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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur berührungslosen
Erfassung eines Drehwinkels mit einem ersten Körper, auf
dem wenigstens ein Magnet angeordnet ist und mit wenigstens einem
von einem zweiten Körper getragenen magnetfeldempfindlichen
Element zur Erzeugung eines Messsignals, wobei der erste Körper
und der zweite Körper um eine Drehachse gegeneinander verdrehbar
sind und der Magnet eine sacklochartige Ausnehmung aufweist, gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine
solche Messeinrichtung ist in verschiedenen Systemen des Fahrzeugbereichs
verwendbar, in denen Drehwinkel gemessen werden müssen,
wie beispielsweise in einem Drosselklappengeber, in einem Gaspedalwertgeber
in einem Pedalmodul, in einem Karosserieeinfederungsgeber oder in
einem Winkelaufnehmer eines Scheibenwischerantriebs.
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Als
magnetfeldempfindliches Element kommen bei solchen Messeinrichtungen
vor allem Hall-Elemente zum Einsatz. Der Halleffekt gehört
zu den galvanomagnetischen Effekten und wird vor allem mittels dünner
Halbleiterplättchen ausgewertet. Wird ein solches stromdurchflossenes
Halbleiterplättchen senkrecht von einem Magnetfeld durchsetzt,
kann quer zur Stromrichtung eine zum Magnetfeld proportionale Spannung
abgegriffen werden. Im Falle von Silizium als Grundmaterial kann
man gleichzeitig eine Signalverarbeitungselektronik auf dem Halbleiterplättchen
integrieren, wodurch solche Sensoren sehr kostengünstig
werden. Solche integrierten Hall-IC's eignen sich vorwiegend für
die Messung von Winkeln und Wegen, indem sie die schwankende Feldstärke
des mit einem bewegten Rotor verbundenen Magneten erfassen.
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Ein
Sensor mit solchen Hall-Elementen ist beispielsweise aus der
EP 1 182 461 A2 bekannt, wobei
ein Magnetfeldkonzentrator in seinem Umfeld den Verlauf der Feldlinien
des vom Magneten erzeugten Magnetfelds verändert und bewirkt,
dass die Feldlinien, welche bei Abwesenheit des Magnetfeldkonzentrators
parallel zur Oberfläche der Hall-Elemente verlaufen würden,
die Hall-Elemente annähernd senkrecht zu ihrer Oberfläche
durchdringen. Dabei bilden einander diametral gegenüberliegende Hall-Elemente
je ein Paar zur Erzeugung eines Ausgangssignals, dessen Stärke
von der Richtung des Magnetfelds abhängt, welches wiederum
durch die momentane Lage des Magneten definiert wird, der beispielsweise
mit einem Läufer eines Elektromotors drehfest verbunden
ist, so dass aufgrund des Ausgangssignals der Drehwinkel des Läufers
bestimmt werden kann.
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Solche
Hall-Elemente benötigen eine ausreichende Magnetfeldstärke,
damit ihre Auflösung ausreichend groß ist. Ebenso
wirkt sich eine große Magnetfeldstärke günstig
gegenüber Fremdfeldern und gegenüber der unvermeidbaren
Alterung aus. Darüber hinaus benötigen diese Sensoren
einen homogenen, magnetischen Winkelbereich, damit Neuteiltoleranzen
bzw. Toleranzen, welche im Betrieb entstehen, wie beispielsweise
Drehachsverlagerungen aufgrund von Verschleiß oder mechanischem
Spiel ausgeglichen werden können. Deshalb bauen die in
solchen Anwendungen verwendeten Magneten relativ groß.
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Manche
Anwendungen, beispielsweise als Drehwinkelgeber in Fahrpedalmoduln,
haben einen Verstellbereich von 10 bis 30 Grad Winkeldrehung. Bei
solchen Anwendungen verursachen bereits kleine Fehler im Bereich
von 0,1 Grad bis 0,3 Grad in der Elektronik relativ große
Spannungsänderungen im Ausgangssignal.
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Eine
gattungsgemäße Messeinrichtung ist aus der
DE 10 2005 013 442
A1 bekannt und wird in einem Fahrpedalmodul verwendet.
