DE102006048084A1

DE102006048084A1 - Linearsensor

Info

Publication number: DE102006048084A1
Application number: DE102006048084A
Authority: DE
Inventors: Markus Scherer
Original assignee: Gustav Wahler GmbH and Co KG
Current assignee: BorgWarner Esslingen GmbH
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearsensor zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals in Abhängigkeit von der Relativposition zweier relativ zueinander verschiebbarer Teile, mit einer Magnetanordnung, der mindestens ein Hallsensor zugeordnet ist, wobei die Magnetanordnung und der Hallsensor relativ zueinander verschiebbar gehalten sind und der Hallsensor ein von seiner Position relativ zur Magnl erzeugt. Die Magnetanordnung weist zumindest zwei zueinander etwa parallel und in Abstand voneinander angeordnete Stabmagnete auf. Der zumindest eine Hallsensor ist etwa mittig im Zwischenraum zwischen den Stabmagneten angeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearsensor mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Linearsensor dieser Art ist bekannt ( DE 102 19 473 B3 ). Bei diesem weist die Magnetanordnung ein Magnetrohr aus magnetisierbarem Material auf, wobei eine obere Rohrhälfte auf der linken Seite als magnetischer Nordpol und auf der rechten Seite als magnetischer Südpol magnetisiert ist. Die sich anschließende untere Rohrhälfte ist umgekehrt magnetisiert derart, dass diese auf der linken Seite als magnetisierter Südpol und auf der rechten Seite als magnetischer Nordpol magnetisiert ist. Mindestens ein Hallsensor wird zentrisch in dem so gestalteten Magnetrohr bewegt. Ein so gestalteter Linearsensor ist hinsichtlich der Gestaltung des Magnetrohres kostenaufwendig. Es müssen die entsprechend magnetisierten Rohrhälften erstellt und zur Bildung des Magnetrohres miteinander verbunden werden. Bei diesem Linearsensor wird der Hallsensor relativ zum Magnetrohr in axialer Richtung hin- und herbewegt. Eine ähnliche Anordnung ergibt sich aus DE 197 51 519 A1 , bei der ebenfalls ein Hallsensor relativ zu einem im Gehäuse unverschieblich gehaltenen Magneten verschiebbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearsensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der einfach und insbesondere hinsichtlich seiner Herstellung kostengünstig ist bei geringem Platzbedarf.
Diese Aufgabe ist bei einem Linearsensor der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Erfindungsmerkmale und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein derartiger Linearsensor ist kompakt und kostengünstig herstellbar, erfordert nur einen kleinen Bauraum mit sich daraus ergebenden guten Integrationsmöglichkeiten, ist unempfindlich, z. B. gegenüber Lagetoleranzen, und gewährleistet aufgrund des in weiten Bereichen homogenen Magnetfeldes eine große Linearität, wobei er eine geringe externe Störempfindlichkeit verglichen mit anderen Sensoren hat. Der Linearsensor ist vielseitig einsetzbar, und dies bei großen Messbereichen, z. B. in der Größenordnung von 5 mm bis 50 mm. Da die Magnetanordnung lediglich aus zwei Stabmagneten gebildet ist, ist diese leicht und kostengünstig verwirklichbar bei geringem Platzbedarf. Von Vorteil ist weiterhin, dass der Linearsensor sich bei geringem Platzbedarf in eine Stelleinrichtung zur Betätigung, z. B. Linearbetätigung, eines Stellgliedes leicht integrieren lässt. Hierbei kann die Stelleinrichtung als Ventil, z. B. Abgasrückführventil, ausgebildet sein. Wenn die Stelleinrichtung aus einem pneumatischen Aktuator besteht, lässt sich der Linearsensor in den Druckraum des Aktuators integrieren, ohne dass dieser Bereich deswegen hinsichtlich des Bauraumes vergrößert werden muss.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Der vollständige Wortlaut der Ansprüche ist vorstehend allein zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen nicht wiedergegeben, sondern stattdessen lediglich durch Hinweis auf die Ansprüche darauf Bezug genommen, wodurch jedoch alle diese Anspruchsmerkmale als an dieser Stelle ausdrücklich und erfindungswesentlich offenbart zu gelten haben. Dabei sind alle in der vorstehenden und folgenden Beschreibung erwähnten Merkmale sowie auch die allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Linearsensors in vereinfachter Darstellung.
