch erweitert, denn dies gibt die Möglichkeit, das magnetisch abge­ schirmte Kopplungsteil quer zur Längsrichtung der Kopp­ lungsaufnahme verschwenkbar am Steuerglied zu lagern.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Sensorvorrichtung ist vorgesehen, daß das Steuer­ glied als Konushülse ausgebildet ist. Das Steuerglied weist bei einer derartigen Ausführungsform einen Innen­ konus auf, in den das Kopplungsteil eintauchen kann.

Die Ausgestaltung der erfindungsgemäß zum Einsatz kom­ menden Magnete wurde bisher nicht näher erläutert. Wie bereits beschrieben, wird an die Magnete lediglich die Forderung gestellt, ein vom Steuerglied beeinflußbares Magnetfeld hervorzurufen. Hierbei können Elektromagnete zum Einsatz kommen. Als besonders günstig hat sich der Einsatz von Permanentmagneten, insbesondere von Stabmag­ neten, erwiesen.

Als magnetfeldempfindlicher Sensor kann insbesondere ein Hallsensor zum Einsatz kommen. Günstig ist es, wenn der Hallsensor mit einer analogen, einer digitalen oder einer Pulsweitenmodulations-(PWM) Schnittstelle gekop­ pelt ist. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Hallsensor in einen elektronischen Schaltkreis integriert ist. Vorzugsweise bildet der Hallsensor ei­ nen Teil eines anwenderspezifischen mikroelektronischen Schaltkreises (ASIC). Besonders günstig ist es hierbei, wenn der anwenderspezifische mikroelektronische Schalt­ kreis auf einer Leiterplatte angeordnet ist, die das Steuerglied in Umfangsrichtung umgibt.

Insbesondere für den Einsatz der Sensorvorrichtung in sicherheitsrelevanten Bereichen beispielsweise eines Kraftfahrzeuges ist es von Vorteil, wenn die Sensorvor­ richtung zumindest zwei vorzugsweise analog arbeitende Hallsensoren umfaßt. Dies ermöglicht eine redundante Betriebsweise der Sensorvorrichtung. Sollte einer der beiden Hallsensoren ausfallen, so wird durch den zwei­ ten Hallsensor weiterhin zuverlässig das gewünschte Steuersignal bereitgestellt.

Alternativ und/oder ergänzend kann vorgesehen sein, daß die Sensorvorrichtung einen digitalen Hallsensor auf­ weist. Derartige Hallsensoren zeichnen sich durch eine besonders störungsunempfindliche Signalverarbeitung aus.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Sensorvorrich­ tung einen magnetfeldempfindlichen Sensor mit einem Ru­ hestrom von weniger als etwa 100 µA aufweist. Dies gibt die Möglichkeit, dis Sensorvorrichtung als stromsparen­ den Schalter zu verwenden, der eine Relativbewegung zwischen Steuerglied und Sensor erkennt und daraufhin eine nachgeordnete Steuerschaltung aktiviert, die wie­ derum eine Versorgungsspannung für mindestens einen zu­ sätzlich zum Einsatz kommenden, vorzugsweise analogen, Hallsensor bereitstellt, mit dessen Hilfe die Absolut­ position des Steuergliedes relativ zum zusätzlichen Hallsensor ermittelt werden kann. Der einen Ruhestrom von weniger als etwa 100 µA aufweisende Sensor über­ nimmt somit eine Art "Weckfunktion", indem er lediglich eine Positionsänderung des Steuergliedes erfaßt, wäh­ rend eine Absolutmessung mittels eines oder mehrerer zusätzlicher Hallsensoren vorgenommen wird. Als derar­ tige "Wecksensoren" können insbesondere digitale Hall­ sensoren mit einem Ruhestrom im Bereich von ca. 30 µA bis ungefähr 100 µA zum Einsatz kommen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Sensor­ vorrichtung ein ringförmiges Gehäuse umfaßt, das die beiden Magnete sowie eine Leiterplatte mit mindestens einem Hallsensor aufnimmt und das vom Steuerglied durchsetzt ist.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer in ein Kraftfahrzeugteil eingesetzten erfin­ dungsgemäßen Sensorvorrichtung;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Zusammenwir­ kens eines Steuergliedes mit Jochen zur Ausbildung eines Luftspaltes bei der er­ findungsgemäßen Sensorvorrichtung;

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung der Sensor­ vorrichtung mit abgenommenem Steuer­ glied;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Feld­ linienverlaufes bei einer ersten Jochausführung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Feld­ linienverlaufes bei einer zweiten Jochausführung und

Fig. 6 ein Schaubild der am Sensor herrschenden Magnetfeldstärke in Abhängigkeit von ei­ ner gewählten Spaltbreite.

