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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der berührungslosen Magnetsensoren, die ausgelegt sind, um die Position eines in Bewegung befindlichen Körpers, der sich entlang einem festgelegten linearen Weg bewegt oder sich dreht, zu bestimmen.
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Der Gegenstand der Erfindung findet eine besonders vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Anwendung auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge, um unterschiedliche Organe mit begrenzter linearer oder drehender Bewegung, deren Position bekannt sein muss und die insbesondere Teil beispielsweise einer Bremseinrichtung für Kraftfahrzeuge sind, damit auszustatten.
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Im Stand der Technik gibt es zahlreiche Arten von berührungslosen Sensoren, die ausgelegt sind, um die lineare Position eines in Bewegung befindlichen Körpers, der beispielsweise eine Verschiebebewegung ausführt, zu erfahren. So ist ein Sensor optischer Art bekannt, dessen hauptsächlicher Nachteil sein Herstellungspreis ist. Ein Sensor vom Typ Wirbelstromsensor oder Sensor mit Spule weist, abgesehen von seinem Aufbau, einen erheblichen Platzbedarf auf, der dessen Anwendungen begrenzt.
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Darüber hinaus sind Sensoren magnetischer Art bekannt, die ein Paar von Magneten aufweisen, deren Magnetisierungen sich entlang einer gleichen Richtung erstrecken, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind, so dass eine magnetische Induktion erzeugt wird, die geeignet ist, durch ein empfindliches Messelement erfasst zu werden. Dieses Messelement, wie zum Beispiel eine Halleffekt-Sonde, ist geeignet, die aus der Relativbewegung zwischen dem Magneten und dem Messelement folgende magnetische Induktion zu messen. Die Messungen der magnetischen Induktion ermöglichen, die lineare Position eines in Bewegung befindlichen Körpers, der mit dem Magneten oder dem Messelement verbunden ist, zu bestimmen.
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Diese Art von Magnetsensoren weisen den Nachteil auf, dass sie bei starken Bewegungen eine nicht lineare Reaktion aufweisen. Darüber hinaus hängt das Ausgangssignal eines solchen Sensors stark von dem Wert des Luftspalts zwischen den Magneten und dem Messelement ab, was die Anwendungen dieser Art von Sensoren begrenzt.
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Auch aus dem Patent EP 0 979 988 B1 ist ein Magnetsensor zum Bestimmen der Position eines in Bewegung befindlichen Körpers bekannt; dieser umfasst Mittel zum Erzeugen einer magnetischen Induktion, die zwei Komponenten aufweist, welche zueinander senkrecht verlaufen und im Wesentlichen wie zum Sinus und Kosinus eines Winkels proportionale Funktionen variieren. Dieser Sensor umfasst auch Messmittel, die gegenüber den zwei zueinander senkrecht verlaufenden Komponenten magnetischer Induktion empfindlich und geeignet sind, die Position des in Bewegung befindlichen Körpers in Abhängigkeit der Paare der Induktionswerte der zwei Komponenten der magnetischen Induktion zu bestimmen.
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Bei einer Ausführungsvariante sind die Mittel zur Erzeugung der magnetischen Induktion mit Hilfe eines Stabmagneten realisiert, der parallel zum Weg des in Bewegung befindlichen Körpers angeordnet ist. Nach dieser Variante ist der Weg des in Bewegung befindlichen Körpers durch die Länge des Magneten begrenzt, da die magnetische Induktion an den Enden des Stabmagneten schnell abnimmt. Darüber hinaus beträgt die maximale Änderung der Richtung der magnetischen Induktion theoretisch 180°, in der Praxis liegt sie jedoch unter 100°, was den Erfassungsbereich begrenzt. Schließlich ist ein solcher Sensor gegenüber einem Magnetisierungsfehler des Stabes sehr anfällig, da ein Magnetisierungsfehler von 3° zu einem 3 %-igen Fehler bei einer Änderung von 100° führt.
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Bei einer weiteren Ausführungsvariante sieht dieses Patent vor, die Mittel zur Erzeugung der magnetischen Induktion durch zwei diametral und schraubenförmig entgegengesetzt magnetisierte Stabmagnete zu realisieren. Die Herstellung dieser Stabmagneten ist relativ aufwendig. Darüber hinaus sind diese Stabmagnete sperrig und schwer in den Verschiebeweg des in Bewegung befindlichen Körpers zu integrieren. Der Weg des in Bewegung befindlichen Körpers ist zwangsläufig kürzer als die Länge dieser Stabmagneten. Schließlich ist ein solches System nicht axialsymmetrisch, wodurch dessen Verwendung an einem nicht drehverriegeltem, in Bewegung befindlichen Körper nicht möglich ist.