Sie beinhaltet zwei zu einer Mittelachse symmetrisch angeordnete Magnetscheiben
mit je einer sacklochartigen Ausnehmung, welchen das magnetfeldempfindliche
Element mit jeweils relativ großem axialen Luftspalt zwischengeordnet
ist. Die magnetische Feldstärke nimmt jedoch mit der Entfernung
des magnetfeldempfindlichen Elements vom Magneten ab. Deshalb sind
relativ große Magneten notwendig, um eine für ein
lineares Ausgangsssignal des magnetfeldempfindlichen Elements ausreichende
Magnetfeldstärke und Homogenität bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass das magnetempfindliche
Element wenigstens teilweise in die sacklochartige Ausnehmung des
Magneten hineinragt. Dadurch befindet sich das magnetfeldempfindliche
Element in einer in den Magneten eingebetteten Lage und wird somit
von einem Bereich des Magnetfelds erfasst, wo dieses homogen ist
und die Magnetfeldlinien konzentriert vorkommen. Infolgedessen kann
mit einem relativ kleinen Magneten ein relativ starkes homogenes
magnetisches Feld erzeugt werden, was sich günstig auf
die Auflösung und die Linearität des Messsignals
auswirkt. Mithin wird dadurch auch der Einfluss von Fremdfeldern
und von Toleranzen reduziert.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch
1 angegebenen Erfindung möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet am Rotor über
einen Magnetträger gehalten, welcher am Stator durch eine
Führung drehgelagert ist. Dadurch ist der Magnet gegenüber
dem magnetfeldempfindlichen Element zentriert und umgekehrt, so
dass dadurch gegebenenfalls vorhandenes Spiel der Drehlagerung des
Rotors kompensiert werden kann. Diese verbesserte Führung
sorgt für eine vorteilhafte Erhöhung der Messgenauigkeit.
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Beispielsweise
kann die Führung wenigstens zwei vom Magnetträger
in Richtung des magnetfeldempfindlichen Elements weg ragende Führungssäulen
beinhalten, denen das magnetfeldempfindliche Element zwischengeordnet
ist, wobei die Führungssäulen in kreisbogenförmigen
Schlitzen des Stators geführt sind.
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Gemäß einer
weiteren Maßnahme weist das magnetfeldempfindliche Element
von einem Boden der Ausnehmung des Magneten einen Abstand auf, welcher
so klein ist, dass das magnetfeldempfindliche Element diesen Boden
gerade nicht kontaktiert. Diese Maßnahme sorgt für
eine weitere Verbesserung der Lage des magnetfeldempfindlichen Elements
in Bezug zu dem Magneten, da ein möglichst geringer Abstand,
ohne jedoch einen magnetischen Kurzschluss zu erzeugen, für
eine noch bessere Durchflutung des magnetfeldempfindlichen Elements durch
das Magnetfeld sorgt.
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Nicht
zuletzt ist der Magnet scheibenförmig und auf der zum magnetfeldempfindlichen
Element weisenden Fläche sektorförmig magnetisiert
oder polarisiert. Dann sind die Ränder der Ausnehmung des Magneten
gegenläufig polarisiert, wodurch die Feldlinien des Magnetfelds
im Bereich der Ausnehmung konzentriert auftreten und etwa parallel
zum Boden der Ausnehmung und damit auch parallel zu dem magnetfeldempfindlichen
Element verlaufen. Wenn dieses durch ein Hall-Element gebildet wird,
weist es vorzugsweise einen Magnetfeldkonzentrator auf. Denn Hall-Elemente
sind empfindlich auf die Komponente des Magnetfelds B, die senkrecht
auf ihre Oberfläche auftrifft, wie eingangs bereits diskutiert wurde.
Der Magnetfeldkonzentrator verändert in seinem Umfeld den
Verlauf der Feldlinien des Magnetfelds B und bewirkt, dass die Feldlinien,
welche bei Abwesenheit des Magnetfeldkonzentrators parallel zur
Oberfläche des Hall-Elements verlaufen würden, das
Hall-Elemente annähernd senkrecht zu seiner Oberfläche
durchdringen, also in einer Richtung, in welcher dieses empfindlich
ist. Auf diese Weise wird das magnetfeldempfindliche Element optimal
von den Feldlinien des Magnetfelds erfasst, was zu einer weiteren
Verbesserung der Auflösung und Steigerung der Messgenauigkeit
führt.
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Der
genaue Aufbau der Messeinrichtung wird anhand der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels klar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer Messeinrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Querschnittsdarstellung entlang der Linie II-II von 1;
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3 eine
Querschnittsdarstellung entlang der Linie III-III von 1;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Magneten, wie er in der Messeinrichtung
von 1 verwendet wird.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Das
in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel
einer Messeinrichtung 1 zur berührungslosen Erfassung
eines Drehwinkels wird beispielsweise zur Messung des Betätigungswinkels
eines aus Maßstabsgründen nicht gezeigten elektronischen
Fahrpedals eines Fahrpedalmoduls verwendet. Darüber hinaus
ist eine solche Messeinrichtung 1 in verschiedenen Systemen
verwendbar, in denen Drehwinkel gemessen werden müssen,
im Fahrzeugbereich beispielsweise in einem Drosselklappengeber,
in einem Gaspedalwertgeber in einem Pedalmodul, in einem Karosserieeinfederungsgeber oder
in einem Winkelaufnehmer eines Scheibenwischerantriebs.
