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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von Verfahren und Vorrichtungen zur Positionserfassung.
Neben optischen Sensoren werden magnetische Sensoren zur Positionserfassung
verwendet. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Positionserfassung
mittels Magnetsensoren.
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Es
ist bekannt, ein Magnet/Sensorpaar zur Positionserfassung zu verwenden,
wobei der Magnet und der Sensor relativ zueinander bewegt werden
und der Sensor zur Positionserfassung das Feld des Magneten misst.
In zahlreichen Anwendungen wird das Sensorsignal nicht verwendet,
um einen Abstandswert oder einen Winkelbereich zu ermitteln, sondern
zur diskreten Positionserfassung, bei der aus dem Sensorsignal das Vorliegen
einzelner, diskreter Positionen (d. h. Stellungen des Magneten relativ
zum Sensor) ermittelt wird.
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Es
ist bekannt, Magnete mit spezieller Magnetisierungsstruktur zu verwenden,
Wobei die Struktur beispielsweise Polwechsel an spezifischen Stellen
aufweist, die wiederum als Auslöser
für den
Sensor dienen. Bei Magnetsensoren gemäß dem Stand der Technik werden
Polwechsel betrachtet, d. h. der Wechsel von Süd- zu Nordmagnetisierungen
und umgekehrt, wobei diese in den Magnetsensoren einen Nulldurchgang
verursachen. Daher werden als Magnetsensoren vorzugsweise Hallelemente
verwendet, deren Vorzeichenwechsel angibt, dass ein Polwechsel unmittelbar über dem
Sensor vorliegt.
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Insbesondere
bei der Verwendung von komplexeren Magnetisierungsstrukturen, die
zu einer Vielzahl von diskreten Stellungen verwendet werden, ergeben
sich daher große
Abmessungen, da jede Stellung mindestens einen Polwechsel an anderer
Stelle des Magneten erfordert und der Magnet auf Grund der resultierenden
Komplexität
gemäß dem Stand
der Technik verschiedene Magnetstreifen verwendet, deren Poldurchgänge zueinander
in Längsrichtung
des Streifens versetzt sind, um so die Stellung binär zu codieren.
Da die Auslösepunkte
Polwechseln entsprechen und der gesamte Streifen magnetisiert ist,
ergeben sich Minimalgrößen für die Magnetisierungsstruktur.
Die Polwechsel können
auf Grund der Materialeigenschaften der Magnetstreifen und des Verlaufs
des Feldes nicht beliebig dicht aneinander gesetzt werden. Zum einen
muss ein Sicherheitsabstand zwischen Magnetstreifen eingehalten
werden, um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden, und zum
anderen müssen
dadurch, dass das magnetische Material den Fluss bündelt, die
Polwechsel der einzelnen Streifen einen Mindestabstand zueinander
aufweisen. Zudem ergibt sich die Notwendigkeit, dass das gesamte
Material magnetisiert ist, da ansonsten kein definierter Polwechsel
von dem Magnetmaterial vorgesehen wird und zudem Platz für magnetische
Codierungen auf dem magnetischen Material ungenutzt bleibt.
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Zusammengefasst
ergeben sich bei der Verwendung von diskreten Positionserfassungsmechanismen,
die auf Magnetsensoren und Magnetstreifen basieren, relativ große Baugrößen, die
in zahlreichen Anwendungen, insbesondere bei der Erfassung von Getriebestellungen
nachteilig sind. Insbesondere erlauben die Positionssensoren nach
dem Stand der Technik keine weitergehende Miniaturisierung und haben
einen unerwünscht
hohen Platzbedarf.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
vorzusehen, mit denen sich magnetbasiert diskrete Positionen bei
geringem Platzbedarf des Sensors erfassen lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht
eine deutliche Reduktion des Platzbedarfs von Magnetsensoren. Das
erfindungsgemäße Verfahren
und der erfindungsgemäße magnetische
Positionssensor erlauben eine deutlich höhere Codierungsdichte, d. h.
eine deutlich höhere
Flächendichte
der Strukturmerkmale der Magnetisierungsstruktur. Dadurch kann eine
große
Anzahl von verschiedenen Stellungen mit Magneten und Sensoren erfasst werden,
die im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich geringere Größe aufweisen.