In der Zeichnung ist eine insgesamt mit dem Bezugszei­ chen 10 belegte Sensorvorrichtung dargestellt, die in einen Anschlußstutzen 12 eines Zylinders 14 eines Kraftfahrzeuges eingesetzt ist und über einen Stößel 16 an eine Lagergabel 18 des Kraftfahrzeuges gekoppelt ist. Die Lagergabel 18 und der Anschlußstutzen 12 bil­ den ein erstes bzw. ein zweites Kraftfahrzeugteil, de­ ren Relativposition mittels der Sensorvorrichtung 10 erfaßt werden kann.

Die Sensorvorrichtung 10 umfaßt ein aus Kunststoff ge­ fertigtes Gehäuse 20 mit einer Gehäusewanne 22 und ei­ nem Gehäusedeckel 24. Die Gehäusewanne 22 nimmt eine im wesentlichen kreisringförmig ausgestaltete elektrische Leiterplatte 26 mit elektrischen Anschlüssen 28 sowie - in einer ersten Ausführungsform - zwei im wesentli­ chen bogenförmig ausgebildete, magnetisch leitende Jo­ che 30, 31 auf. Seitlich an das Gehäuse 20 angeformt ist ein ebenfalls aus Kunststoff gefertigter Stecker­ schacht 32, der an seinem freien, dem Gehäuse 20 abge­ wandten Ende eine Steckbuchse 34 trägt mit elektrischen Anschlußkontakten 35, die über in der Zeichnung nicht dargestellte, an sich bekannte elektrische Verbindungs­ leitungen mit den elektrischen Anschlüssen 28 der Lei­ terplatte 26 in elektrischer Verbindung stehen.

Die Leiterplatte 26 trägt zwei analoge Hallsensoren 36, 37, die zwischen sich einen digitalen Hallsensor 38 aufnehmen und nebeneinander angeordnet auf der kreis­ ringförmigen Leiterplatte 26 gehalten sind. Über in der Zeichnung nicht dargestellte, an sich bekannte, auf der Leiterplatte 26 verlaufende elektrische Leiterbahnen sind die Hallsensoren 36, 37, 38 mit den elektrischen Anschlüssen 28 elektrisch verbunden.

Die Joche 30 und 31 sind jeweils im wesentlichen in Form eines Halbringes ausgebildet. Sie nehmen zwischen sich zwei als Stabmagnete ausgebildete Permanentmagnete 40, 41 auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind dergestalt, daß das Joch 30 die beiden Nordpole der Ma­ gnete 40, 41 und das Joch 31 die beiden Südpole der Magnete 40, 41 miteinander verbindet. Die Magnete 40 und 41 sind im Abstand zueinander angeordnet und nehmen zwischen sich ein in Form einer Konushülse 55 ausgebil­ detes Steuerglied mit einer konisch ausgebildeten Aus­ senseite 56 und einer ebenfalls konisch ausgebildeten Innenseite 57 zwischen sich auf. Die Konushülse 55 ist über ihre gesamte Länge von einer Führungshülse 59 um­ geben. Letztere ist in den Fig. 4 und 5 zur Erzie­ lung einer besseren Übersichtlichkeit nicht darge­ stellt.

Die Führungshülse 59 ist ebenso wie die Konushülse 55 mit einem ersten Ende an einem Führungskolben 61 fest­ gelegt, der im Zylinder 14 verschiebbar gelagert ist. Zur Führung der Führungshülse und der im Bereich des dem Führungskolben 61 abgewandten Endbereich der Füh­ rungshülse 59 an dieser festgelegten Konushülse 55 ist im Bereich des Anschlußstutzens 12 eine Lagerhülse 63 gehalten, die die Führungshülse 59 in Umfangsrichtung umgibt.

