DE102004060898B3

DE102004060898B3 - Selbstjustierender berührungsloser Positionsaufnehmer

Info

Publication number: DE102004060898B3
Application number: DE200410060898
Authority: DE
Inventors: Bernd Leonhard; Stefan Glaser; Son Do; Marco Wolf
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-12-18
Also published as: FR2889379A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen berührungslosen Positionsaufnehmer mit einer Detektoreinheit, die ein Sensorelement zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines beweglichen Indikatorelements mit Bezug auf das Sensorelement aufweist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen derartigen Positionsaufnehmer, der als Näherungsschalter anstelle eines mechanischen Schalters einsetzbar ist. Um einen gattungsgemäßen berührungslosen Positionsaufnehmer anzugeben, der eine kostengünstige und schnelle Montage sowie eine Justierung zwischen dem Indikatorelement und der Detektoreinheit mit ausreichender Genauigkeit erlaubt, ist das Indikatorelement (112) in einer endmontierten Position mittels einer Montagevorrichtung (114) auf einer Betätigungseinheit (102) montiert, so dass seine geometrische Lage durch die Betätigungseinheit (102) veränderbar ist, und die Montagevorrichtung (114) ist so ausgebildet, dass sie in einer vormontierten Position an der Detektoreinheit (104) fixierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen berührungslosen Positionsaufnehmer mit einer Detektoreinheit, die ein Sensorelement zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines beweglichen Indikatorelements mit Bezug auf das Sensorelement aufweist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen derartigen Positionsaufnehmer, der als Näherungsschalter anstelle eines mechanischen Schalters einsetzbar ist.

Insbesondere im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeugbau besteht im Zuge des zunehmenden Einsatzes elektronischer Komponenten in Kraftfahrzeugen der Trend, mindestens einige der konventionellen mechanischen Schalter durch berührungslose Näherungsschalter zu ersetzen. Dabei kommen nach verschiedenen physikalischen Prinzipien arbeitende Sensortypen, wie beispielsweise Hall-Sensoren, aber auch induktive oder kapazitive Näherungsschalter in Frage. Für das zuverlässige Einschalten der Bremslichter beim Betätigen des Bremspedals eines Kraftfahrtzeugs ist der Einsatz der gegenüber mechanischen Schaltern schneller reagierenden kontaktlosen Näherungsschalter grundsätzlich sehr vorteilhaft. Beispiele für derartige berührungslose Pedalschalter, bei denen die Lage eines passiven Indikatorelements mit Bezug auf die Detektoreinheit einstellbar ist, sind aus der europäischen Patentschrift EP 0 751 541 B1 oder der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 296 23 230 U1 bekannt.

Allerdings besteht bei diesen bekannten Lösungen der Nachteil, dass die Justierung des Indikatorelements mit Bezug auf die Detektoreinheit vergleichsweise aufwendig ist und stets die Rückkopplung über das elektrische Ausgangssignal der Detektoreinheit benötigt. Daher ist insbesondere der Montagevorgang für die Massenproduktion zu zeit- und kostenintensiv. Auf eine Anordnung mit mehreren Indikatorelementen, wie sie zur Erreichung von mehr als einem Schaltpunkt bei einer Positionserkennung erforderlich ist, oder mit nicht-stiftförmigen Indikatorelementen lässt sich die in den Druckschriften EP 0 751 541 B1 und DE 296 23 230 U1 gezeigten Lösungen außerdem nicht leicht anpassen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 03 360 A1 ist ein Verfahren zur Montage einer Positionsmesseinrichtung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt, bei dem ein magnetisches Ausrichtelement mit einer Anschlagfläche vorgesehen ist, das während der Montage mit einer Anschlagfläche der Maßverkörperung und einer Anschlagfläche der Abtasteinheit zusammenwirkt und in der ausgerichteten Stellung entfernt wird.