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende Konzept ist es, anstatt einen Polwechsel
(der die Magnetisierung des gesamten Magnetelements erfordert) zu
erfassen, zu ermitteln, ob die magnetische Flussdichte über einem
Schwellwert größer null
liegt oder nicht.
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Dadurch
wird beispielsweise bei einem Südpol
oberhalb der durch den Schwellwert festgelegten Flussdichte ein
Aktivierungssignal bzw. positives Signal des zugehörigen Sensors
bzw. der Sensoren abgegeben, wobei nicht magnetisierte Bereiche
und Nordpole der Magnetisierungsstruktur keine Flussdichte über dem
Schwellwert erzeugen. Es ist daher möglich, auch nicht magnetisierte
Bereiche zur Darstellung der für den
Sensor relevanten Magnetisierungsstruktur zu verwenden. Die Magnetisierungsstruktur
ergibt sich durch einen Wechsel von Südpol auf der einen Seite und
Nordpol oder einem nicht magnetisierten Bereich auf der anderen
Seite. Nicht magnetisierte Bereiche haben somit nicht mehr den Nachteil,
einen undefinierten Zustand hervorzurufen, sondern können zur
Codierung verwendet werden, wodurch die Codierungsdichte und die
Flexibilität
erhöht
wird. In gleicher Weise können
auch Sensoren verwendet werden, bei denen ein Nordpol mit ausreichender
Flussdichte den Sensor aktiviert bzw. den Sensor dazu veranlasst,
ein positives Signal auszugeben, wohingegen Südpole und nicht magnetisierte
Bereiche ein negatives Signal, d. h. eine Flussdichte unterhalb
des Schwellwerts hervorrufen. Während
im Stand der Technik nicht magnetisierte Bereiche unerwünschte Zustände hervorrufen,
da im Stand der Technik als Erfassungskriterium ein Polwechsel (gleichbedeutend
mit einem Schwellwert von null) für die Positionserfassung ausschlaggebend
ist, ermöglicht
die Erfindung eine Definition der Magnetisierungsstruktur, die auch
nicht magnetisierte Bereiche umschließt, ohne dass dadurch zweideutige
bzw. fehleranfällige
Zustände
hervorgerufen werden. Die Magnetisierungsstruktur kann einfacher
hergestellt werden, insbesondere mit einer höheren Codierungsdichte als
beim Stand der Technik. Zusätzlich
ermöglicht
die erfindungsgemäße Verwendung
von Magnetisierungsstrukturen, die auch nicht magnetisierte Bereiche
umfassen, eine deutlich höhere
Flexibilität
bei der Gestaltung der Magnetisierungsstruktur. Dies ist ein Grund
dafür,
dass sich mit der Erfindung auch flexiblere Baugrößen erstellen
lassen.
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Die
erfindungsgemäße konzentriertere
und in ihrer Ausgestaltung flexiblere Magnetisierungsstruktur wird
kombiniert mit der erfindungsgemäßen Anordnung
der Magnetsensoren, die in Längsrichtung
der Magnetisierungsstruktur zueinander versetzt sind oder auch hintereinander
liegen. Während
im Stand der Technik ein Polwechsel bei der Bewegung des Magnetelements
nur einmal abgefragt wird, nämlich
an der Stelle des Schaltpunkts, ermöglicht der Versatz von Magnetsensoren
in Längsrichtung
mindestens eine zusätzliche
Codierung pro Längsstruktur
der Magnetisierungsstruktur. Dadurch, dass die Magnetsensoren in
Längsrichtung zueinander
versetzt sind, d. h. in einer Längsspur
hintereinander liegen oder verschiedene Längsspuren in Längsrichtung
zueinander versetzt sind, können
die Positionen in der Magnetisierungsstruktur deutlich kompakter
codiert werden. Die gezielte Verwendung von nicht magnetisierten
Bereichen ermöglicht
insbesondere diese komprimiertere Codierung, da weniger Vorbedingungen
für die
Erstellung der Magnetisierungsstruktur gelten. Insbesondere diese
Vorbedingungen ergeben sich beim Stand der Technik aus der Tatsache,
dass dort die Magnetsensoren auf Polwechsel sensibilisiert sind
und daher keine nicht magnetisierten Bereiche zulässig sind.