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Aus der
DE 690 00 943 T2 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Größe und der Richtung einer relativen Verlagerung zweier Gegenstände bekannt, die unter anderem eine Aufeinanderfolge magnetischer Nord- und Südpole umfasst.
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Die
DE 102 13 508 A1 betrifft eine Bewegungserfassungsvorrichtung unter Verwendung einer magnetoresistiven Einheit, die zum Beispiel als Raddrehzahlsensor verwendet werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, die oben genannten Nachteile dadurch zu beheben, dass sie einen berührungslosen Magnetsensor vorschlägt, der geeignet ist, die Positionen eines in Bewegung befindlichen Körpers zu bestimmen, der sich entlang einem bestimmten Weg bewegt, welcher länger als die Länge der Mittel zum Erzeugen der magnetischen Induktion ist, wobei dieser Sensor einfach aufgebaut ist, kostengünstig ist, einen geringen Platzbedarf aufweist und mit einem linearen Änderungsbereich des relativ hohen Magnetflusses und von dem Arbeitsluftspalt praktisch unabhängig funktionieren kann.
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Um ein solches Ziel zu erreichen, weist der Magnetsensor zum Bestimmen der Position eines in Bewegung befindlichen Körpers, der sich auf einem bestimmten Weg entlang einer Bahn bewegt, auf:
- - Erzeugungsmittel, die, zumindest über den Weg des in Bewegung befindlichen Körpers, die Erzeugung einer magnetischen Induktion mit zwei zueinander senkrechten Komponenten, von denen die eine zu der Bahn senkrecht verläuft, sicherstellen, wobei diese zueinander senkrechten Komponenten jeweils im Wesentlichen wie zum Sinus und Kosinus eines Winkels proportionale Funktionen variieren, und
- - Messmittel, die gegenüber den zwei zueinander senkrechten Komponenten magnetischer Induktion empfindlich sind und die Position des in Bewegung befindlichen Körpers auf seinem Weg in Abhängigkeit der Paare der Induktionswerte der zwei Komponenten bestimmen, wobei die Erzeugungs- oder die Messmittel dazu bestimmt sind, mit dem in Bewegung befindlichen Körper verbunden zu werden, um sich relativ zueinander zu bewegen. Erfindungsgemäß umfassen die Mittel zur Erzeugung einer magnetischen Induktion wenigstens zwei Magneten, deren magnetische Achsen entgegengesetzte Richtungen aufweisen und sich dabei in einer gleichen linearen Richtung erstrecken, die zu der linearen Bahn parallel oder die Kreisbahn berührend verläuft.
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Bei einer Ausführungsvariante umfassen die Messmittel eine Detektionszelle, die gegenüber Komponenten magnetischer Induktion, welche zueinander senkrecht verlaufen und wie zum Sinus und Kosinus eines Winkels proportionale Funktionen variieren, empfindlich ist, wobei diese Zelle mit Mitteln zum Verarbeiten der durch die Zelle gelieferten Ausgangssignale verbunden ist, um die Position des in Bewegung befindlichen Körpers für jeden Winkel der zum Sinus und Kosinus proportionalen Funktionen zu bestimmen.
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Beispielsweise gewährleisten die Erzeugungsmittel die Änderung des Winkels über einen Bereich mit einer Breite kleiner oder gleich 2π, der im Wesentlichen dem Weg des in Bewegung befindlichen Körpers entspricht.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Mittel zur Erzeugung der magnetischen Induktion wenigstens zwei Magneten, die entlang der Bahn um einen Abstand voneinander entfernt sind, welcher kleiner als der Weg des in Bewegung befindlichen Körpers ist.
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Bei einem ersten Anwendungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung gewährleisten die Erzeugungsmittel die Erzeugung einer zu einer linearen Bahn senkrechten Komponente sowie einer zu dieser linearen Bahn parallelen Komponente.
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Bei einem zweiten Anwendungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung gewährleisten die Erzeugungsmittel die Erzeugung einer zu einer Kreisbahn senkrechten Komponente sowie einer zu dieser Kreisbahn tangentialen Komponente.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist jeder Magnet in Form eines Rings ausgebildet, wobei die magnetischen Achsen der Magneten sich senkrecht zu der Bahn, jedoch in entgegengesetzten Richtungen erstrecken.
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Beispielsweise sind die Mittel zur Erzeugung der magnetischen Induktion an dem in Bewegung befindlichen Körper angebracht.
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Verschiedene weitere Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor, die als nicht einschränkend zu verstehende Beispiele Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung zeigen.
- 1A ist ein Schema, welches das Funktionsprinzip eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetsensors zeigt.