Wie insbesondere aus Fig. 2 deutlich wird, durchgrei­ fen die Konushülse 55 und die Führungshülse 59 einen von den Jochen 30 und 31 sowie den Magneten 40 und 41 begrenzten Innenraum 65. Der Außendurchmesser der Ko­ nushülse 55 ist hierbei geringer gewählt als der Durch­ messer des Innenraums 65, so daß sich zwischen der Au­ ßenseite 56 der Konushülse 55 und den Innenrändern 67 bzw. 68 der Joche 30 und 31 jeweils ein Luftspalt 70 ausbildet, dessen Breite b aufgrund der konischen Aus­ gestaltung der Außenseite 56 der Konushülse 55 von der Lage der Konushülse 55 relativ zu den Jochen 30 und 31 abhängig ist. Durch Verschiebung der Konushülse 55 ent­ lang ihrer Längsachse 72, nämlich senkrecht zu der durch die Joche 30 und 31 und die beiden Magnete 40, 41 definierten Ebene, wird somit die Breite b des Luftspaltes 70 kontinuierlich verändert.

Der Innenrand 68 des Joches 31 ist gegenüber dem Innen­ rand 67 des Joches 30 geringfügig radial nach außen versetzt, und im Bereich des Innenrandes 68 tauchen die an der Leiterplatte 26 fixierten Hallsensoren 36, 37 und 38 außerhalb der Führungshülse 59 in den Luftspalt 70 ein. Wie insbesondere aus Fig. 4 deutlich wird, ge­ hen von den beiden Magneten 40 und 41 jeweils Magnet­ feldlinien 74 bzw. 75 aus, die über die Joche 30 und 31 zum Luftspalt 70 und dann über einen Teilbereich der Konushülse 55 und anschließend zu den Hallsensoren 36, 37 oder 38 geführt werden. Es wird somit deutlich, daß durch Verschieben der Konushülse 55 entlang der Ver­ schiebeachse 32 die Breite b des Luftspaltes 70 in Richtung der den Luftspalt 70 und die Hallsensoren 36, 37 oder 38 durchsetzenden Magnetfeldlinien 74 und 75 variiert werden kann.

Die Führungshülse 59 ist aus einem im wesentlichen un­ magnetischen Material, im dargestellten Ausführungsbei­ spiel aus Aluminium, gefertigt, während die Konushülse 55 aus einem magnetisch leitenden Material, nämlich aus einem Eisenmaterial, hergestellt ist. Vorzugsweise ist die Konushülse 55 aus Baustahl gefertigt, beispielswei­ se aus Baustahl mit der Bezeichnung St 37.

In Fig. 5 ist eine alternative Ausführungsform 10a der Sensorvorrichtung dargestellt, die sich von der voran­ stehend erläuterten Sensorvorrichtung 10 lediglich da­ durch unterscheidet, daß statt der die Nord- bzw. die Südpole verbindenden Joche 30, 31 Joche 30a bzw. 31a zum Einsatz kommen, die jeweils im wesentlichen C-förmig ausgestaltet sind und eine Aufnahme 45 aufwei­ sen, in die ein Magnet 40 bzw. 41 eingefügt ist. Die C-förmigen Joche 30a bzw. 31a führen jeweils die von ei­ nem Magneten 40 bzw. 41 ausgehenden Magnetfeldlinien 74 bzw. 75 und umgreifen in Umfangsrichtung jeweils einen Teilbereich der Konushülse 55. Mit ihren freien Stirn­ kanten sind die Joche 30a und 31a im Abstand zur Konus­ hülse 55 angeordnet, so daß wiederum ein Luftspalt 70 ausgebildet wird, dessen Breite durch Verschieben der Konushülse 55 in Richtung der Verschiebeachse 72 konti­ nuierlich variiert werden kann.

