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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der rotierenden oder linearen
Positionssensoren, insbesondere die Positionssensoren für die Messung der
Position des Luftansaugventils für
Explosionsmotoren, ohne dass es sich dabei um eine ausschließliche Anwendung
handelt.
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Im
Stand der Technik sind die französischen Patente
der Antragstellerin
FR2670286 ,
FR2715726 und
FR2790549 bekannt, die Sensoren auf
dem Stand der Technik beschreiben, die einen Statorteil aufweisen,
der aus mindestens einem ferromagnetischen Teil besteht und mindestens
einen Messspalt bestimmt, dessen Ebene deutlich parallel zur Rotationsachse
des beweglichen Teils verläuft.
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Für eine Anwendung
wie die Positionsmessung des Luftansaugventils für die Explosionsmotoren, erfordert
es das Zuverlässigkeitsniveau,
zwei unabhängige
Sensoren zu integrieren, um eine komplette Redundanz zu gewährleisten,
was selbst bei Defekt eines der magnetempfindlichen Elemente ermöglicht,
dass der Sensor weiterhin funktioniert.
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Es
ist deshalb notwendig, entweder über zwei
Messspalte im Magnetkreis zu verfügen, um die magnetempfindlichen
Elemente dort anzubringen oder die zwei magnetempfindlichen Elemente
im gleichen Messspalt anzubringen.
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Diese
Redundanz führt
unweigerlich zu einer Erhöhung
des Endpreises des Sensors. Wenn die zwei magnetempfindlichen Elemente
in ein- und demselben Messspalt angebracht werden, führt dies zu
einer Erhöhung:
- – entweder
der Dicke des Messspalts (hintereinander angeordnete Sonden),
- – oder
der Oberfläche
des Messspalts (nebeneinander angeordnete Sonden).
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In
den beiden Fällen
führt dies
unweigerlich zu einer Verringerung der Signaländerung, was mit dem Ziel,
das Signal/Lärm-Verhältnis des
Sensors und seine Auflösung
zu optimieren, nicht wünschenswert
ist.
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Unter
dem Gesichtspunkt des industriellen Verfahrens eignen sich die magnetempfindlichen Elemente,
die in einen derartigen Sensor eingebaut werden können, nicht
leicht für
eine Montage auf einer Leiterplatte. Diese Komponenten weisen Anschlüsse in Form
von Drähten
auf, die durch die Löcher
einer Leiterplatte geführt
werden müssen.
Dieser Vorgang weist aus industrieller Sicht Schwierigkeiten und
somit zusätzliche
Kosten auf.
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Der
hier beschriebene Sensor begrenzt sich nicht auf die Verwendung
eines magnetempfindlichen Elements mit Redundanz.
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Im
Stand der Technik ist auch ein Sensor bekannt, der im amerikanischen
Patent
US5861745 beschrieben
ist, d.h. ein Positionssensor, der aus mindestens einem Statorteil
mit einem Messspalt besteht, dessen Ebene parallel zur Rotationsachse
des drehenden Teils steht, der selbst wiederum aus mindestens einem
Dauermagneten besteht und in Zusammenwirkung mit den Statorteilen
eine Flussvariation im Messspalt erzeugt, die proportional ist zur Winkelposition
im Rotorteil.
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Die
im oben genannten Patent beschriebene Struktur führt auch zur Verwendung der
gleichen magnetempfindlichen Elemente wie bereits weiter oben beschrieben
und führt
somit zu den gleichen Schwierigkeiten aus industrieller Sicht.
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Die
neueren Entwicklungen auf dem Gebiet der magnetempfindlichen Hall-Effekt-Sensoren
haben die Entwicklung neuer Komponenten, wie den MLX 90277 der Firma
Melexis ermöglicht,
der in Form eines Bauteils erhältlich
ist, das direkt flach auf eine Leiterplatte integriert wird (siehe 26 Komponente SMD – Surface
Mount Device). Dieses Bauelement enthält auch zwei Hall-Effekt-Sonden
in ein- und demselben Gehäuse,
und bietet somit eine komplette Redundanz, die für die meisten Kraftfahrzeuganwendungen
unerlässlich
ist (Positionssensor für Gaspedal,
Ventil...). Es muss angemerkt werden, dass die „herkömmlichen" magnetempfindlichen Elemente ebenfalls
flach auf einen PCB montiert werden können (siehe 17).
