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Die
Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung einer linearen oder
rotatorischen Bewegung eines Objektes gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes
des Patentanspruches 1.
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Zur
berührungslosen
und damit verschleißfreien
Erfassung von linearen oder rotatorischen Bewegungen eines Objektes
sind schon verschiedene Sensoren bekannt geworden. Diese arbeiten
mit Dauermagneten, deren Magnetfeld von einem Geber, der an dem
Objekt befestigbar oder ein Teil desselben ist, beeinflusst wird.
Das Magnetfeld wirkt auf ein Erfassungselement, das entweder als
Hall-Sensor (in den 4 und 5 dargestellt) oder als Reedschalter
(in den 6 bis 8 dargestellt) ausgebildet
ist.
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Bei
dem in den 4 und 5 dargestellten Sensor liegen
sich senkrecht zu einer Bewegungsebene des Gebers der Hall-Sensor
und der Dauermagnet (S: Südpol
und N: Nordpol des Dauermagneten) gegenüber, so dass der Sensor insgesamt
einen U-förmigen
Querschnitt aufweist. Zum Schutz der Sensorelemente sind diese mit
einer Umspritzung versehen, aus welcher Kabel des Hall-Sensors herausgeführt sind,
an dessen Ende sich ein Stecker befindet. Mit dem Eindringen bzw.
Herausbewegen des Gebers aus dem U-förmigen Sensor kann bei einer
bestimmten Position geschalten werden bzw. es wird eine lineare
Wegmessung ermöglicht,
bei der auch größere Abstände zwischen
dem Geber und dem Sensor möglich
sind. Diese Lösung
hat aber auch Nachteile: Sie ist im Vergleich zu Reedschaltern teuer,
erfordert zum EMV- bzw. ESD-Schutz zusätzliche Bauteile, ein Verpolschutz
ist erforderlich, eine Polarität
beim Bestücken
des Dauermagneten muss eingehalten werden, bis zu drei Anschlüsse sind
erforderlich und das Ausgangssignal ist stark durch die zulässige Versorgungsspannung
des Hall Sensors begrenzt.
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Demgegenüber gibt
es Lösungen
eines Sensors mit einem einzigen Reedschalter, wie er in den 6 bis 8 dargestellt ist. Auch hier weist der
Sensor (dessen Gehäuse)
einen U-förmigen
Querschnitt auf und ist mit einer Umspritzung versehen. Durch Hinein-
oder Herausbewegen des Gebers in den U-förmigen Sensor wird der Reedschalter
geschlossen (wenn sich der Geber außerhalb des Sensors befindet)
bzw. geöffnet (wenn
sich der Geber innerhalb des Sensors befindet. Diese Lösung mit
Reedschaltern ist gegenüber
der Lösung
mit Hall-Sensoren
wesentlich einfacher, da der Reedschalter ein einfaches Prinzip
aufweist, nur zwei Anschlüsse
und keine EMV- bzw. ESD-Schutzelemente erforderlich sind. Außerdem ist
kein Verpolschutz notwendig, während
auch auf die Polarität
des Dauermagneten bei der Herstellung des Sensors nicht geachtet werden
muss. Das Ausgangssignal kann typischerweise zwischen 0 und 24,
gegebenenfalls auch bis zu 100 Volt liegen, wobei bei diesem Prinzip
eine einfache Signalanpassung ebenfalls möglich ist. Diese kann beispielsweise
durch eine entsprechende Verschaltung mit weiteren Bauelementen,
wie z.B. zwei Widerständen, durchgeführt werden.
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Während die
Lösung
des Sensors, basierend auf dem Reedschalter-Prinzip, einfacher gegenüber dem
Prinzip mit einem Hall-Sensor erscheint, weist dieses doch noch
Nachteile auf. Auf Grund des einfachen Prinzips bei dem Reedschalter
ist keine stufenlose oder gestufte Erfassung der Bewegung des Objektes
möglich.