Eine Veränderung der Spaltbreite (b) in Richtung der den Spalt 70 durchsetzenden Magnetfeldlinien 74 bzw. 75 hat sowohl bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 als auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 eine Ände­ rung des am Ort der Hallsensoren 36, 37 und 38 herr­ schenden Magnetfeldes zur Folge. Hierbei führt eine Verringerung der Spaltbreite b zu einem geringeren mag­ netischen Widerstand im Bereich des Luftspaltes 70 und demzufolge zu einer Stärkung des auf die Hallsensoren 36, 37 und 38 einwirkenden Magnetfeldes. Die Abhängig­ keit des am Ort der Hallsensoren 36, 37 bzw. 38 herr­ schenden Magnetfeldes von der Positionierung der Konus­ hülse 55 ist in Fig. 6 schematisch am Beispiel des Hallsensors 36 wiedergegeben. In Fig. 6 ist die am Ort des Hallsensors 36 herrschende Magnetfeldstärke in Ab­ hängigkeit von der Spaltbreite b dargestellt. Es wird deutlich, daß die herrschende Magnetfeldstärke um so größer ist, je geringer die Spaltbreite b gewählt wird. Wird die Konushülse 55 in Richtung auf den Zylinder 40 entlang der Verschiebeachse 72, also senkrecht zu der durch die Joche 30, 31 bzw. 30a, 31a definierten Ebene verschoben, so hat dies eine Verringerung der Spalt­ breite b zur Folge, wodurch die am Ort des Hallsensors 36 herrschende Magnetfeldstärke erhöht wird. Eine ent­ sprechende Erhöhung der Magnetfeldstärke ergibt sich auch am Ort der Hallsensoren 37 und 38. Die jeweils herrschende Magnetfeldstärke wird von den Hallsensoren 36, 37 und 38 erfaßt, die daraufhin ein die Abhängig­ keit der Magnetfeldstärke von der Spaltbreite b wieder­ gebendes Steuersignal bereitstellen, das über die Steckbuchse 34 abgegriffen werden kann.

Der Verlauf des bereitgestellten Steuersignales ist von der Form der Außenseite 56 der Konushülse 55 abhängig. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Außenseite 56 konisch ausgebildet, dies hat eine Änderung der am Ort der Hallsensoren 36, 37 und 38 herrschenden Magnet­ feldstärke entsprechend dem im wesentlichen exponenti­ ellen Verlauf gemäß Fig. 6 zur Folge. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die Außenseite 56 stufig auszuge­ stalten. Damit würde sich die Spaltbreite b abrupt än­ dern, sobald eine entsprechende Stufe der Außenseite 56 in Höhe der Joche 30, 31 bzw. 30a, 31a positioniert wird. Das von den Hallsensoren 36, 37 und 38 bereitge­ stellte Steuersignal kann somit durch Wahl der entspre­ chenden Oberflächengestaltung der Außenseite 56 vorge­ geben werden.

Die Sensorvorrichtung 10 ist im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel als Linearsensor ausgebildet, mit dessen Hilfe die Position der verschiebbaren Konushülse 55 er­ faßt werden kann, die im dargestellten Ausführungsbei­ spiel rotationssymmetrisch ausgestaltet ist. Die Sen­ sorvorrichtung 10 könnte alternativ auch als Drehwin­ kelsensor zum Einsatz kommen. Hierzu wäre es lediglich erforderlich, die Konushülse 55 unsymmetrisch bezüglich einer Rotation um die Verschiebeachse 72 auszugestal­ ten, so daß durch eine Drehung der Konushülse 55 um die Verschiebeachse 67 die Breite b des einerseits von den Jochen 30 und 31 und andererseits von der Konushülse 55 begrenzten Luftspalts 70 verändert werden kann.

Zur Ankopplung der Konushülse 55 an die Lagergabel 18 kommt, wie voranstehend erläutert, der Stößel 16 zum Einsatz, der folglich ein Kopplungsteil ausbildet. Die Innenseite 57 der Konushülse 55 definiert hierbei eine Stößelaufnahme 77, in die der Stößel 16 eintaucht, der an seinem dem Zylinder 14 zugewandten Ende einen Kugel­ kopf 78 trägt. Mittels des Kugelkopfes 78 ist der Stös­ sel 16 quer zur Verschiebeachse 72 verschwenkbar in der Konushülse 55 gelagert. Dadurch wird sichergestellt, daß eine aufgrund von Lagertoleranzen der Lagergabel 18 unvermeidliche Verschwenkbewegung beim Betätigen der Sensorvorrichtung 10 praktisch keinen Einfluß auf die Verschiebebewegung der Konushülse 55 hat.