Darüber
hinaus müssen
bei der erfindungsgemäßen Magnetisierungsstruktur
keine Sicherheitsabstände eingehalten
werden, die bei der Verwendung von ausschließlich magnetisierten Bereichen
zur Darstellung von Polwechseln notwendig sind. Insbesondere ist
es bei Strukturen gemäß dem Stand
der Technik auf Grund dieser Vorgaben nicht möglich, eine Vielzahl von Schaltpunkten
dicht hintereinander in Längsrichtung
zu setzen, wohingegen insbesondere die Erfindung diese Komprimierung
zulässt
und zudem durch den Versatz der Magnetsensoren in Längsrichtung
es ermöglicht,
den Sensor an diese Komprimierungsmöglichkeit anzupassen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur diskreten Positionserfassung mittels Magnetsensoren umfasst daher
das Vorsehen eines Magnetelements mit vorbestimmter Magnetisierungsstruktur
und mindestens zweier Magnetsensoren. Das Magnetelement kann in
Form von mehreren zueinander parallelen Streifen aus magnetischem
Material vorgesehen sein. Das magnetische Material lässt sich
magnetisieren, so dass eine wesentliche koerzitive Feldstärke verbleibt,
wenn das Magnetelement einem äußeren Magnetisierungsfluss
ausgesetzt war. Das Magnetelement kann mehrere Streifen magnetischen
Materials umfassen sowie eine Einfassung für die Streifen, beispielsweise
aus Kunststoff, in denen die Magnetelemente eingebracht sind. Die
Verteilung der verbleibenden Koerzitivfeldstärke definiert die Magnetisierungsstruktur.
Umfasst das Magnetelement ein oder mehrere Streifen, so werden diese
vorzugsweise senkrecht zu ihrer Erstreckungsebene magnetisiert.
Die Magnetisierungsrichtung steht im Wesentlichen senkrecht zur
Erstreckungsfläche
des Magnetsensors.
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Als
Magnetsensor eignen sich insbesondere Hallelemente oder Hallwiderstände, die
ein Signal abhängig
von der Flussdichte abgeben, die in dem Sensor herrscht. Die Flussdichte
wird wie oben beschrieben von dem Magnetelement erzeugt. Als Magnetsensoren
können
insbesondere unipolare Magnetsensoren verwendet werden, die ein
Hallelement und eine zugehörige
Auswertung (beispielsweise in Form eines Vergleichers, beispielsweise
eines Schmitt-Triggers) umfassen. Die Auswertung und der Vergleich
können
mit einer Hysterese versehen sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, das Magnetelement (welches eine Anordnung mehrerer Magnetstreifen
oder anderer Magnetkörper
umfassen kann) gemäß einer
vorliegenden Position anzuordnen. Diese Anordnung wird vorgesehen
beispielsweise durch Befestigen des Magnetelements an einem Körper, dessen
Position vom Sensor zu erfassen ist. Gemäß einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Magnetelement innerhalb eines Getriebes angeordnet,
um die Getriebestellung zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sind insbesondere zur Anwendung im Kraftfahrzeugbereich geeignet.
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Mittels
der Magnetsensoren wird die magnetische Flussdichte erfasst, die
von dem Magnetelement (welches aus mehreren Magnetkörpern wie
Streifen bestehen kann) erfasst. Die Magnetsensoren sind in einer vorbestimmten
Anordnung zueinander vorgesehen, beispielsweise durch Montage der
Magnetsensoren auf einem gemeinsamen Träger, beispielsweise einer Leiterplatte.