Es lässt
sich nur eine einzige Aussage treffen, ob nämlich sich das Objekt in einem
bestimmten Bereich (entsprechend Reedschalter offen) oder in einem
anderen Bereich (Reedschalter geschlossen) befindet, entsprechend
eines Positionssensors. Außerdem
besteht bei den zwei bekannten Lösungsprinzipien
die Gefahr, dass sich Verunreinigungen in der Vertiefung des U-förmigen Gehäuses sammeln,
wobei diese insbesondere bei magnetisch leitfähigen Partikeln auf Grund der
Magnetkraft des Dauermagneten angezogen werden können. Wenn je nach Größe dieser
Ausnehmung eben diese Ausnehmung verschmutzt ist durch eine größere Ansammlung
von Schmutzpartikeln, kann es passieren, dass der Geber nicht mehr
in diese Ausnehmung eintreten kann und damit eine Messung der Bewegung
des Objektes unmöglich
gemacht wird. Dies ist gerade bei einer dauerhaften Anwendung des
Sensors und auch bei einer Anwendung in rauen Umbebungsbedingungen sehr
schnell der Fall.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Sensor zur Erfassung
der Bewegung eines Objektes bereitzustellen, der die eingangs geschilderten
Nachteile vermeidet. Insbesondere wird ein Sensor gesucht, mit dem
es möglich
ist, bestimmte Positionen des Objektes abzufragen. Dabei können die
vorgegebenen Positionen aus einer linearen Bewegung oder einer Drehbewegung
resultieren. Dabei soll das Geberelemente nicht mit einer zusätzlichen
magnetischen Komponente wie einem Dauermagneten, einem Ferrit oder
dergleichen bestückt
werden, wohingegen eine berührungslose
verschleißfreie
Messung beibehalten werden soll.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass neben mindestens einem ein Magnetfeld erzeugendem Magnetelement
zumindest ein bzw. mehrere Erfassungselemente in einer Bewegungsebene
angeordnet sind und das Geberelement aus einem das Magnetfeld beeinflussendem
Material besteht. Eine solche Anordnung hat mehrere Vorteile:
Zum
einen werden zwei Erfassungselemente, wie z.B. Reedschalter, Hall-Sensoren, Magnetresonanzsensoren
oder dergleichen, eingesetzt, die berührungslos und damit verschleißfrei arbeiten.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Reedschaltern, da diese
zuverlässig
sind und besonders kostengünstig
sind. Das Geberelement selber besteht aus einem Material, welches
das Magnetfeld des Magnetelementes beeinflusst und damit wiederum
auf die Erfassungselemente wirkt. Das Vorhandensein von zwei Erfassungselementen
hat den Vorteil, dass entweder eine stufenlose Erfassung der Bewegung
des Objektes (bei Anwendung von Hall-Magnetresonanzsensoren) oder
die gestufte Erfassung der Position (bei Anwendung von Reedschaltern)
realisierbar ist. Dabei ist das ein Magnetfeld erzeugende Magnetelement
nach wie vor ein Dauermagnet, der kostengünstig und einfach in der Handhabung
ist. Alternativ oder ergänzend
dazu kann das Magnetelement auch ein Elektromagnet sein.
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Ein
ganz wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass die Erfassungselemente
zusammen mit dem Magnetelement in einer Bewegungsebene angeordnet
sind. Dadurch kann der gesamte Sensor flach bauen und der Bewegungsrichtung
des Objektes angepasst werden. Das bedeutet, dass die Erfassungselemente
zusammen mit dem Magnetelement z.B. flächig bei einer linearen Bewegung
oder gekrümmt
bei einer rotatorischen Bewegung des Objektes ausgebildet sind.