Der dargestellte Linearsensor 10 ist zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals in Abhängigkeit von der Relativposition zweier relativ zueinander verschiebbarer Teile ausgebildet. Er weist eine Magnetanordnung 20 auf, der mindestens ein Hallsensor 30 zugeordnet ist. Die Magnetanordnung 20 und der Hallsensor 30 sind relativ zueinander verschiebbar gehalten. Bei einer Relativbewegung erzeugt der Hallsensor 30 ein von seiner Position relativ zur Magnetanordnung 20 abhängiges elektrisches Spannungssignal.
Die Magnetanordnung 20 weist zumindest zwei zueinander etwa parallel und in Abstand voneinander angeordnete Stabmagnete 21 und 22 auf, die mittels eines etwa kastenförmigen oder U-förmigen Magnetträgers 23 gehalten oder integraler Bestandteil dieses sind. Dabei sind die Stabmagnete 21, 22 am oder vorzugsweise im Magnetträger 23 gehalten oder werden durch diesen gebildet. Die Halterung kann kraftschlüssig und/oder formschlüssig geschehen, z.B. durch Kleben, Klipsen, Umformen des Materials des Magnetträgers 23, wie Bördeln, Klemmen, Klammern oder auf sonstige, dem Fachmann geläufige Weise. Die Stabmagnete 21, 22 sind als Flachstreifen oder Blöcke ausgebildet, wobei diese mit ihren Flachseiten etwa parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Stabmagnete 21, 22 sind mit gegensätzlicher Polarität magnetisiert. So ist z.B. der eine Stabmagnet 21 im oberen Teil als magnetischer Nordpol N und im unteren Teil als magnetischer Südpol S – oder umgekehrt – magnetisiert, während der andere Stabmagnet 22 bei dazu gegensätzlicher Magnetisierung im oberen Teil als magnetischer Südpol S und im unteren Teil als magnetischer Nordpol N magnetisiert ist.
Der mindestens eine Hallsensor 30 ist etwa mittig im Zwischenraum 24 zwischen den Stabmagneten 21, 22 angeordnet. Der Hallsensor 30 ist mittels eines Sensorträgers 31 gehalten. Dieser Sensorträger 31 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel feststehend und taucht in den Magnetträger 23 ein. Dabei kann der Sensorträger 31 einen im Querschnitt z. B. rechteckigen Bolzen aufweisen, der in eine z. B. rechteckige koaxiale Hülse des Magnetträgers 23 mit Bewegungsspiel eintaucht. Auf diese Weise sind der Magnetträger 23 und der Sensorträger 31 aneinander geführt und relativ zueinander linear verschiebbar. Der Magnetträger 23 ist dabei auf dem Sensorträger 31 translatorisch verschiebbar gehalten und geführt und gegen Verdrehung gesichert. Der feststehende Sensorträger 31 weist einen schematisch angedeuteten Stutzen 32 auf, der als Anschlussstutzen dient, z.B. zum Anschluss an eine Druckversorgung, insbesondere Unterdruck- oder Überdruckversorgung. In der Zeichnung ist nur schematisch angedeutet, dass der Sensorträger 31 eine integrierte Steckerbuchse 31 für einen elektrischen Anschluss aufweisen kann. Die Steckerbuchse 33 ist über eine Anschlussleitung 34 mit dem mindestens einen Hallsensor 30 verbunden. Da der Sensorträger 31 und der Magnetträger 23 in Bezug zueinander undrehbar gehalten und geführt sind, ist gewährleistet, dass bei einer Relativbewegung des Magnetträgers 23 mit den Stabmagneten 21, 22 keine durch eine etwaige Relativdrehung erzeugten Einflüsse auf das Magnetfeld der Magnetanordnung 20 entstehen können.
Der verschiebbare Magnetträger 23 liegt an einem Element 25 an, dessen Verschiebeweg direkt oder indirekt gemessen werden soll. Diese Anlage kann durch Federkraft z.B. mittels einer Feder 26 erzeugt werden, die mit dem in der Zeichnung unteren Ende am Magnetträger 23 abgestützt ist und mit ihrem gegenüberliegenden Ende an einem feststehenden Teil, z.B. einem Gehäusedeckel 27, oder an einem Teil des räumlich feststehenden Sensorträgers 31 abgestützt ist und eine in der Zeichnung nach unten wirkende Druckkraft auf den Magnetträger 23 der Gestalt ausübt, dass dieser unter Federkraft an das Element 25 angedrückt ist und bei einer Bewegung von dem Element 25 diesem folgt und eine entsprechende Translationsbewegung relativ zum unverschiebbar gehaltenen Hallsensor 30 ausführt. Statt dessen kann der Magnetträger 23 auch mit dem Element 25 verbunden sein, so dass der Magnetträger 23 bei einer in der Zeichnung nach unten gerichteten Bewegung von dem Element 25 mitgenommen und entsprechend translatorisch verschoben wird. Der Gehäusedeckel 27 ist Bestandteil eines Gehäuses 28, in dem der Hallsensor 30 unverschiebbar und der Magnetträger 23 mit den Stabmagneten 21, 22 relativ zum Hallsensor 30 translatorisch verschiebbar gehalten sind. Der Gehäusedeckel 27 weist einen etwa umgekehrt topfförmigen mittleren Gehäuseteil 29 auf, an dem der Sensorträger 31 kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten ist, z.B. mittels eines Bajonettverschlusses, mittels Rasthaken oder dergleichen. Auf diese Weise ist der Sensorträger 31 in einfacher Weise schnell und lösbar am Gehäusedeckel 27 befestigt.