Die Magnetsensoren sind erfindungsgemäß in einer Längsrichtung
der Magnetisierungsstruktur zueinander versetzt. Insbesondere während des üblichen Betriebs
gemäß der Anwendung
des Verfahrens wird das Magnetelement in einer Richtung bewegt,
die parallel zu der Längsrichtung
ist. Das Anordnen des Magnetelements entspricht vorzugsweise einer
translatorischen Bewegung. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch für
Rotationsbewegungen verwendet werden, beispielsweise wenn ein Drehwinkel
oder eine Winkelstellung zu erfassen ist. In diesem Fall wird die
Längsrichtung
durch eine Tangentialrichtung einer Kreisbewegung ersetzt. Insbesondere
bei der Erfassung von Drehbewegungen erstreckt sich das Magnetelement
entlang einem Kreisabschnitt, wobei die Sensoren in gleicher Weise
entlang eines Kreisabschnitts angeordnet sind. Der Versatz der Magnetsensoren entspricht
in diesem Fall nicht einem Längsversatz
sondern einer Winkeldifferenz.
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Erfindungsgemäß wird die
magnetische Flussdichte durch das Hallelement in ein Signal umgewandelt (beispielsweise
ein Spannungs- oder Widerstandssignal), das mit einem Schwellwert
zwischen null und einem Maximalwert verglichen wird. Der Schwellwert
ist insbesondere um einen Minimalsicherheitsabstand größer als
null, wobei der Minimalsicherheitsabstand übliche magnetische Störungen der
Umgebung, beispielsweise durch das Erdmagnetfeld, aufnimmt und einen
zusätzlichen
Abstand für
den Wert vorsieht. Insbesondere ist der Schwellwert deutlich größer als
der Schwellwert, der bei Erfassungen eines Flussdichte-Nulldurchgangs verwendet
wird, d. h. größer als
null.
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Das
Ergebnis des Vergleichs wird als binäres Signal abgegeben. Für jeden
Magnetsensor wird das sich aus der jeweiligen Flussdichte ergebende
Signal mit dem gleichen Schwellwert verglichen. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform
sind die Schwellwerte der jeweiligen Magnetsensoren an die entsprechende
Magnetisierungsstruktur angepasst, so dass geringer magnetisierte
Strukturabschnitte mit einem kleineren Schwellwert verknüpft sind,
als stark magnetisierte Abschnitte. Insbesondere kann ein Abgleich
mit Randgebieten durch entsprechende Wahl des Schwellwerts vorgesehen
werden, wenn in den Randgebieten das dort vorliegende Magnetmaterial
mit einer anderen Magnetisierungsstärke beaufschlagt ist als Bereiche,
die nicht im Randbereich liegen.
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Die
Magnetisierungsstruktur ist derart gewählt und zu der Anordnung der
Magnetsensoren ausgerichtet, dass sich für jede einzelne Position ein
anderes binäres
Signal ergibt. Das binäre
Signal setzt sich aus allen Vergleichsergebnissen der Magnetsensoren
für diese
Position zusammen. Die Strukturierung kann gemäß einer Vielzahl von Codes
strukturiert werden, beispielsweise in der Form eine Gray-Codes.
In einem nachgeordneten Zuordnungsschritt kann das binäre Signal,
das dem an den Sensoren anliegenden Magnetisierungsmuster entspricht,
in ein Positionssignal umgewandelt werden.
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Vorzugsweise
werden die Flussdichten mittels unipolarer Magnetelemente erfasst,
welche den Schwellwert vorsehen. Unipolare Magnetelemente umfassen
ein Hallelement und eine zugehörige
Auswertungsschaltung (beispielsweise einen Schmitt-Trigger), dessen
Konfiguration den Schwellwert vorgibt. Alternativ können unipolare
Magnetelemente verwendet werden, deren Schwellwert sich von außen justieren
lässt. Ferner
werden die jeweiligen Flussdichten durch Vergleichen von Ausgangssignalen
der Magnetsensoren mit dem Schwellwert erfasst, wobei beispielsweise
der Schwellwert durch eine Schwellwertquelle vorgesehen sein kann.
Als Schwellwertquelle eignet sich insbesondere eine konstante Spannungsquelle.
Somit können
auch analog erfassende, wertkontinuierliche Hallelemente verwendet
werden, die zunächst
die Flussdichte in ein Spannungssignal umwandeln (oder auch in ein
Widerstandssignal, falls Hallwiderstände oder AMR-Elemente verwendet
werden). Zudem können
die einzelnen Ausgangssignale der Magnetsensoren in einem nachgelagerten
Schritt miteinander kombiniert werden, um beispielsweise ein paralleles
oder serielles binäres
Datensignal abzugeben, das den Aktivierungszustand der einzelnen
Elemente wiedergibt, oder um daraus einen numerischen Positionswert
vorzusehen, der der Anordnung der Magnetsensoren und der Magnetisierungsstruktur
Rechnung trägt.