Mittels der Sensorvorrichtung 10 läßt sich auf zuver­ lässige Weise die Relativstellung zwischen Lagergabel 18 und Anschlußstutzen 12 reproduzierbar erfassen, wo­ bei aufgrund des Einsatzes der Joche 30, 31 bzw. 30a, 31a praktisch keine magnetischen Störfelder erzeugt werden und externe magnetische Fremdfelder nur einen sehr geringen Einfluß auf das bereitgestellte Steuer­ signal haben. Der von der Sensorvorrichtung 10 erfaßba­ re Bewegungsbereich der Lagergabel 18 ist im wesentli­ chen durch die Form der Außenseite 56 der Konushülse 55 begrenzt, ohne daß hierzu besondere Linearitätsanforde­ rungen an die zum Einsatz kommenden Permanentmagnete 40, 41 oder an deren Lagerung relativ zu den Hallsenso­ ren 36, 37 und 38 gestellt werden müssen.

Die Hallsensoren 36, 37 und 38 sind direkt in einen der von den beiden Magneten 40 bzw. 41 definierten Magnet­ kreise geschaltet, d. h. die den veränderlichen Luft­ spalt 70 durchsetzenden Magnetfeldlinien 74, 75 durch­ setzen auch einen der Hallsensoren 36, 37 oder 38, so daß eine Änderung der Spaltbreite b unmittelbar zu ei­ ner deutlichen Änderung der am Ort der Hallsensoren 36, 37 oder 38 herrschenden Magnetfeldstärke führt. Die er­ findungsgemäße Sensorvorrichtung zeichnet sich demzu­ folge durch eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Lageänderungen der Konushülse 55 aus.

Der bei der dargestellten Sensorvorrichtung 10 zum Ein­ satz kommende digitale Hallsensor 38 weist einen Ruhe­ strom von etwa 50 µA bis ca. 100 µA auf. Dies gibt die Möglichkeit, ihn kontinuierlich mit Strom zu versorgen, ohne daß dies einen beachtlichen Energieverlust einer zum Einsatz kommenden Stromquelle (nicht dargestellt), beispielsweise einer Batterie, zur Folge hätte. Die beiden analogen Hallsensoren 36, 37 zeichnen sich durch einen größeren Ruhestrom aus und stehen deshalb nur dann mit der Stromversorgung in elektrischer Verbin­ dung, wenn vom digitalen Hallsensor 38 eine Relativbe­ wegung der Konushülse 55 erkannt wird. Der Hallsensor 38 übernimmt somit eine "Weckfunktion" für die Sensor­ vorrichtung 10. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der Lage der Konushülse 55 und des mit die­ ser gekoppelten bewegbaren Teiles, ohne daß dies mit einem merklichen Stromverbrauch verbunden wäre.

Claims (25)

1. Sensorvorrichtung zum Erzeugen eines von der Rela­ tivposition zweier relativ zueinander bewegbarer Teile, insbesondere zweier Kraftfahrzeugteile, ab­ hängigen elektrischen Steuersignals, mit minde­ stens einem Magneten und zumindest einem magnet­ feldempfindlichen Sensor, der in Abhängigkeit von der Stärke des auf ihn einwirkenden Magnetfeldes ein elektrisches Steuersignal bereitstellt, wobei der Magnet und der Sensor relativ zueinander unbe­ weglich gehalten sind, und mit einem magnetisch leitenden Steuerglied, das bezogen auf den Sensor und den Magneten beweglich angeordnet ist zur Be­ einflussung des auf den Sensor einwirkenden Mag­ netfeldes in Abhängigkeit von der Relativstellung des Steuergliedes, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) zwei parallel zueinander ausge­ richtete Magnete (40, 41) umfaßt, zwischen denen das Steuerglied (55) angeordnet ist, und daß von den Magneten ausgehende Magnetfeldlinien (74, 75) zumindest einen Sensor (36, 37, 38), zumindest ei­ nen Teilbereich des Steuergliedes (55) und einen Spalt (70) durchsetzen, dessen Breite (b) bezogen auf die Richtung der Magnetfeldlinien (75, 75) durch Veränderung der Relativstellung des Steuer­ gliedes (55) veränderbar ist.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerglied (55) den von Magnet­ feldlinien (74, 75) durchsetzten Spalt (70) einsei­ tig begrenzt, dessen Breite (b) durch Bewegung des Steuergliedes (55) veränderbar ist.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spaltbreite (b) kontinuierlich veränderbar ist.

4. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der der Be­ wegung des Steuerglieds (55) entsprechende Verlauf des Steuersignals durch die Oberflächengestaltung des Steuerglieds (55) vorgebbar ist.

5. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) des Spaltes (70) durch Verschiebung des Steu­ ergliedes (55) entlang einer senkrecht zu den den Spalt (70) durchsetzenden Magnetfeldlinien ausge­ richteten Verschiebeachse (72) veränderbar ist.

6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerglied (55) bezogen auf die Verschiebeachse (72) rotationssymmetrisch ausge­ staltet ist.

7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuerglied (55) in Richtung der Verschiebeachse (72) konisch erwei­ tert.

8. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ richtung (10) zwei die Nord- bzw. die Südpole der beiden Magnete (40, 41) miteinander verbindende, magnetisch leitende Joche (30, 31) umfaßt, die in Kombination mit den Magneten (40, 41) das Steuer­ glied (55) in Umfangsrichtung umgeben.

9. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10a) zwei magnetisch leitende, in Umfangsrichtung jeweils einen Teilbereich des Steuergliedes (55) übergreifende Joche (30a, 31a) umfaßt, die jeweils eine Aufnahme (45) aufweisen, in der ein Magnet (40, 41) angeordnet ist.

10. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor­ vorrichtung (10) eine das Steuerglied (55) aufneh­ mende Führungshülse (59) aus einem im wesentlichen unmagnetischen Material aufweist.

11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Führungshülse (59) und das Steuerglied (55) an einem relativ zu den Magneten (40, 41) und zum Sensor (36, 37, 38) beweglich ge­ haltenen Führungsteil (61) festgelegt sind.

12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Führungsteil (61) in einer Führungsaufnahme (14) verschiebbar gehalten ist.

13. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorvorrichtung (10) ein am Steuerglied (55) gela­ gertes Kopplungsteil (16) umfaßt zur Ankopplung der Sensorvorrichtung (10) an eines der beiden re­ lativ zueinander bewegbaren Teile (18).

14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kopplungsteil als Stößel (16) ausgebildet ist.

15. Sensorvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, da­ durch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (55) verschiebbar ist und das Kopplungsteil (16) quer zur Verschieberichtung (72) des Steuergliedes (55) verschwenkbar am Steuerglied (55) gelagert ist.

16. Sensorvorrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (55) eine Kopplungsaufnahme (71) aufweist, in die das Kopplungsteil (16) eintaucht.

17. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsteil (16) mittels eines Kugelkopfes (73) am Steuerglied (55) gehalten ist.

18. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer­ glied als Konushülse (55) ausgestaltet ist.

19. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor als Hallsensor (36, 37, 38) ausgestal­ tet ist.

20. Sensorvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensorvorrichtung zumindest zwei analoge Hallsensoren (36, 37) umfaßt.

21. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor­ vorrichtung (10) einen magnetfeldempfindlichen Sensor (38) mit einem Ruhestrom von weniger als etwa 100 µA umfaßt.

22. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor­ vorrichtung (10) zumindest einen digitalen Hall­ sensor (38) aufweist.

23. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallsensor (36, 37, 38) als Teil eines anwenderspezifischen mikroelektronischen Schaltkreises ausgestaltet ist.

24. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Magnet als Permanentmagnet (40, 41) ausgebil­ det ist.

25. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor­ vorrichtung (10) ein ringförmiges Gehäuse (20) um­ faßt, das die Magneten (40, 41) sowie eine Leiter­ platte (26) mit mindestens einem Hallsensor (36, 37, 38) aufnimmt und das vom Steuerglied (55) durchsetzt ist.