Aus der US 6,531,667 B2 ist eine Pedalweggebereinheit zur Ermittlung einer Pedalwegstellung beschrieben. Die Pedalweggebereinheit enthält wenigstens einen Betätigungshebel und ein Schaltelement. Dabei ist der Betätigungshebel in einem Gehäuse angeordnet, auf einer Drehachse gelagert und durch ein Pedal verdrehbar. Da Betätigungsglied des Schaltelements wird durch Verdrehen des Betätigungshebels betätigt. Ein Gehäuse der Pedalweggebereinheit weist eine Gehäuseöffnung auf, die einen äußeren Zugang zu einem außerhalb der Drehachse liegenden Bereich des Betätigungshebels ermöglicht, um den Betätigungshebel dem Einfluss einer Pedalbewegung auszusetzen. Der Betätigungshebel ist vorzugsweise als Winkelhebel ausgebildet, der an seinem ersten Schenkelende drehbar im Gehäuse gelagert ist. Der Endbereich des zweiten Hebelschenkels tritt mit seiner Stirnseite aus der Gehäuseöffnung aus, wo der Pedalhebel anliegt. Weiterhin wirkt der Betätigungshebel auf eine Messeinrichtung ein, die als eine Anordnung aus einem Hallsensor und einem Permanentmagneten ausgebildet ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen gattungsgemäßen berührungslosen Positionsaufnehmer anzugeben, der eine kostengünstige und schnelle Montage sowie eine Justierung zwischen dem Indikatorelement und der Detektoreinheit mit ausreichender Genauigkeit erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch einen berührungslosen Positionsaufnehmer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Montageverfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 9 gelöst.

Dabei geht die vorliegende Erfindung von der Idee aus, dass eine Selbstjustierung erreicht werden kann, wenn das Indikatorelement in einer endmontierten Position mittels einer Montagevorrichtung auf einer Betätigungseinheit so montiert ist, dass eine geometrische Lage durch die Betätigungseinheit veränderbar ist, und in einer vormontierten Position so an der Detektoreinheit fixiert ist, dass die Lage des Indikatorelements einer genau definierten Position mit Bezug auf das Sensorelement entspricht. Eine Selbstjustierung wird dadurch erreicht, dass das Indikatorelement erst dann auf der Betätigungseinheit montiert wird, wenn die Betätigungseinheit mit Bezug auf die Detektoreinheit eine ebenfalls genau definierte Position, beispielsweise eine Ruheposition, eingenommen hat. Auf diese Weise muss das elektrische Signal des Sensorelements nicht zur Justierung des Indikatorelements herangezogen werden, was die Montage deutlich vereinfacht. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße mechanische Selbstjustierung ein zeitaufwendiger Optimierungsprozess vermieden werden und dennoch eine gute Schaltgenauigkeit sichergestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Indikatorelement mittels einer Montagevorrichtung gehaltert, die einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Betätigungseinheit im endmontierten Zustand wenigstens teilweise umgreift. Dadurch kann eine sichere Halterung des Indikatorelements auch bei mechanischer Beanspruchung, wie dies beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs durch die auftretenden Schwingungen erforderlich ist, sicher gehalten werden.

Um zu erreichen, dass das Indikatorelement im vormontierten Zustand so an der Detektoreinheit gehalten ist, dass sich die Betätigungseinheit frei in eine definierte Position bewegen kann, und andererseits zur Endmontage so in seiner Position verändert werden kann, dass es zusammen mit der Betätigungseinheit gegenüber der Detektoreinheit frei beweglich ist, ist die Montagevorrichtung so ausgeführt, dass sie aus der vormontierten in die endmontierte Position in einer Richtung im Wesentlichen quer zu einer Betätigungsrichtung des Indikatorelements verschieblich ist.

Weiterhin kann eine besonders exakte Positionierung des Indikatorelements auf der Betätigungseinheit dadurch erreicht werden, dass die Montagevorrichtung in einer Nut, die an dem Gehäuse der Detektoreinheit angebracht ist, verschieblich geführt ist.