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Der
verwendete Schwellwert ist größer als
null, insbesondere größer als
null plus einer Sicherheitsmarge, die Störungen durch äußere Magnetfelder
ausblendet. Der Schwellwert ist kleiner als ein Maximalwert, der
beispielsweise der maximal zu erfassenden Flussdichte entspricht,
die die Sensoren durch optimale Ausrichtung des Magnetelements zu
den Sensoren oder zu einem Sensor erfassen können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Mittelwert verwendet, der sich durch Mittelung der Summe
von Maximalwert und null ergibt, d. h. die Hälfte des Maximalwerts. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
entspricht der Schwellwert dem Mittelwert von Maximalwert und Sicherheitsmarge.
Grundsätzlich
kann der Schwellwert konstant sein oder kann über die Zeit und gegebenenfalls
auch mit der Position geändert
werden, um die Erfassungsfehlerrate zu minimieren. Insbesondere
kann der Schwellwert verringert werden, wenn die Koerzitivkraft des
Magnetelements mit der Zeit durch Alterung nachlässt.
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Die
Magnetsensoren sind zueinander versetzt angeordnet, beispielsweise
entlang einer Zeile, die entlang der Längsrichtung des Magnetelements
verläuft.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
sind die Magnetsensoren unterschiedlichen Längsabschnitten der Magnetisierungsstruktur
zugeordnet und sind somit in einer Richtung versetzt, die senkrecht
zur Längsrichtung
ist und in der Ebene liegt, in der die Magnetsensoren angeordnet
sind. Die Magnetsensoren sind in mindestens einer sich entlang der
Längsrichtung
erstreckenden Zeile angeordnet. Bei mehreren untereinander liegenden
Zeilen sind diese unterschiedlichen Längsabschnitten zugeordnet.
Die Anordnung von Zeilen untereinander entspricht der Anordnung
von Magnetelementen versetzt in eine Richtung, die senkrecht zur
Längsrichtung
ist und in der Ebene liegt, in der die Magnetsensoren angeordnet
sind. Grundsätzlich
ist auch eine Anordnung der Magnetsensoren in Form einer Matrix
möglich,
die parallel zum Magnetelement verläuft. Vorzugsweise sind jedoch
nicht alle Stellen der Matrix (d. h. periodische Anordnung von Rechtecken)
mit Sensoren besetzt, sondern nur einige. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird das binäre
Signal als mehrstellige Aneinanderreihung der Ergebnisse der Vergleiche
vorgesehen. Die Vergleiche werden durch den Magnetsensor selbst
oder durch einen nachgeschalteten Vergleicher erstellt, wobei das
binäre
Signal alle Signale der Magnetsensoren der gleichen Position beispielsweise
als paralleles Ausgangssignal zusammenfasst. Die Magnetsensoren
sind angeordnet und die Magnetisierungsstruktur ist ausgebildet,
um jeder Position aller zu erfassenden diskreten Positionen ein
anderes binäres
Signal zuzuordnen, das von den Magnetsensoren erzeugt wird. Als
diskrete Positionen werden unmittelbar aneinander liegende Streckenabschnitte
bezeichnet, die von dem Magnetelement überstrichen werden können.
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So
fügen sich
beispielsweise vier verschiedene, nacheinander liegende Positionen
aneinander, wobei zwischen jeder Position Zwischenpositionen vorgesehen
sind. Die sich ergebenden Streckenabschnitte, d. h. Positionen und
Zwischenpositionen, liegen unmittelbar aneinander. Jede einzelne
Position entspricht hierbei einem bestimmten Streckenabschnitt,
die in Längsrichtung
orientiert sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird die Magnetstruktur derart vorgesehen und die
Magnetsensoren werden derart angeordnet, dass bei jeder Position
mindestens ein Magnetsensor einen magnetischen Fluss größer als
der Schwellwert erfasst. Dies lässt
sich durch Anordnung der Magnetsensoren erreichen, durch die Platzierung
und die Anzahl von magnetisierten Abschnitten in der Magnetisierungsstruktur und
durch eine Kombination dieser Magnetsensor- und Magnetelementmerkmale.
