DE102004029339A1

DE102004029339A1 - Messvorrichtung zur Winkel- und/oder Wegmessung

Info

Publication number: DE102004029339A1
Application number: DE102004029339A
Authority: DE
Inventors: Frank Bürger; Karin Wittkamp; Waldemar Stephan; Christoph Peiffer
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-12
Also published as: EP1756525A1; US20080186017A1; WO2005124284A1

Abstract

Eine Messvorrichtung zur Winkel- und/oder Wegmessung weist ein Bewegungselement (14) auf. Mit dem Bewegungselement (14) ist ein Magnetfelderzeuger (18, 20) verbunden. Ferner ist ein Magnetfeldsensor (22) vorgesehen, der das durch den Magnetfelderzeuger (18, 20) erzeugte Magnetfeld aufnimmt. Zur Auswertung des ausgenommenen Magnetfeldes ist der Magnetfeldsensor (22) mit einer Auswerteeinrichtung (26) verbunden. Um eine möglichst platzsparende und kostengüstige Messvorrichtung zu schaffen, weist der Magnetfelderzeuger mindestens zwei Stiftmagnete (18, 20) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Winkel- und/oder Wegmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Winkel- und/oder Wegmessung für Stellelemente in Kraftfahrzeugen.

Die Winkelmessung, bzw. die Bestimmung einer Stellung einer Schwenkachse, ist bei Kraftfahrzeugelementen beispielsweise zur Steuerung von Drossel- oder Abgasklappen erforderlich. Hierbei muss die Stellung der Klappe exakt bestimmt werden. Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels, d. h. des Öffnungswinkels einer Drosselklappe, ist aus DE 199 03 490 bekannt. Hierbei ist die Drosselklappe mit einer Schwenkachse und über mehrere Zwischenelemente mit einem konzentrisch zur Schwenkachse angeordneten Ringmagnet verbunden. Der Ringmagnet wird beim Schwenken der Drosselklappe mitgedreht. In dem Gehäusedeckel sind zwei Magnetfeldsensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren, angeordnet. Die beiden Sensoren sind außerhalb des Ringmagneten um 180 ° zueinander versetzt angeordnet. Von den beiden Sensoren werden zwei winkelabhängige Signale erzeugt. Die von den beiden Sensoren erzeugten Feldabwicklungskurven sind im Wesentlichen sinusförmig, wobei die Kurven in einem Winkelbereich von ± 45° im Wesentlichen linear sind. Das Vorsehen eines Ringmagneten mit zwei außerhalb des Ringmagneten angeordneten Sensoren erfordert einen großen Bauraum. Dies ist insbesondere bei der Drehwinkelerfassung von Drossel- und Abgasklappen nachteilig, da diese in einem Bereich des Motors angeordnet sind, in dem wenig Platz vorhanden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zur Winkel- und/oder Wegmessung zu schaffen, die einen kleinen Bauraum benötigt und kostengünstig herstellbar ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Messvorrichtung zur Winkel- und/oder Wegmessung, die insbesondere für Stellelemente in Kraftfahrzeugen geeignet ist, weist ein Bewegungselement, wie ein Zahnrad oder einen Schlitten, auf. Mit dem Bewegungselement ist ein Magnetfelderzeuger verbunden. Dem Magnetfelderzeuger ist ein Magnetfeldsensor zugeordnet, der das von dem Magnetfelderzeuger erzeugte Magnetfeld aufnimmt, bzw. in Abhängigkeit des erfassten Magnetfeldes Signale erzeugt. Hierbei ändert sich durch die Relativbewegung zwischen dem Magnetfelderzeuger und dem Magnetfeldsensor das Magnetfeld, wobei in Abhängigkeit der Magnetfeldänderung ein Signal erzeugt wird. Das von dem Magnetfeldsensor erzeugte Signal wird an eine Auswerteeinrichtung übertragen. Hierbei kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise Teil einer Auswerte- und/oder Steuerelektronik sein, wobei durch die Steuerelektronik beispielsweise das Kraftfahrzeugstellelement gesteuert wird.