- 1B ist ein Diagramm, welches das Profil der Komponenten der durch das Messmittel erfassten magnetischen Induktion über den Weg eines in Bewegung befindlichen Körpers zeigt.
- 1C zeigt an einem trigonometrischen Kreis den anhand der Komponenten der Induktion bestimmten Winkel.
- 2 zeigt auf schematische Weise eine weitere Ausführungsvariante der magnetischen Induktion mit einer Rotationssymmetrie.
- Die 3 und 4 sind eine Perspektivansicht und eine Draufsicht, die eine Ausführungsvariante eines Sensors zum Bestimmen der Winkelstellung eines in Bewegung befindlichen Körpers, der sich entlang einer Kreisbahn bewegt, veranschaulichen.
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Wie genauer aus den 1A bis 1C hervorgeht, betrifft der Gegenstand der Erfindung einen Magnetsensor 1, welcher geeignet ist, die Position eines in Bewegung befindlichen Körpers 2 im allgemeinen Sinn, der sich entlang einer Achse oder einer Bewegungsbahn T bewegt, zu bestimmen. In dem in 1A gezeigten Beispiel bewegt sich der in Bewegung befindliche Körper 2 entlang einer Verschiebe- oder linearen Bahn T. Nach diesem Beispiel ist der in Bewegung befindliche Körper 2 von jedweder Art von Organ mit einem linearen Weg gebildet, das vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, Teil einer Vorrichtung ist, mit der ein Kraftfahrzeug ausgestattet ist, und vorzugsweise einer Bremseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Der Magnetsensor 1 umfasst Mittel 3 zum Erzeugen -wenigstens über den Weg des in Bewegung befindlichen Körpers 2 - einer magnetischen Induktion, die geeignet ist, durch gegenüber der magnetischen Induktion empfindliche Messmittel 5 erfasst zu werden. Bei dem in 1A dargestellten Beispiel sind die Mittel 3 zum Erzeugen der magnetischen Induktion mit dem in Bewegung befindlichen Körper 2 verbunden, so dass die Messmittel 5 fest sind. Selbstverständlich kann eine umgekehrte Anordnung vorgesehen sein, bei der die Erzeugungsmittel 3 fest sind, während die Messmittel 5 dadurch, dass sie mit dem in Bewegung befindlichen Körper 2 verbunden sind, beweglich sind.
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Die Mittel 3 erzeugen eine magnetische Induktion, die zwei zueinander senkrechte Komponenten aufweist, von denen die eine zu der Bahn T senkrecht verläuft. Bei dem in den 1A und 1B dargestellten Beispiel weist die magnetische Induktion eine zur Bahn T senkrechte normale Komponente BN und eine zur Bahn T parallele Komponente BT auf. Diese beiden Komponenten, die normale Komponente BN und die parallele Komponente BT, variieren im Wesentlichen wie Funktionen, die zum Sinus und zum Kosinus eines Winkels φ proportional sind. 1B ermöglicht, die normale Komponente BN und die parallele Komponente BT zu veranschaulichen, die somit über wenigstens den gesamten Weg C des in Bewegung befindlichen Körpers 2 um einen Winkel gleich π/2 zueinander phasenverschoben sind. Wie genauer aus 1C hervorgeht variiert der Winkel φ zwischen dem Ausgangspunkt D und dem Ankunftspunkt A zwischen einem Winkel größer -π/2 und einem Winkel kleiner π/2 (beispielsweise = -π/3 und π/3). Jeder Position P des in Bewegung befindlichen Körpers zwischen dem Ausgangspunkt D und dem Ankunftspunkt A entspricht somit ein bestimmter Winkel φ für die normale Komponente BN und die parallele Komponente BT.
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Die Messmittel 5 sind gegenüber den zwei zueinander senkrechten Komponenten magnetischer Induktion BN, BT empfindlich. Diese Messmittel 5 liefern ein elektrisches Signal, das zu dem Winkel φ und folglich zu der Relativbewegung zwischen den Messmitteln 5 und den Mitteln 3 zur Erzeugung der magnetischen Induktion proportional ist. Die Messmittel 5 ermöglichen somit, die Position des in Bewegung befindlichen Körpers 2 auf seinem Weg C in Abhängigkeit der Wertepaare der zwei Induktionskomponenten zu bestimmen.