Dadurch kann erfasst werden, wenn durch einen Fehler das Magnetelement
nicht mehr in seiner Arbeitsposition ist. Beispielsweise kann in
diesem Fall ein Fehlersignal dann ausgegeben werden, wenn alle Magnetsensoren
eine Flussdichte erfassen, die unter dem jeweiligen Schwellwert
liegt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird vorzugsweise im Antriebsbereich eines Kraftfahrzeugs verwendet,
insbesondere zur Erfassung der Getriebestellung in einem Kfz-Getriebe. Hierbei
sind die Magnetsensoren an einem feststehenden Abschnitt eines Getriebes
angeordnet und das Magnetelement ist an einer Getriebestellvorrichtung
des Getriebes angeordnet. Der Montageort der Magnetsensoren ist
somit gegenüber
der beweglichen Getriebestellvorrichtung feststehend. Getriebestellvorrichtung
und der Abschnitt, an dem die Magnetsensoren angeordnet sind, sind
somit relativ zueinander beweglich durch eine Bewegung der Getriebestellvorrichtung.
In diesem Fall wird das Magnetelement angeordnet durch Betätigen der
Getriebestellvorrichtung, beispielsweise durch einen Fahrer. Die
Betätigung
der Getriebestellvorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung
entspricht der Eingabe eines Fahrwunsches, der von dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst
wird.
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Ein
dem Verfahren zugehöriger
magnetischer Positionssensor zur diskreten Positionserfassung umfasst
gemäß der Erfindung
ein Magnetelement mit vorbestimmter Magnetisierungsstruktur in Längsrichtung, mindestens
zwei Magnetsensoren sowie eine Längsführung, die
Magnetsensoren und Magnetelement verbindet. Dies ermöglicht eine
translatorische Relativbewegung zwischen Magnetelement und Magnetsensoren bzw.
zwischen Magnetelement und Träger
der Magnetsensoren. Die Längsführung bietet
ein translatorisches Lager, das das Führen des Magnetelements an
den Sensoren vorbei ermöglicht.
Die Magnetsensoren sind erfindungsgemäß in Längsrichtung zueinander versetzt,
und die Magnetsensoren weisen entweder interne Vergleicher (unipolare
Magnetsensoren) oder Vergleicher außerhalb des Magnetsensors auf.
Vergleicher bzw. Magnetsensor mit Schwellwert sind eingerichtet,
die Signalstärke
(beispielsweise in Form einer analogen Spannung) mit einem Schwellwert
zu vergleichen, äquivalent
zu dem Schwellwert, den die unipolaren Magnetsensoren aufweisen.
Der Positionssensor umfasst ferner eine Ausgabe, die die Vergleichsergebnisse
als binäres
Signal ausgibt. Die Ausgabe ist somit mit dem Ausgang der Vergleicher
bzw. mit dem Ausgang der unipolaren Magnetsensoren verbunden. Die
Magnetsensoranordnung und die Magnetstruktur sind derart ausgestaltet
und zueinander angepasst, dass das von der Ausgabe vorgesehene binäre Signal
eindeutig die vorliegende Position des Magnetelements bezogen auf
die Magnetsensoren wiedergibt.
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Die
Magnetstruktur ist in mehrere unterschiedlich strukturierte Abschnitte
aufgeteilt, beispielsweise in Streifen. Die Abschnitte erstrecken
sich entlang der Längsrichtung.
Pro Abschnitt (d. h. pro Streifen) umfasst der Positionssensor mindestens
einen Magnetsensor, wobei jeder Magnetsensor gegenüber einem
Abschnitt angeordnet ist. Gegenüber
jedem Abschnitt ist gleichermaßen
mindestens einer der Magnetsensoren angeordnet. Die Abschnitte sind
derart ausgewählt
und die Sensoren sind derart zu den Abschnitten angeordnet, dass
in jeder Position der Abschnitt gegenüber dem zugehörigen Magnetsensor
oder den zugehörigen
Magnetsensoren liegt. Die Magnetsensoren sind in mindestens einer
Zeile angeordnet, wobei die Magnetsensoren vorzugsweise in mehreren
Zeilen angeordnet sind, die untereinander liegen. Das von den Magnetsensoren
erfasste und von den Vergleichern ausgegebenen Signal wird als mehrstellige
Aneinanderreihung (eine Stelle pro Sensor) an der Ausgabe abgegeben.