Auf Grund dieser flächigen
bzw. gekrümmten
Ausgestaltung sowie einer Bewegung des Geberelementes über die
Erfassungselemente hinweg ist der Vorteil gegeben, dass sich keine
Verunreinigungen insbesondere im Bereich des Magnetelementes, aber
auch im gesamten Bereich des Sensors ansammeln können, die zu einer Beeinträchtigung
der Bewegung des Geberelementes führen würden. Denn genau das Gegenteil
ist der Fall, da bei Bewegung des Geberelementes relativ zu den
Erfassungselementen Schmutzpartikel und Verunreinigungen beseitigt
werden können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erfassung einer
linearen Bewegung des Objekts vorgesehen, dass die Erfassungselemente
und das Magnetelement auf einem flächigen Träger angeordnet sind und mit
einer Ummantelung vor äußeren Einflüssen geschützt sind.
Der Vorteil der geschlossenen Form liegt darin, dass keine Verunreinigungen,
insbesondere keine Späne
oder sonstige elektrisch und magnetisch leitfähige Teilchen, durch das magnetische
Feld zwischen dem Erfassungselement, insbesondere dem Reedschalter,
und dem Magnetelement, insbesondere dem Dauermagneten gelangen können. Diese
Verunreinigungen können
sich höchstens
an der Oberfläche
der Ummantelung in der direkten Umgebung des Magnetelementes ansammeln
und werden bei einer Bewegung des Geberelementes darüber beseitigt.
Weiterhin ist mit dieser Bauform ein extrem flacher Sensor möglich, insbesondere
dann, wenn auch das Geberelement flächig ausgebildet und planparallel
(koplanar) zu den Erfassungs elementen bewegbar ist. Der Einsatzbereich des
erfindungsgemäßen Sensors
ist überall
dort, wo ein Weg abgefahren wird und bestimmte Positionen detektiert
werden müssen.
Der Sensor dient sowohl zur Erkennung von Zwischenpositionen beim
Vorbeifahren als auch zum Abfragen von Endpositionen.
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Dabei
kann eine lineare Bewegung (Position z.B. in Millimetern) abgefragt
werden, genau so wie eine rotatorische Bewegung (Winkel in Grad).
Insbesondere vorteilhaft ist die Anwendung des Sensors im Bereich der
Fahrzeugtechnik (Automobile), da hier rauhe Umgebungsbedingungen
(gerade Verunreinigungen durch elektrisch und magnetisch leitfähige Teilchen,
Temperaturschwankungen, Vibrationen und dergleichen) herrschen und
nur wenig Bauraum zur Verfügung
steht.
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Ein
Ausführungsbeispiel,
auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im Folgenden beschrieben
und anhand der Figuren erläutert.
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Es
zeigen:
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1 und 2:
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors,
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3:
einen Sensor mit einem Elektromagneten
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4 bis 8:
Aufbau von Sensoren nach dem Stand der Technik.
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Die 1 und 2 zeigen,
soweit im Einzelnen dargestellt, den Aufbau eines Sensors 1 mit
einem Geberelement 2, das aus einem Material besteht, welches
ein Magnetfeld beeinflussen kann. Weiter ist ein Erfassungselement 3 vorhanden,
das ein Magnetelement 4 und einen flächig gestalteten Träger 5 aufweist, wobei
neben dem Magnetelement 4 stellvertretend zwei Reedschalter 6, 7 angeordnet
sind. Im Schnitt ist dieser Aufbau in 2 gezeigt,
wobei erkennbar ist, dass der Träger 5 mit
den darauf angeordneten Elementen (Magnetelement 4 und
Reedschalter 6, 7) von einer Ummantelung 8 umgeben
ist. Nicht gezeigt, aber vorhanden, sind Anschlüsse der Reedschalter 6, 7,
die aus der Ummantelung 8 herausgeführt sind und z.B. über Kabel
mit einem Stecker zur Verkabelung des Sensors 1 verbunden
sind. Das Geberelement 2 ist hier beispielsweise flächig (andere
Formen sind auch denkbar) ausgestaltet und mit dem hier nicht dargestellten
Objekt verbindbar oder Bestandteil desselben.
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Aus
den 1 und 2 geht deutlich hervor, dass
der Sensor 1 zur Erfassung einer linearen Bewegung eines
nicht dargestellten Objektes ausgebildet ist und sehr flach baut,
wobei die planparallele Anordnung von Geberelement 2 und
Erfassungselement 3 es ermöglicht, den Abstand zwischen
diesen beiden Elementen 2, 3 sehr gering zu halten.