Erfindungsgemäß weist der Magnetfelderzeuger mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Stiftmagnete auf. Die mindestens zwei Stiftmagnete sind beispielsweise an einem verschwenkbaren Bewegungselement in einem Winkel zueinander angeordnet. Ebenso können die Stiftmagnete an einem verschiebbaren Bewegungselement, wie einem Schlitten, in einem linearen Abstand zueinander angeordnet sein. Durch die beiden in einem Abstand zueinander angeordneten Stiftmagnete wird ein Magnetfeld erzeugt, wobei sich die Magnetfeldstärke je nach Lage der Stiftmagneten relativ zu dem Magnetfeldsensor ändert. Hierdurch kann die Lage des Bewegungselementes bestimmt werden. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass dem Sensor der Kurvenverlauf des Magnetfeldes in Abhängigkeit der Lage der Stiftmagnete bekannt ist, bzw. in der Auswerteeinheit hinterlegt ist, so dass hieraus die Stellung des Bewegungselementes abgeleitet werden kann. Vorzugsweise sind die Stiftmagnete insbesondere hinsichtlich ihrer Größe und Magnetstärke derart ausgewählt, dass in dem interessierenden Bewegungsbereich ein quasi lineares Magnetfeld zwischen den beiden Stiftmagneten besteht. Dies hat den Vorteil, dass das Hinterlegen bzw. Bestimmen der Magnetfeldkurve nicht erforderlich ist und somit ein einfach aufgebauter Magnetfeldsensor sowie eine entsprechend einfach aufgebaute Auswerteeinheit verwendet werden kann.

Das Vorsehen von Stiftmagneten hat den Vorteil, dass es sich hierbei um kleine Bauteile handelt und die aus dem Stand der Technik bekannten kreisförmigen, insbesondere diametral magnetisierten Magnete entfallen können. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung erfordert somit nur einen kleinen Bauraum und ist sehr kostengünstig herstellbar.

Bei dem Magnetfeldsensor handelt es sich vorzugsweise um einen Hall-Sensor, insbesondere einen stützstellenprogrammierbaren Hall-Sensor. Mit Hilfe von Hall-Sensoren kann das Magnetfeld exakt erfasst werden.