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Die
Messeinrichtung 1 umfasst einen Rotor 2, beispielsweise
einen um eine Drehachse 4 drehbaren scheibenförmigen
Magnetträger 6, der mit einem gegenüber
einem Lagerbock drehbar gelagerten Fahrpedal drehfest verbunden
ist, und in den ein radial äußerer Rand eines
beispielsweise scheibenförmigen Magneten 8 eingebettet
ist, beispielsweise dadurch, dass der Magnet 8 in den aus
einem Kunststoffformling bestehenden scheibenförmigen Magnetträger 6 teilweise
eingespritzt wird. Dabei wird eine zu wenigstens einem magnetfeldempfindlichen Element 10 weisende
Oberfläche 12 eines radial inneren Teils des Magenten 8 freigelassen.
Bei dem Magneten 8 handelt es sich vorzugsweise um einen Permanentmagneten.
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Weiterhin
ist ein Stator 14 vorhanden, der mit dem Lagerbock des
Fahrpedals verbunden ist, welcher das magnetfeldempfindliche Element 10 zur
Erzeugung eines Messsignals trägt, wie beispielsweise eine
Feldplatte, einen Magnettransistor, eine Spule, ein magnetoresistives
Element oder ein Hall-Element. Das magnetfeldempfindliche Element 10 wird von
einer Platine 16 an der zum Magneten 8 weisenden
Seite getragen, welche an einem Boden 18 eines Gehäuses 20 des
Stators 14 befestigt ist.
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Im
vorliegenden Fall werden bevorzugt ein oder mehrere verschaltete
Hall-Elemente als magnetfeldempfindliche Elemente 10 verwendet,
die vorzugsweise in einem Halbleiterchip 22 aus Silizium
integriert sind, der auf der Platine 16 befestigt und in welchem
eine Signalverarbeitungselektronik realisiert ist. Der Halbleiterchip 22 beinhaltet
wenigstens einen Magnetfeldkonzentrator. Die Hall-Elemente 10 sind
empfindlich auf die Komponente des Magnetfelds B, die senkrecht
auf ihre Oberfläche auftrifft, wie eingangs bereits diskutiert
wurde. Der Magnetfeldkonzentrator verändert in seinem Umfeld
den Verlauf der Feldlinien des vom Permanentmagneten 8 erzeugten
Magnetfelds B und bewirkt, dass die Feldlinien, welche bei Abwesenheit
des Magnetfeldkonzentrators parallel zur Oberfläche der
Hall-Elemente 10 verlaufen würden, die Hall-Elemente 10 annähernd
senkrecht zu ihrer Oberfläche durchdringen, also in einer
Richtung, in welcher diese empfindlich sind.
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Der
Magnet 8 ist beispielsweise scheibenförmig ausgebildet
und weist eine sacklochartige, beispielsweise kreisrunde Ausnehmung 24 mit
einem Boden 26 auf. Alternativ könnte die Ausnehmung 24 einen
beliebigen Querschnit aufweisen und insbesondere auch rechteckig
ausgebildet sein. Dabei ragt der Halbleiterchip 22 mit
den magnetempfindlichen Elementen 10 wenigstens teilweise
in die sacklochartige Ausnehmung 24 des Magneten 8 hinein.
Im vorliegenden Fall befindet sich der Halbleiterchip 22 fast vollständig
in dieser Ausnehmung 24, wobei nur ein geringer Teil über
die Oberfläche 12 des Magneten 8 hinausragt.
Dadurch befinden sich die magnetfeldempfindlichen Elemente 10 in
einer in den Magneten 8 eingebetteten Lage und werden somit
von einem Bereich des Magnetfelds B erfasst, wo dieses homogen ist
und die Magnetfeldlinien konzentriert vorkommen.
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Gemäß der
bevorzugten Ausführungsform wird der den Magneten 8 tragende,
scheibenförmige Magnetträger 6 außer
durch die Drehachse 4 auch gegenüberliegend an
dem Gehäuse 20 des Stators 14 durch eine
Führung 28 drehgelagert. Der scheibenförmige
Magnetträger 6 und das beispielsweise zylindrische
Gehäuse 20 sind koaxial zueinander und zu einer
Mittelachse 30 angeordnet. Beispielsweise kann die Führung 28 wenigstens
zwei vom radial äußeren Rand des Magnetträgers 6 in
Richtung der magnetfeldempfindlichen Elemente 10 bzw. in
Richtung des Gehäuses 20 weg ragende Führungssäulen 32 beinhalten,
denen die magnetfeldempfindlichen Elemente 10 zwischengeordnet
sind, wobei die Führungssäulen 32 in
im Gehäuse 20 ausgebildeten kreisbogenförmigen
Führungsschlitzen 34 geführt sind, wie 2 und 3 zeigen.