Eine sichere, aber zugleich lösbare Verbindung, die gleichzeitig mit geringem Aufwand herstellbar ist und sowohl im endmontierten wie auch im vormontierten Zustand einsetzbar ist, stellt ein Verrasten der Montagevorrichtung in der jeweiligen Position dar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Sensorelement um eine Hall-Sonde, und das Indikatorelement weist einen Permanentmagneten auf. Die Verwendung eines Hall-Sensors mit mindestens einem Permanentmagneten bietet neben den üblichen Vorteilen berührungsloser Messeinrichtungen wie die Verschleißfreiheit außerdem den Vorteil einer hohen Messgenauigkeit und einer zuverlässigen, von Korrosion und anderen Störeinflüsse weitgehend unabhängige Erfassung der Position des Indikatorelements. Ein Hall-Sensor spricht sehr empfindlich auf Änderungen des magnetischen Flusses an, so dass bereits kleine Bewegungen des Indikatorelements erfasst werden können. Die Kennlinie eines Hall-Sensors, d. h. die Abhängigkeit des Sensorsignals von der Lage des Indikatorelements und damit der Lage der Betätigungseinheit, lässt sich auf einfache Weise durch Anpassung der elektrischen Hall-Sensorbeschaltung oder durch Programmierung der Auswerteelektronik auf vorgegebene Wünsche und Anforde rungen anpassen. Der sich mit der Betätigungseinheit mit bewegende Permanentmagnet dient dabei als Indikatorelement, und ein ortsfest in dem Gehäuse der Detektoreinheit montierte Hall-Sensor wird durch eine Änderung des magnetischen Flusses in seinem Umfeld beeinflusst und ändert daher sein Ausgangssignal.

Alternativ zu dieser Anordnung kann aber auch als Sensorelement ein induktiver Näherungssensor (Wirbelstromsensor) verwendet werden, der durch eine sich nähernde metallische Platte beeinflusst wird. Schließlich sind auch Systeme denkbar, die auf kapazitiver oder optischer Basis arbeiten.

Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen berührungslosen Positionsaufnehmers kommen besonders dann zum Tragen, wenn die Betätigungseinheit mit einem Bremspedal verbindbar ist und das Sensorsignal so ausgelegt ist, dass es ein Bremslicht in Abhängigkeit von einer Position des Bremspedals schaltet. Allerdings lassen sich die erfindungsgemäßen Prinzipien auch auf andere Näherungsschaltersysteme und auch auf Systeme übertragen, bei denen das Sensorsignal eine Information über die exakte Position des Indikatorelements liefert. Weiterhin können selbstverständlich in dem erfindungsgemäßen berührungslosen Positionsaufnehmer auch mehr als ein Sensorelement und mehr als ein Indikatorelement vorgesehen sein.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine teilweise geöffnete perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Positionsaufnehmers in einem vormontierten Zustand;
2 die Anordnung der 1 während eines ersten Montageschritts;
3 die Anordnung der 1 während eines zweiten Montageschritts;
4 den berührungslosen Positionsaufnehmer in seiner endmontierten Form.
1 zeigt als Beispiel eines berührungslosen Positionsaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung einen Näherungsschalter, wie er für einen berührungslosen Pedalschalter verwendbar ist, in einer vormontierten Stellung.
Vom physikalischen Grundprinzip her umfasst der Positionsaufnehmer 100, im Folgenden auch als Näherungsschalter bezeichnet, eine Betätigungseinheit 102, die, entsprechend der in der europäischen Patentschrift EP 0 751 541 B1 gezeigten Anordnung, mit einem hier nicht dargestellten Bremspedal verbunden sein kann, und eine Detektoreinheit, die bei Erreichen einer bestimmten Position der Betätigungseinheit 102 einen hier nicht gezeigten Stromkreis mit einem Bremslicht schließt. Die Detektoreinheit 104 ist ortsfest an einer Montageplatte 106, beispielsweise im Fußraum eines Kraftfahrzeugs, befestigt.
Die Detektoreinheit umfasst ein Gehäuse 108, das in den Figuren teilweise aufgeschnitten dargestellt ist, um den Montagevorgang besser erläutern zu können. In der hier gezeigten speziellen Ausführungsform wird die Lage der Betätigungseinheit 102 mittels einer Hall-Sonde 110 detektiert, die als Sensorelement verwendet wird, und das Magnetfeld eines im Endzustand an der Betätigungseinheit 102 montierten Permanentmagneten erfasst. Bei dem in 1 illustrierten vormontierten Zustand ist der Permanentmagnet 112, der von einer Montagevorrichtung 114 gehalten wird, an dem Gehäuse 108 der Detektoreinheit 104 verrastet. Dabei ist die Montagevorrichtung 114 in dem Gehäuse 108 in Führungsnuten 116 gehalten und so verrastet, dass zwischen dem als Indikatorelement fungierten Permanentmagneten 112 und dem als Sensorelement wirkenden Hall-Element 110 ein genau festgelegter Abstand eingehalten ist. In der gezeigten Ausführungsform entspricht dieser Abstand dem Abstand, den das Indikatorelement von dem Hall-Sensor 110 haben soll, wenn sich die Betätigungseinheit 102 im späteren Betrieb in einem Ruhezustand befindet.
In diesem Ruhezustand wird während der Montage die Betätigungseinrichtung 102 in Richtung 118 bewegt. Es ergibt sich die in 2 perspektivisch dargestellte An ordnung. In der hier gezeigten Position ist der Permanentmagnet 112 in dem Gehäuse 108 der Detektoreinheit 104 mit einem genau definierten Abstand zu der Hall-Sonde 110 fixiert, der hier beispielsweise dem Ruhezustand der Betätigungseinheit 102 entsprechen soll, den die Betätigungseinheit 102 entsprechend einem Ruhezustand des Bremspedals eingenommen hat. Erfindungsgemäß ist die Montagevorrichtung 114 in den Nuten 116 verschieblich gelagert, so dass sie zur Montage auf der Betätigungseinheit 102 in Richtung 120 verschoben werden kann. Diese Verschieberichtung verläuft im Wesentlichen quer zu der Bewegungsrichtung 118 der Betätigungseinheit 102.
3 zeigt den endmontierten Zustand, wobei sich die Betätigungseinheit 102 immer noch in der Ruheposition befindet. Die Montagevorrichtung 114 ist so verschoben, dass sie nunmehr mit der Betätigungseinheit 102 verrastet ist und somit der Permanentmagnet 112 zusammen mit der Betätigungseinheit 102 in Richtung 118 beweglich ist. Das Gehäuse 108 ist so ausgeführt, dass die Montagevorrichtung 114 in dieser Stellung gegenüber der Detektoreinheit 104 in der Betätigungsrichtung 118 ungehindert beweglich ist.
Eine teilweise geöffnete perspektivische Ansicht des ertindungsgemäßen Näherungsschalters 100 im endmontierten Zustand ist in 4 gezeigt. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass die Montagevorrichtung 114 Führungsvorsprünge 117 aufweist, die mit den Führungsnuten 116 an dem Gehäuse 108 zum Führen der Montagevorrichtung von der vormontierten in die endmontierte Position zusammenwirken.
Weiterhin ist die Montagevorrichtung gemäß der hier gezeigten Ausführungsform mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt ausgeführt, so dass sie die Betätigungseinheit 102 im endmontierten Zustand wenigstens teilweise umgreift und mit ihr verrastet ist. Das strichliert angedeutete Indikatorelement 112 ist nur beispielhaft an dieser Stelle angeordnet; selbstverständlich kann jede andere geeignete Positionierung ebenfalls vorgenommen werden.
Mit Bezug auf die 1 bis 4 soll im Folgenden der gesamte selbstjustierende Montageprozess des erfindungsgemäßen Positionsaufnehmers zusammengefasst werden.
In einem vormontierten Zustand, wie er in 1 dargestellt ist, sind die clipförmige Montagevorrichtung 114 und der Hall-Sensor 110 so zueinander positioniert, dass eine ideale Positionsreferenz zwischen dem Permanentmagneten 112 und dem Hall-Sensor 110 gegeben ist. Die Montagevorrichtung 114 ist über die Führungsvorsprünge 117 in den Führungsnuten 116 gehalten.
Zur genauen Justierung und Endmontage wird die Betätigungseinheit 102 in die in 2 gezeigte Ruheposition gebracht. Zur Montage des Permanentmagneten 112 auf der Betätigungseinheit 102 wird nunmehr die Montagevorrichtung 114 in Richtung 120 über die Betätigungseinheit 102 geschoben. Die Führungsvorsprünge 117 verlassen dabei die Führungsnuten 116, und die Betätigungseinheit 102 ist mit dem montierten und justierten Indikatorelement 112 mit Bezug auf die Hall-Sensor 110 in der Betätigungsrichtung 118 beweglich. Die Montagevorrichtung 114 ist in dieser Position auf der Betätigungseinheit 102 verrastet, und der Sensor kann in der gewünschten Weise durch den Permanentmagneten 112 in Abhängigkeit von der Position des Bremspedals und damit der Position der Betätigungseinheit 102 betätigt werden.
Des Weiteren erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung eine Positionstoleranz der Betätigungseinheit 102, weil das in der Montagevorrichtung 114 gehaltene Indikatorelement 112 in seiner Vorraststellung in einer Achse beweglich bleibt. Das heißt, in Betätigungsrichtung 118 wird es auf Referenzposition gehalten (z. B. Y-Achse), in Montagerichtung 120 wird es in Vorraststellung gehalten (z. B. Z-Achse) und die verbleibende Raumrichtung (hier dann X-Achse) ist für einen Toleranzausgleich offen (bis zu ± 1 mm).
Die erfindungsgemäßen Prinzipien lassen sich grundsätzlich auf alle Positionsaufnehmer übertragen, bei denen die Lage eines beweglichen Indikatorelements von einem in einer Detektoreinheit fest montierten Sensorelement erfasst wird und das entstehende Signal einer weiteren Signalauswertung zugeführt wird. In dem beispielhaft gezeigten Anwendungsfall ist die Betätigungseinheit 102 Element eines Bremspedals (hier nicht dargestellt), das sich bei der in 3 gezeigten Stellung in einer Ruheposition befindet. Wird das Bremspedal betätigt, bewegt sich die Betätigungseinheit 102 in die in 4 gezeigte Position und der als Indikatorelement fungierende Permanentmagnet 112 wird von dem Näherungsschalter, der Hall-Sonde 110 abgehoben. Dadurch ändert sich das Ausgangssignal des Schalters und lässt die Steuerung der Bremslichter schalten.