Vorzugsweise sind die Stiftmagnete derart ausgerichtet, dass ihre Nord-Süd-Ausrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das zwischen den beiden Stiftmagneten bestehende Magnetfeld vom Magnetfeldsensor gut erfasst werden kann.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Drehwinkelerfassung für Drossel- und/oder Abgasklappen in Kraftfahrzeugen. Hierbei ist eine Schwenkachse, die vorzugsweise unmittelbar mit der Klappe verbunden ist, vorgesehen. Zur Erfassung des Schwenkwinkels der Schwenkachse ist in einem Abstand zur Mittellinie der Schwenkachse der Magnetfelderzeuger in Form von mindestens zwei Stiftmagneten angeordnet. Hierbei sind die beiden Stiftmagnete vorzugsweise auf einer Kreislinie angeordnet. Benachbart zu den Stiftmagneten, bzw. zu dem von den Stiftmagneten erzeugten Magnetfeld, ist der Magnetfeldsensor angeordnet. Somit erfolgt durch Schwenken der Schwenkachse eine Relativbewegung zwischen den Stiftmagneten und dem Magnetfeldsensor. Hierdurch ändert sich das Magnetfeld, das der Magnetfeldsensor aufnimmt. In Abhängigkeit der Magnetfeldänderung erzeugt der Magnetfeldsensor ein winkelabhängiges Signal. Ggf. ist zur Bestimmung des exakten Winkels eine Auswerteeinheit erforderlich, die das Signal des Magnetfeldsensors entsprechend verarbeitet.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine schematische Draufsicht einer Winkel-Messvorrichtung,
2: eine schematische Seitenansicht entlang der Linie II-II in 1 und
3 – 5: Diagramme der Magnetfeldstärke über dem Winkel bei unterschiedlichen Abständen von zwei Stiftmagneten.
Eine Winkelmessvorrichtung, die beispielsweise zum Messen eines Drehwinkel einer Drosselklappe oder Abgasklappe geeignet ist, weist eine mit einem Stellmotor verbundene Welle 10 auf, die ein Zahnrad 12 trägt. Das Zahnrad 12 ist in klemmendem Eingriff mit einem Zahnrad 14, das mit einer Schwenkachse 16 verbunden ist. Die Schwenkachse 16 ist beispielsweise mit einer Achse der Klappen verbunden. Ebenso können die eine oder mehrere Klappen unmittelbar auf der Schwenkachse 16 vorgesehen sein.
Um einen Schwenkwinkel der Schwenkachse 16 und somit beispielsweise die Lage einer Klappe bestimmen zu können, sind mit dem Zahnrad 14, bei dem es sich um ein Bewegungselement handelt, als Magnetfelderzeuger zwei Stiftmagnete 18, 20 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Stiftmagnete 18, 20 auf einer gemeinsamen Kreislinie angeordnet und weisen einen Winkelabstand α zueinander auf. Die Stiftmagnete 18, 20 sind derart angeordnet, dass bei dem einem Stiftmagnet der Nordpol und bei dem anderen Stiftmagnet der Südpol in Richtung eines gegenüber den Stiftmagneten angeordneten Magnetfeldsensors 22 weist. Zwischen den beiden Stiftmagneten 18, 20 besteht somit ein Magnetfeld, das vom Magnetfeldsensor 22, z. B. einem Hall-Sensor erfasst wird. Über eine Leitung 24 ist der Magnetfeldsensor mit einer Auswerteeinheit 26, insbesondere einer Auswert- und/oder Steuerelektronik verbunden.
In den in den 3 – 5 dargestellten Diagrammen wurde der Verlauf der Magnetfeldkurve in Abhängigkeit des Winkels aufgenommen, wobei die beiden Stiftmagnete 18, 20 in einem unterschiedlichen Winkel α zueinander mit dem Zahnrad 14 verbunden waren.
Bei den Stiftmagneten handelt es sich um kreiszylinderförmige Stiftmagnete mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 4 mm. Die Magnete waren axial magnetisiert. Aufliegend gemessen wiesen die Magnete eine Feldstärke von 250 mT auf. Als Material der Stiftmagnete ist insbesondere SmC 05/17 geeignet. Derartige Stiftmagnete wurden in allen drei nachfolgend aufgeführten Beispielen eingesetzt.
Bei der 3 wurden die Stiftmagnete 18, 20 in einem Winkel α = 45° zueinander angeordnet.
Wie sich aus 3 ergibt, verläuft die Magnetfeldkurve in dem Winkelbereich von ca. –82 mT bis +87 mT. Erfindungsgemäß kann dem Magnetfeldsensor bzw. der Auswerteeinrichtung die exakte Kurve 28 hinterlegt werden. In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung, die ausreichend ist, wenn der Drehwinkel nicht exakt bestimmt werden muss, kann die Kurve 28 zu einer Geraden 30 linearisiert werden. Wenngleich die Messung hierdurch eine gewisse Ungenauigkeit erfährt, weist dies den Vorteil auf, dass die Winkelbestimmung in Abhängigkeit des gemessenen Magnetfeldes erheblich einfacher ist.
Dem in 4 dargestellten Diagramm liegt eine Untersuchung zu Grunde, bei der die beiden Stiftmagnete 18, 20 in einem Winkel α = 35° zueinander angeordnet waren. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Abweichung zwischen der tatsächlich aufgenommenen Kurve 32 und der linearisierten Kurve 34 deutlich geringer, so dass bei einem Winkelbereich von 35° bereits bei einer relativ hohen Genauigkeit die linearisierte Kurve 34 hinterlegt werden kann.
Das in 5 dargestellte Diagramm wurde auf Basis eines Winkelabstandes von α = 23° ermittelt. Hierbei wurde festgestellt, dass der Unterschied zwischen der tatsächlichen Magnetfeldkurve 36 und der linearisierten Kurve 38 noch geringer ist, so dass bei einem derartigen Winkelbereich insbesondere bei Stellelementen in einem Kraftfahrzeug und der linearisierten Kurve ausgegangen werden kann.

Claims

Messvorrichtung zur Winkel- und/oder Wegmessung, mit einem Bewegungselement (14), einem mit dem Bewegungselement (14) verbundenen Magnetfelderzeuger (18, 20), einem das durch den Magnetfelderzeuger (18, 20) erzeugte Magnetfeld aufnehmenden Magnetfeldsensor (22) und einer mit dem Magnetfeldsensor (22) verbundenen Auswerteeinheit (26), dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Stiftmagnete (18, 20) aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stiftmagnete (18, 20) insbesondere hinsichtlich der Größe und/oder der Stärke derart ausgewählt sind, dass ein quasi lineares Magnetfeld zwischen den Stiftmagneten (18, 20) besteht.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (22) ein Hall-Sensor, insbesondere ein stützstellenprogrammierbarer Hall-Sensor ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Stiftmagnete (18, 20) im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (14) ein Zahnrad oder eine Scheibe ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (14) eine Schwenkachse (16) aufweist und die Stiftmagnete (18, 20) auf einer Kreislinie im Abstand zu der Schwenkachse (16) angeordnet sind.