Das Element 25, dessen Verschiebeweg direkt oder indirekt gemessen werden soll, ist etwa tellerförmig und randseitig mit einer Membran versehen, die im Gehäuse 28 gehalten ist, wobei zusammen mit dem Gehäusedeckel 27 ein Druckraum 40, insbesondere Unterdruckraum oder Überdruckraum, begrenzt ist. Innerhalb dieses Druckraumes 40 ist der Magnetträger 23 mit den Stabmagneten 21, 22 und ferner der Sensorträger 31 mit dem Hallsensor 30 angeordnet. In dieser Gestaltung ist der Linearsensor 10 beispielsweise als pneumatischer Aktuator gestaltet, bei dem das etwa tellerförmige Element 25 mit Membran einen Druckteller bildet. Das Element 25 wird in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Druckraum 40 translatorisch in 1 nach oben oder nach unten bewegt. Das tellerförmige Element 25 steht unter dem Einfluss einer Feder 41, die z.B. eine in der Zeichnung nach unten gerichtete Rückstellbewegung erzeugen kann.
Der Linearsensor 10 kann in eine Stelleinrichtung 11 integriert sein, die für die Betätigung des etwa tellerförmigen Elements 25 ausgebildet ist, dessen Position und Wegstrecke mittels des Linearsensors 10 erfasst werden soll. Hierbei stellt das Element 25 das Stellglied dieser Stelleinrichtung 11 dar. Mit dem Element 25 kann ein zur Magnetanordnung 20 koaxialer Ventilschaft 12 fest verbunden sein, z.B. mittels einer Pressverbindung, Quetschverbindung oder dergleichen. Der Ventilschaft 12 kann zur Betätigung eines nicht weiter gezeigten Ventilgliedes ausgebildet sein. Wenn die Stelleinrichtung 11 nicht als Überdruck- oder Unterdruckversteller gestaltet ist, sondern die Betätigung des tellerförmigen Elements 25 und Ventilschaftes 12 durch einen anderen Antrieb geschieht, z.B. einen motorischen Antrieb, bedarf es des etwa tellerförmigen Elements 25 nicht. In diesem Fall kann der Ventilschaft 12 direkt mit dem Magnetträger 23 verbunden sein.
In vorteilhafter Weise ist die Stelleinrichtung 11 z.B. als Teil eines Ventils, z.B. Abgasrückführventils, gestaltet, dessen nicht dargestellter Ventilsitz von einem Ventilglied gesteuert wird, das mit dem Ventilschaft 12 verbunden und durch dessen Translationsbewegung in eine Öffnungs- oder Schließstellung sowie bedarfsweise in Zwischenstellungen bewegbar ist. Mittels des Linearsensors 10 wird die Translationsbewegung des Ventilschaftes 12 ermittelt und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt. Dies geschieht dadurch, dass der mindestens eine Hallsensor 30 das Magnetfeld der Magnetanordnung 20 detektiert, die mit dem Element 25 bzw. Ventilschaft 12 translatorisch relativ zum Hallsensor 30 bewegt wird. Eine Hubbewegung des Ventilschaftes 12 führt zu einer Positionsänderung der Magnetanordnung 20 gegenüber dem Hallsensor 30. Dies hat eine Änderung des Magnetfeldes im Bereich des Hallsensors 30 zur Folge, die von letzterem detektiert wird, wodurch ein entsprechendes elektrisches Spannungssignal erzeugt wird.
Es kann von Vorteil sein, wenn der Gehäusedeckel 27, der Ventilschaft 12 und die Feder 41 sowie 26 aus austenitischem Edelstahl gebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass diese Bauteile bei der magnetostatischen Feldberechnung vernachlässigt werden können. Das z.B. etwa tellerförmige Element 25 dagegen kann aus ferritischem Edelstahl bestehen, wodurch sich eine Beeinflussung des Sensorfeldes ergibt, was bei der Feldberechnung zu berücksichtigen ist. Die Breite und Länge der Stabmagneten 21, 22 wie auch der Magnetabstand und die Höhe dieser stellen Variablen dar, ebenso der Abstand zwischen der Unterkante der Stabmagneten 21, 22 und dem Element 25. Diese variablen Größen lassen sich mit dem Ziel einer Optimierung der Anordnung verändern.