Claims

Berührungsloser Positionsaufnehmer mit einer Detektoreinheit (104), die ein Sensorelement (110) zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines Indikatorelements (112) mit Bezug auf das Sensorelement (110) aufweist, wobei das Indikatorelement (112) in einer endmonierten Position mittels einer Montagevorrichtung (114) auf einer Betätigungseinheit (102) montiert ist, so dass seine geometrische Lage durch die Betätigungseinheit (102) veränderbar ist, und wobei die Montagevorrichtung (114) so ausgebildet ist, dass sie in einer vormontierten Position an der Detektoreinheit (104) fixierbar ist.
Berührungsloser Positionsaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Montagevorrichtung (114) einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Betätigungseinheit (102) im endmontierten Zustand wenigstens teilweise umgreift.
Berührungsloser Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Montagevorrichtung (114) aus der vormontierten in die endmontierte Position in einer Richtung (120) im wesentlichen quer zu einer Betätigungsrichtung (118) des Indikatorelements (112) verschieblich ist.
Berührungsloser Positionsaufnehmer nach Anspruch 3, wobei die Montagevorrichtung (114) in einer Nut (116) an einem Gehäuse (108) der Detektoreinheit (104) verschieblich geführt ist.
Berührungsloser Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Montagevorrichtung (114) in der vormontierten Position mit der Detektoreinheit (104) verrastet ist.
Berührungsloser Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Montagevorrichtung (114) in der endmontierten Position mit der Betätigungseinheit (102) verrastet ist.
Berührungsloser Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine Hall-Sonde aufweist und das Indikatorelement (112) mindestens einen Permanentmagneten umfasst.
Verfahren zur Montage eines berührungslosen Positionsaufnehmers mit einer Detektoreinheit, die ein Sensorelement zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines Indikatorelements mit Bezug auf das Sensorelement aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Fixieren des Indikatorelements in einer vormontierten Position an der Detektoreinheit, Positionieren einer Betätigungseinheit in einer definierten Position mit Bezug auf die Detektoreinheit, Bewegen des Indikatorelements in eine endmontierte Position, in der es an der Betätigungseinheit so fixiert ist, dass seine geometrische Lage mit Bezug auf die Detektoreinheit durch die Betätigungseinheit veränderbar ist, um das Sensorsignal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Indikatorelement in einer Montagevorrichtung gehalten ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Montagevorrichtung aus der vormontierten in die endmontierte Position in einer Richtung im wesentlichen quer zu einer Betätigungsrichtung des Indikatorelements verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Montagevorrichtung in einer Nut an einem Gehäuse der Detektoreinheit verschieblich geführt ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Montagevorrichtung in der vormontierten Position mit der Detektoreinheit verrastet ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Montagevorrichtung in der endmontierten Position mit der Betätigungseinheit verrastet ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das Sensorelement mindestens eine Hall-Sonde aufweist und das Indikatorelement mindestens einen Permanentmagneten umfasst.