Die Magnetsensoren und die Abschnitte der Magnetisierungsstruktur sind
derart unterschiedlich ausgebildet, dass jede Position ein anderes
binäres
Signal des Magnetsensors hervorruft. Der durch die binären Signale
aller Positionen ergebene Code ist beispielsweise ein Gray-Code.
Bevorzugt ist die Magnetstruktur des Magnetelements ausgebildet
und die Magnetsensoren sind zueinander und gegenüber dem Magnetelement angeordnet,
dass in jeder zu erfassenden Position, d. h. unabhängig von
der Verschiebestrecke des Magnetelements relativ zu den Sensoren,
mindestens ein Magnetsensor durch die Flussdichte der zugehörigen Magnetisierungsstrukturstelle
aktiviert ist und ein Signal ausgibt, das größer als der Schwellwert ist,
bzw. ein Aktivsignal ausgibt, das einer Flussdichte größer als
der Schwellwert entspricht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Positionssensor in dem Antriebsstrang eines
Kraftfahrzeugs verwendet. Eine erfindungsgemäße Getriebestellungs-Erfassungsvorrichtung
umfasst daher den magnetischen Positionssensor sowie eine mit der
Längsführung verbundene
Sensor-Befestigungsvorrichtung, an die die Magnetsensoren befestigt
sind. Die Magnetsensoren sind vorzugsweise auf einer Leiterplatte
montiert oder einem anderen Substrat, wobei die Leiterplatte oder
das Substrat selbst auf einer Halterung befestigt sind, mit der
sich die Sensoren an einem feststehenden Abschnitt des Getriebes
des Antriebsstranges befestigen lassen. Die erfindungsgemäße Getriebestellungs-Erfassungsvorrichtung
umfasst ferner eine mit der Längsführung verbundene
Magnetelement-Befestigungsvorrichtung, an der das Magnetelement
befestigt ist. Dies kann insbesondere vorgesehen werden durch ein
Gehäuse,
in dem magnetisches Material eingegossen ist. Die Magnetelement-Befestigungsvorrichtung
ist eingerichtet, an einer Getriebestellvorrichtung angeordnet zu
werden, so dass sich beim Betätigen
der Getriebestellvorrichtung das Magnetelement relativ zu den Magnetsensoren
bewegt, geführt
von der Längsführung. Die
Getriebestellvorrichtung ist zur Einstellung eines Getriebes relativ
zu dem feststehenden Abschnitt beweglich. Durch die Getriebestellvorrichtung
lässt sich
ein Fahrerwunsch des Fahrers durch Betätigen der Getriebestellvorrichtung
einstellen, wobei der erfindungsgemäße Positionssensor diese Stellung
der Getriebestellvorrichtung als Position erfasst und diese Position
einem Fahrerwunsch, der das Getriebe betrifft, entspricht. Die Einstellung
am Getriebe selbst kann durch eine damit elektronisch verbundene
Steuerung vorgesehen werden.
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Grundsätzlich können die
Magnetsensoren und die Magnetisierungsstruktur einem Code entsprechen,
der nicht nur die Position darstellt, sondern der auch Redundanz
umfasst, um verschiedene Positionen mit mehr als nur einem Informationsbit
zu unterscheiden.