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die oben genannten
Nachteile zu beheben, indem ein verbesserter Positionssensor angeboten
wird, dessen Magnetkreis die Verwendung von magnetempfindlichen
Elementen ermöglicht,
die direkt flach auf eine Leiterplatte montiert werden können (mit
oder ohne Redundanz), was den industriellen Prozess erleichtert
und somit geringere Fertigungskosten verursacht.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung gemäß ihrer allgemeinsten Anwendung
einen Positionssensor (rotierend oder linear), insbesondere für die Messung
der Position des Luftansaugventils, bestehend aus einer ersten Magnetstruktur
mit mindestens einem Permanentmagnet 1 und einer zweiten Magnetstruktur
mit mindestens zwei ferromagnetischen Teilen 3, 8,
die einen Messspalt 5 bestimmen, der parallel zur Rotationsachse
des beweglichen Teils ausgerichtet ist und in dem mindestens ein
magnetempfindliches Element angebracht wurde. Die Ausrichtung des
Messspalts wird durch die Ausrichtung der Feldlinien dieses gleichen
Messspalts bestimmt (siehe 1).
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Die
Erfindung betrifft allgemein einen berührungslosen Positionssensor,
bestehend aus einer ersten Magnetstruktur mit mindestens einem Permanentmagneten 1,
der sich in einem Hauptspalt 4 bewegt und einer zweiten
Magnetstruktur mit mindestens zwei ferromagnetischen Elementen 3, 8,
die mindestens einen Sekundär-Messspalt 5 bestimmen, in
dem mindestens ein magnetempfindliches Element 6 angebracht
ist, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Sekundär-Messspalt 5 eine
mittlere Ebene parallel zur Ebene mit der Längslinie des Permanentmagneten 1 aufweist,
wobei besagte mittlere Ebene des Sekundär-Messspalts 5 senkrecht
zur quer verlaufenden Achse des besagten Permanentmagneten 1 steht.
Wir zeigen in 2 die Definition der mittleren
Linie im Fall eines gewölbten
Magneten sowie für
einen Magneten in Form eines Parallelepipeds.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsart
bewegt sich der Dauermagnet 1 linear im Hauptmessspalt 4, der
eine flache Geometrie aufweist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsart
bewegt sich der Dauermagnet 1 rotierend im Hauptmessspalt 4,
der eine halbzylindrische Geometrie aufweist.
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Gemäß einer
besonderen Variante dieser zweiten Ausführungsart besteht der rotierende,
berührungslose
Positionssensor aus einer ersten Magnetstruktur mit mindestens einem
Permanentmagneten 1, der sich in einem Hauptmessspalt 4 bewegt und
einer zweiten Magnetstruktur mit mindestens zwei ferromagnetischen
Elementen 3, 8, die mindestens einen Sekundär-Messpalt 5 bestimmen,
in dem mindestens ein magnetempfindliches Element 6 angebracht
wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse der ersten
Magnetstruktur die von dem besagten Sekundär-Messspalt 5 bestimmte Ebene senkrecht
durchquert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsart bewegt
sich der deutlich senkrecht zur Bewegungsrichtung magnetisierte Magnet
alleine in dem zwischen den feststehenden Statorteilen und einem feststehenden
Joch 2 gebildeten Spalt.
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Gemäß einer
Variante ist der Magnet fest mit einem Joch 2 verbunden
und diese Einheit bewegt sich im Verhältnis zu den Statorteilen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsart
hat der Magnet eine Parallepiped-Form und bewegt sich linear im
Hauptmessspalt 4, der vom Statorteil und dem Joch 2 geformt
wird. Das magnetempfindliche Element ist im Sekundär-Messspalt
angebracht, der in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des
beweglichen Teils ausgerichtet ist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsart
ist der Magnet in Parallepiped-Form fest mit einem ferromagnetischen
Joch 2 verbunden, diese Rotoreinheit bewegt sich linear
gegenüber
den Statorteilen, die den Messspalt bestimmen.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsart
ist der Parallepiped-Magnet
fest mit einem ferromagnetischen Joch 2 verbunden, das
eine tangentiale Kerbe aufweist, in der dieser dünne, deutlich senkrecht zur Bewegungsrichtung
magnetisierte Magnet angebracht ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsart
hat der Magnet eine zylindrische Form und wird deutlich in der Richtung
der Dicke magnetisiert. Dieser Magnet, fest mit einem ferromagnetischen
Joch verbunden, darin eingelassen oder nicht, bewegt sich rotierend
gegenüber
dem Statorteil, der zur Sammlung des Flusses dient.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch das Lesen der folgenden Beschreibung
besser verstanden. Diese bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen nicht
erschöpfender
Ausführungsbeispiele,
wobei:
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die 1, 2 und 3 eine
Ansicht eines linearen Sensors mit einer Sonde darstellen, der die
oben beschriebenen Merkmale aufweist;
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die 4, 5, 6 und 7 eine Ansicht
eines rotierenden Sensors mit einem einzigen Magnet darstellen;
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die 8 eine
Ansicht eines symmetrischen rotierenden Sensors mit zwei Magneten
darstellt;
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die 9, 10, 11 und 12 eine
Ansicht eines Sensors mit Ringmagnet und Außenstator darstellen;
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die 13 und 14 Ansichten
eines rotierenden Sensors mit Ringmagnet und Innenstator darstellen;
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die 15 eine
Ansicht eines Sensors mit Scheibenmagnet darstellt;
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die 16, 17 und 18 eine
Variante mit einem oder zwei Magneten mit Winkelbreite von annähernd 120° darstellen;
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die 19 eine
Ansicht eines Sensors mit vier Messspalten mit einem zweipoligen
Ringmagnet darstellt;
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die 20 und 21 einen
linearen Sensor mit zwei und vier Magneten darstellen;
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die 23 und 24 verschiedene
Ausführungsarten
eines linearen Sensors mit beweglichem Joch darstellen;
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die 25 einen
rotierenden Sensor mit Integration in sein Gehäuse darstellt sowie die Leiterplatte,
auf der die Sonde direkt angebracht ist;
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die 26 und 27 besondere
Ausführungsformen
des Datenverarbeitungskreises darstellen.