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3 zeigt,
dass an Stelle des Magnetelementes 4, das in den 1 und 2 ein
Dauermagnet, auch ein Elektromagnet eingesetzt werden kann. Der
Magnet ist zudem der Anwendung und dem Bauraum entsprechend geformt.
Alternativ ist es denkbar, dass der Magnet als gesintertes Teil
oder als hochgefüllter Kunststoffteil
ausgebildet ist bzw. ein Kunststoff mit magnetischen Eigenschaften
ist.
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An
Stelle von Anwendungen der Erfassungselemente, die als Reedschalter 6, 7 ausgebildet
sind, kommt auch die Anwendung von Hall-Sensoren, Magnetresonanzsensoren
oder dergleichen in Betracht, die einen oder mehrere Reedschalter
ersetzen können.
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Bei
Verwendung der Reedschalter lassen sich darüber hinaus folgende spezielle
Eigenschaften realisieren:
Aus Öffner wird Schließer:
Geberelement
(zum Beispiel Scheibe) befindet sich von Anfang an beim Sensor (Reed
geöffnet);
bei der gewünschten
Position ist der Geber weite genug entfernt bzw. ein Loch im Geber
(Reed Schalter schließt).
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Eine
mögliche
Variante eines Ausgangssignalmusters bei zwei Reedschaltern und
einem Magnetelement:
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Andere
Muster lassen sich durch Codierung des Gebers bzw. mit der Wahl
der Anfangsposition erzeugen.
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Schaltverhalten
wird bestimmt durch:
- – Form (Kontur) des Gebers
bzw. Löcher
(Codierung) in der Scheibe
- – Abstimmung
Reed und Magnet (Empfindlichkeit, Stärke des Magnets → hmax, Form des Magneten)
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Vorteile:
- – einfaches
Prinzip (Reed als Öffner),
- – je
Position (=Schalter) nur zwei Anschlüsse notwendig,
- – kein
EMV/ESD Schutz erforderlich,
- – kein
Verpolschutz notwendig,
- – auf
die Polarität
des Magnet muss nicht geachtet werden, nur auf die Lage,
- – Ausgangssignal
0 < Vout < 24V (100V),
- – einfache
Signalanpassung möglich
(2 Widerstände),
- – geschlossener
Bauform des Sensors,
- – extrem
flacher Sensor,
- – bei
aufeinander folgenden Positionen die eng zusammen liegen (kleiner
Abstand bzw. kleiner Winkel) genügt
ein Magnet zwischen zwei Schaltern, dabei entsteht ein Zwischenbereich,
in dem beide Schalter geschlossen oder geöffnet sind.
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Zusätzliche
Anwendungen und Vorteile bringt der Einsatz eines Elektromagneten:
- – Funktionstest
bzw. Systemcheck bei Start der Anwendung (beide Magnetschalter müssen schalten).
Beispielhafte Erklärung:
Zündung
wird eingeschaltet und Auto startet. Jetzt ist erforderlich, dass
der Elektromagnet im verbauten System einschaltet und auch die Reedschalter
(Magnetschalter) schalten und damit ein Zeichen geben, dass sie
funktionsfähig
sind.
- – Sicherheitsanwendungen
können
implementiert werden (z.B. das Feststellen von Unterbrechungen, Kurzschlüssen, Kontaktschwierigkeiten
in Folge hoher Übergangswiderstände und
dergleichen).
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Wenn
der Geber nicht flächig
ausgebildet ist, dann können
durch die Anpassung des Gebers zusätzlich Schaltpunkte generiert
werden, wie z.B. bei folgender Darstellung.
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- 1
- Sensor
- 2
- Geberelement
- 3
- Erfassungselement
- 4
- Magnetelement
- 5
- Träger
- 6
- Reedschalter
- 7
- Reedschalter
- 8
- Ummantelung