Claims

Linearsensor zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals in Abhängigkeit von der Relativposition zweier relativ zueinander verschiebbarer Teile, mit einer Magnetanordnung (20), der mindestens ein Hallsensor (30) zugeordnet ist, wobei die Magnetanordnung (20) und der Hallsensor (30) relativ zueinander verschiebbar gehalten sind und der Hallsensor (30) ein von seiner Position relativ zur Magnetanordnung (20) abhängiges elektrisches Spannungssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (20) zumindest zwei zueinander etwa parallel und in Abstand voneinander angeordnete Stabmagnete (21, 22) aufweist und der mindestens eine Hallsensor (30) etwa mittig im Zwischenraum (24) zwischen den Stabmagneten (21, 22) angeordnet ist.
Linearsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabmagnete (21, 22) mittels eines Magnetträgers (23) gehalten sind oder integraler Bestandteil eines solchen sind.
Linearsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (30) mittels eines Sensorträgers (31) gehalten ist.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (31) in den Magnetträger (23) eintaucht und der Sensorträger (31) und der Magnetträger (23) aneinander relativ zueinander linear verschiebbar geführt sind.
Linearsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (31) und der Magnetträger (23) in Bezug zueinander undrehbar gehalten und geführt sind.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabmagnete (21, 22) an dem, insbesondere in dem, Magnetträger (23) kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten sind, z.B. durch Kleben, Klipsen, Umformen des Magnetträgermaterials, wie Bördeln, Klemmen, Klammern od. dgl.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabmagnete (21, 22) als Flachstreifen oder Blöcke ausgebildet sind, die mit ihren Flachseiten etwa parallel zueinander ausgerichtet sind.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabmagnete (21, 22) mit gegensätzlicher Polarität magnetisiert sind.
Linearsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stabmagnet (21) im oberen Teil als magnetischer Nordpol (N) und im unteren Teil als magnetischer Südpol (S) – oder umgekehrt – magnetisiert ist und dass der andere Stabmagnet (22) gegensätzlich dazu magnetisiert ist.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (30) unverschiebbar in einem Gehäuse (28) gehalten ist und dass die Stabmagnete (21, 22) im Gehäuse (28) relativ zum Hallsensor (30) translatorisch verschiebbar gehalten sind.
Linearsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetträger (23) auf dem Sensorträger (31) translatorisch verschiebbar gehalten und geführt und gegen Verdrehung gesichert ist.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Sensorträger (31) eine integrierte Steckerbuchse (33) für einen elektrischen Anschluss aufweist.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Sensorträger (31) einen Stutzen (32) aufweist, der als Anschlussstutzen dient, z.B. zum Anschluss an eine Druckversorgung, insbesondere Unterdruckversorgung oder Überdruckversorgung.
Linearsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der verschiebbare Magnetträger (23) an einem Element (25), dessen Verschiebeweg direkt oder indirekt gemessen werden soll, anliegt, z.B. mittels Federkraft (Feder 26) angedrückt ist oder mit dem Element (25) verbunden ist.
Stelleinrichtung (11) zur Linearbetätigung eines Stellgliedes, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Linearsensors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Wegmessung des Stellgliedes.
Stelleinrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Ventil, das einen Ventilschaft (12) zur Betätigung eines Ventilgliedes aufweist, wobei der Ventilschaft (12) mit dem Magnetträger (23) verbunden ist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (12) mit einem tellerförmigen Element (25) des Stellgliedes fest verbunden ist, z.B. mittels einer Pressverbindung, Quetschverbindung od. dgl.
Stelleinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Abgasrückführventil ausgebildet ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen pneumatischen Aktuator aufweist, der einen Druckteller als tellerförmiges Element (25) mit einer Membran aufweist, die randseitig im Gehäuse (28) gehalten ist, und dass das Element (25) mit der Membran und der Gehäusedeckel (27) zusammen einen Druckraum (40), insbesondere Unterdruckraum oder Überdruckraum, begrenzen, und dass der Magnetträger (23) mit den Stabmagneten (21, 22) und der Sensorträger (31) mit dem Hallsensor (30) innerhalb des Druckraumes (40) angeordnet sind.
Stelleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (31) an dem Gehäusedeckel (27) kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten ist, z.B. mittels eines Bajonettverschlusses, Rasthaken od. dgl.