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Weiterhin
weist der Halbleiterchip 22 mit den magnetfeldempfindlichen
Elementen 10 vom Boden 26 der Ausnehmung 24 des
Magneten 8 einen Abstand auf, welcher so klein ist, dass
die magnetfeldempfindlichen Elemente 10 diesen Boden 26 gerade nicht
kontaktieren. Diese Maßnahme sorgt für eine Verbesserung
der Lage der magnetfeldempfindlichen Elemente 10 in Bezug
zu dem Magneten 8, da ein möglichst geringer Abstand,
ohne jedoch einen magnetischen Kurzschluss zu erzeugen, für
eine bessere Durchflutung der magnetfeldempfindlichen Elemente 10 durch
das Magnetfeld B sorgt.
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Nicht
zuletzt ist der Magnet 8 auf der zu den magnetfeldempfindlichen
Elementen 10 weisenden Oberfläche 12 sektorförmig
magnetisiert oder polarisiert, wie aus 4 hevorgeht.
Unter einer solchen sektorförmigen Polarisierung oder Magnetisierung sind
jeweils unterschiedliche Polungen von Sektoren 36, 38 des
scheibenförmigen Magneten 8 zu verstehen, so dass
sich die Polung in Umfangsrichtung gesehen von Sektor 36 zu
Sektor 38 ändert.
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Im
vorliegenden Fall sind lediglich zwei Sektoren 36, 38 mit
unterschiedlicher Polung Nordpol N, Südpol S vorgesehen.
Alternativ könnten auch mehr als zwei Sektoren unterschiedlicher
Polung vorhanden sein. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
dann insbesondere die halbkreisförmig verlaufenden Ränder
der Ausnehmung 24 des Magneten 8 gegenläufig
polarisiert, wodurch die Feldlinien des Magnetfelds B im Bereich
der Ausnehmung 24 konzentriert auftreten und etwa parallel
zu ihrem Boden 26 und damit auch parallel zu den magnetfeldempfindlichen
Elementen 10 verlaufen. Der den magnetfeldempfindlichen
Elementen 10 zugeordnete Magnetfeldkonzentrator sorgt dann
für eine Umlenkung der Magnetfeldlinien senkrecht zu seiner
Oberfläche, in eine Richtung also, in welcher diese empfindlich auf
das Magnetfeld B reagieren, wie eingangs bereits diskutiert wurde.
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Alternativ
könnte der Magnet 8 auch axial magnetisiert oder
polarisiert sein. Dies bedeutet für den vorliegenden Fall
eines scheibenförmigen Magneten 8, dass die Trennebene
zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S etwa koplanar mit
der senkrecht zur Mittelachse 30 verlaufenden Mittelebene
des Magneten 8 ist.
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Dann
erfassen die magnetfeldempfindlichen Elemente
10 die von
der Drehlage abhängige Feldstärke bzw. Feldrichtung
des Magnetfelds B des mit dem Fahrpedal drehfest verbundenen Permanentmagneten
8,
so dass aufgrund des Ausgangssignals der magnetfeldempfindlichen
Elemente
10 der momentane Drehwinkel des Permanentmagneten
8 mit Hilfe
der Signalverarbeitungselektronik bestimmt werden kann. Da der Permanentmagnet
8 drehfest mit
dem Fahrpedal verbunden ist, kann aus dem Ausgangssignal der magnetfeldempfindlichen
Elemente
10 dessen Drehwinkelstellung errechnet werden.
Die Funktionsweise und Verschaltung von Hall-Elementen als magnetfeldempfindliche
Elemente mit Magnetfeldkonzentrator ist beispielsweise in der
EP 1 182 461 A2 und
US 2002/0021124 A1 hinreichend
beschrieben, weshalb hier nicht weiter darauf eingegangen werden
soll.
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Die
Messeinrichtung 1 dient zum Erfassen einer Verdrehung zweier
Körper relativ zueinander. Die Messeinrichtung 1 kann
so ausgeführt sein, dass der erste Körper 2 mit
dem Magnet 8 den drehbaren Rotor der Messeinrichtung 1 bildet,
und zweite Körper 14 mit dem magnetempfindlichen
Element 10 bildet den feststehenden Stator der Messeinrichtung 1. Die
Messeinrichtung 1 kann aber auch so ausgeführt sein,
dass der erste Körper 2 mit dem Magnet 8 feststehend
ist und somit als Stator der Messeinrichtung 1 bezeichnet
werden kann, und der zweite Körper 14 mit dem
magnetempfindlichen Element 10 ist drehbar und kann als
Rotor der Messeinrichtung 1 bezeichnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1182461
A2 [0004, 0030]
- - DE 102005013442 A1 [0007]
- - US 2002/0021124 A1 [0030]