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Bei
der Erfindung handelt es sich darum, eine einfache und zuverlässige Lösung für die Integration
von magnetempfindlichen Elementen in Form von SMD-Komponenten vorzuschlagen.
Sie bezieht sich auf die berührungslosen
Positionssensoren für die
lineare oder Winkelpositionsmessung bei Anwendungen wie den Positionssensoren
von Luftansaugventilen.
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Der
im folgenden beschriebene Positionssensor ist für die Messung einer linearen
oder einer Winkelposition bestimmt.
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Eine
derartige Anwendung eines linearen Positionssensors ist in den 3, 4 und 5 beschrieben.
Dieser Sensor verwendet ein Parallelepiped-Magnet, das deutlich
senkrecht zur Bewegungsrichtung magnetisiert ist. Dieser Magnet bewegt
sich entweder alleine zwischen einem feststehenden Joch und zwei
feststehenden Statoren. Diese beiden Statorteile bestimmen den Messspalt, so
dass die Ebene des besagten Spalts deutlich parallel zur Bewegungsrichtung
des Magneten steht. In diesem Spalt kann eine Surface Mount Device
Sonde vom Typ MLX 90277 angebracht werden. Ein Sensor des gleichen
Typs kann realisiert werden:
- – mit einem
fest mit einem ferromagnetischen Joch verbundenen Magneten, wobei
diese Einheit den Rotor darstellt und sich gegenüber dem Statorteil bewegt;
- – mit
einem fest mit einem ferromagnetischen Joch verbundenen und darin
eingebauten Magnet, wobei diese Einheit den Rotor darstellt und sich
gegenüber
dem Statorteil bewegt.
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Die 6, 7, 8, 9 und 10 stellen
eine Ansicht eines rotierenden Sensors mit einem einzigen einpoligen
Magneten dar. Dieser deutlich radial magnetisierte Magnet mit zylindrischer
Form ist entweder direkt auf ein zylindrisches Joch geklebt oder
in ein ferromagnetisches Joch, das eine deutlich senkrecht zur Bewegungsrichtung
stehende Kerbe aufweist, eingelassen. Der Magnet kann auch alleine
im Spalt beweglich sein, der von den Statorteilen und dem feststehenden
Joch bestimmt wird. In einer anderen Variante, die spezieller für die Messung
kleiner Winkelwege geeignet ist, kann der Magnet vorteilhaft eine
Parallelepipedform haben und deutlich in der Richtung seiner Dicke
magnetisiert sein. Dieser Magnet kann wie im Fall eines Magneten
mit zylindrischer Form in ein ferromagnetisches Joch eingelassen,
aufgeklebt oder nicht sein. Die Verwendung eines Parallelepiped-Magneten
ermöglicht
die Verwendung eines Werkstoffs mit hoher Remanenz und somit eine
Optimierung der Empfindlichkeit des Sensors. Die beiden Statorteile
bestimmen einen Messspalt, dessen Ebene von der Rotationsachse des
Rotorteils durchquert wird.
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In
anderen, in den 11, 12, 13 und 14 beschriebenen
Varianten wird die Verwendung eines zweipoligen Ringmagneten mit
deutlich radialer Magnetisierung gezeigt. In den verschiedenen vorgeschlagenen
Strukturen kann der Magnet entweder auf ein ferromagnetisches Joch
geklebt sein oder er bewegt sich frei rotierend im Messspalt, der
von den Statorteilen und dem Joch bestimmt wird. Durch ihre Form
bestimmen die Statorteile einen axialen Messspalt (in Bezug auf
die Feldlinien, die ihn durchziehen), der die Integration einer flach
montierten Sonde ermöglicht.