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Die Messmittel 5 umfassen wenigstens eine Detektionszelle, die gegenüber den zwei Komponenten magnetischer Induktion, welche zueinander senkrecht verlaufen und wie zum Sinus und Kosinus eines Winkels proportionale Funktionen variieren, empfindlich ist. Eine solche empfindliche Detektionszelle kann beispielsweise durch Verbinden von zwei Halleffekt-Elementen gebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, diese Messmittel 5 unter Verwendung der magnetoresistiven Technologie auszubilden. Diese Zelle ist mit Mitteln zum Verarbeiten der durch die Zelle gelieferten Ausgangssignale verbunden, um die Position des in Bewegung befindlichen Körpers für jeden Winkel φ der zum Sinus und Kosinus proportionalen Funktionen zu bestimmen. Die Verarbeitung der Ausgangssignale der Detektionszelle besteht darin, den Winkel φ an jedem der Bewegungspunkte des in Bewegung befindlichen Körpers mit Hilfe beispielsweise einer Tabelle der Arkustangens-Funktion zu bestimmen.
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Vorteilhafterweise gewährleisten die Erzeugungsmittel 3 die Änderung des Winkels φ über einen Bereich mit einer Breite kleiner oder gleich 2π, der im Wesentlichen dem Weg C des in Bewegung befindlichen Körpers 2 entspricht.
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Gemäß der Erfindung umfassen die Mittel 3 zur Erzeugung der magnetischen Induktion wenigstens zwei Magneten 31, 32, die um ein zwischen den Symmetrieachsen der Magneten genommenes Maß gleich L voneinander beabstandet angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist der Abstand L zwischen den Magneten 31, 32 kleiner als der Weg C des in Bewegung befindlichen Körpers.
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Wie in 1A dargestellt sind die zwei Magneten 31, 32 entgegengesetzt angebracht, d.h. dass sich die magnetischen Achsen x der Magneten entlang einer gleichen linearen Richtung, jedoch in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Nach dieser Variante sind die Flüsse der zwei Magneten 31, 32 folglich entlang einer gleichen, zur Bahn T parallelen Richtung entgegengesetzt. Mit anderen Worten gesagt besitzen die zwei Magneten 31, 32 entgegengesetzt gerichtete Magnetisierungsrichtungen, die entlang einer gleichen, zur Bahn T parallelen Richtung ausgerichtet sind.
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Bei dem in 1A dargestellten Beispiel sind die Magneten 31, 32 - bezogen auf die Bahn T - auf der gleichen Seite des in Bewegung befindlichen Körpers angeordnet. Mit anderen Worten gesagt sind die Magneten nicht symmetrisch zur Bahn T angeordnet.
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2 zeigt eine Ausführungsvariante einer magnetischen Induktion mit zwei Komponenten BN und BT, die eine Rotationssymmetrie gegenüber der Bahn T aufweisen. Diese Variante ist besonders für einen in Bewegung befindlichen Körper geeignet, der auch die Fähigkeit aufweist, sich um seine Verschiebungsachse T zu drehen. Nach diesem Beispiel umfassen die Erzeugungsmittel 3 zwei Magneten 31, 32, die in Form von zwei Ringen vorliegen, welche im Abstand voneinander koaxial angebracht sind und deren Magnetisierungen in entgegengesetzten Richtungen parallel zur Bahn T verlaufen und zueinander ausgerichtet sind.
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In den vorhergehenden Beispielen ist der Magnetsensor ausgelegt, um die Position eines in Bewegung befindlichen Körpers, der sich entlang einer linearen Richtung bewegt, zu bestimmen.
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Die 3 und 4 zeigen eine Ausführungsvariante eines Magnetsensors 1, der ausgelegt ist, um die Winkel- oder Drehstellung eines in Bewegung befindlichen Körpers 2, der sich auf einer Kreisbahn T um einen Mittelpunkt O bewegt, zu bestimmen. Nach dieser Ausführungsvariante gewährleisten die Mittel 3 zur Erzeugung einer magnetischen Induktion die Erzeugung einer zu der Kreisbahn T senkrechten normalen Komponente BN sowie einer zu dieser Kreisbahn tangentialen Komponente BT. Die Messmittel 5 sind angebracht, um die normale Komponente BN und die parallele Komponente BT der magnetischen Induktion zu erfassen. Die Erzeugungsmittel 3 sind durch zwei Magneten 31, 32 gebildet, die entgegengesetzt angeordnet sind, so daß sich die magnetischen Achsen der zwei Magneten entgegengesetzt und entlang einer gleichen Richtung erstrecken, die zur Linie der in der Mitte der zwei Magneten verlaufenden Bahn senkrecht verläuft. In dem dargestellten Beispiel sind die Magneten 31, 32 an dem in Bewegung befindlichen Körper 2 befestigt, während die Zelle 5 fest ist. Es kann vorgesehen sein, die Position der Magneten und der Zelle umzukehren.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Beispiele begrenzt, da hieran verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