In diesen Strukturen befindet sich der Magnet innerhalb der Statorteile.
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Die
Verwendung eines Ringmagneten begrenzt sich nicht auf die oben beschriebenen
Konfigurationen: in den 15 und 16 werden
Varianten von Sensoren mit Ringmagnet mit den Statorteilen innerhalb
des Magneten vorgeschlagen. Die Statorteile bestimmen einen Messspalt,
dessen Ebene senkrecht zur Rotationsachse des beweglichen Teils
steht. Diese Konfigurationen besitzen das Interesse, über eine
natürliche
Abschirmung des magnetempfindlichen Elements von äußeren Störfeldern
zu verfügen.
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In
der 17 wird eine Variante mit Scheibenmagnet vorgestellt.
Der zweipolige Magnet ist deutlich axial magnetisiert und kann entweder
alleine beweglich sein oder auf ein ferromagnetisches Joch geklebt
sein.
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Für Anwendungen,
für die
eine Messung eines Winkelweges von deutlich über 180° oder einpolige Wege über 90° erforderlich
sind, werden in den 18 und 19 Varianten
mit zweipoligen, gewölbten
Magneten dargestellt. Die Winkelbreite des Magneten beträgt etwa
240°, dieser
Magnet bewegt sich entweder alleine im Spalt zwischen dem Joch und
den Statorteilen oder er ist auf das Joch geklebt. Die von zwei
ferromagnetischen Elementen mit einer Winkelbreite von etwa 120° und 240° festgelegten Statorteile
bestimmen zwei axiale Messspalte, die etwa um 120° voneinander
entfernt an der Peripherie des Sensors angeordnet sind. Ein derartiger
Sensor kann auch einen einzigen, deutlich radial magnetisierten,
auf ein ferromagnetisches Joch geklebten oder darin eingelassenen
Magneten verwenden. Dieser Sensor ist in 20 dargestellt.
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Für Anwendungen,
die eine Messung der Position über
eine komplette Umdrehung erfordern, ermöglicht die Struktur von 21,
zwei um 90° verschobene
Signale zu erhalten, wie in 22 dargestellt.
Der Stator besteht aus vier identischen ferromagnetischen Elementen
mit einer Winkelbreite von etwa 90°. Diese vier Statoren bestimmen
vier Messspalte, deren Ebenen deutlich senkrecht zur Rotationsachse
des Rotorteils stehen. Der Rotor besteht aus einem röhrenförmigen,
deutlich radial magnetisierten Magneten. Dieser Magnet bewegt sich
entweder alleine in dem zwischen einem ferromagnetischen Joch und
den Statoren bestimmten Spalt oder mit einem ferromagnetischen Joch,
auf das er aufgeklebt ist. Bei einer Verwendung des linearen Teils
jedes Signals ist es somit möglich,
ein lineares Signal über
360° zu
rekonstruieren.
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Die 23 und 24 zeigen
ein Beispiel einer Ausführung
eines linearen Sensors mit beweglichem Joch in Form eines U, auf
das zwei deutlich in ihrer Dicke magnetisierte Magnete aufgeklebt
sind. Diese Magnete können
entweder einpolig oder zweipolig sein. Innerhalb der Rotorstruktur
sind zwei ferromagnetische Teile angeordnet, die einen Messspalt
bestimmen, dessen Ebene parallel zur Bewegungsrichtung des beweglichen
Teils verläuft.
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Die 25 stellt
einen Winkelpositionssensor mit seiner Integration in ein Gehäuse dar.
In diesen beiden Abbildungen sehen wir die Einfachheit, die diese
Struktur für
die Befestigung des magnetempfindlichen Elements bringt, da dieses
direkt flach auf eine Leiterplatte geschweißt wird. Eine derartige Montage
weist eine sehr hohe Stoß-
und Schwingungsfestigkeit auf. Die Leiterplatte und das magnetempfindliche
Element lassen sich auf diese Weise sehr einfach in den Messspalt
des Sensors einfügen. Die
flache Integration des magnetempfindlichen Elements ermöglicht ferner,
einen Sensor mit geringer Höhe
zu erhalten, was für
bestimmte Anwendungen von Vorteil sein kann. Außerdem sind die in diesem Sensor
verwendeten Statorteile miteinander identisch, was eine Optimierung
der Endkosten des Sensors ermöglicht.