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Der
Positionssensor kann ferner gekapselt werden, beispielsweise durch
eine fluiddichte Kapselung der Magnetsensoren, beispielsweise gegenüber einem
Automatik-Getriebeöl. Das Magnetelement
kann ebenso fluiddicht gekapselt sein oder kann beispielsweise inklusive
Gehäuse
für den
unmittelbaren Kontakt mit Automatik-Getriebeöl vorgesehen sein. Da die Positionserfassung
erfindungsgemäß berührungslos
verläuft, kann
zwischen dem Magnetelement und den Magnetsensoren Flüssigkeit
vorgesehen sein, insbesondere Automatik-Getriebeöl.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1a einen
Querschnitt eines erfindungsgemäßen Positionssensors
in einer ersten Position;
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1b einen
Querschnitt des erfindungsgemäßen Positionssensors
von 1a in einer zweiten Position; und
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2 eine
Draufsicht eines erfindungsgemäßen Positionssensors
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
der 1a ist ein magnetischer Positionssensor gemäß der Erfindung
dargestellt, der zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dient. Der Positionssensor umfasst ein Magnetelement 10 und
Magnetsensoren 20a, b, die auf derselben Halterung 30,
beispielsweise einer Leiterplatte, angebracht sind. Das Magnetelement 10 ist
gegenüber
den Magnetsensoren 20a, b gleitend mittels einer nicht
dargestellten Längsführung gelagert,
die das Magnetelement 10 in konstantem Abstand zu den Magnetsensoren 20a,
b hält.
Die Längsführung erlaubt
eine Bewegung des Magnetelements 10 relativ zu den Magnetsensoren 20a,
b in Richtung L. In einer ersten Position P1, die in 1a dargestellt
ist, steht das Magnetelement 10 gegenüber den Magnetsensoren 20a,
b auf der linken Seite über.
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Das
Magnetelement 10 hat eine Magnetisierungsstruktur mit einem
ersten Abschnitt 12a, bei dem ein als Nordpol magnetisierter
Abschnitt zu den Sensoren hingewandt ist, einen zweiten Abschnitt 12b,
der nicht magnetisiert ist, und einen dritten Abschnitt 12c,
der ebenfalls wie Abschnitt 12a einen Nordpol aufweist,
der zu den Magnetsensoren 20a, b hingewandt ist. Die Sensoren 20a,
b sind unipolare Sensoren, die bei einem Magnetfeld, das einem Nordpol
entspricht, aktiviert sind (beispielsweise durchschalten) und bei
fehlendem Magnetfeld und bei einem Magnetfeld, das einem Südpol entspricht,
deaktiviert ist (nicht durchschalten). Demgemäß ist in Position P1 der Sensor 20a aktiv,
da dieser dem Nordpol des Abschnitts 12a ausgesetzt ist,
und der Sensor 20b, der dem nicht magnetisierten Abschnitt 12b gegenüberliegt,
verbleibt deaktiviert, da der Abschnitt 12b kein Magnetfeld
erzeugt, das den Sensor 20b aktiviert. In einer alternativen
Ausführungsform
weist der Abschnitt 12b einen magnetisierten Unterabschnitt
auf, der sich nicht über
die gesamte Länge
des Abschnitts 12b erstreckt und der einen Südpol aufweist,
der zu den Sensoren gewandt ist. Der Unterabschnitt ist in 1a gestrichelt
dargestellt. Bei dieser Magnetisierung ergäbe sich das gleiche Ergebnis,
dass der Sensor 20b (wie auch der Sensor 20a)
nur auf das Magnetfeld eines Nordpols reagiert und daher der Südpol des
alternativen Unterabschnitts, gestrichelt dargestellt, keine Aktivierung
des Sensors 20b bewirken kann. Eine derartige Magnetisierung
des Unterabschnitts, der gestrichelt dargestellt ist, kann beispielsweise
dem Ausgleich der Magnetisierung der Abschnitte 12c und
a dienen. Ferner kann die Breite des Unterabschnitts, gestrichelt dargestellt,
beliebig gewählt
werden, bis zu den Grenzen der zur Mitte hingewandten Grenzen der
Abschnitte 12a und c, und bietet somit eine Flexibilität, so dass
Materialeigenschaften und Vorgaben durch den Magnetisierungsprozess
selbst berücksichtigt
werden können,
ohne die Vorteile der Erfindung zu schmälern.
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Es
ist ersichtlich, dass bei der Bewegung entlang der Richtung L nach
rechts den Sensoren 20a, b andere Abschnitte des Magnetelements 10 gegenüberstehen.
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Die 1b zeigt
eine weitere Position, die sich nach dem Bewegen des Magnetelements 10 aus
der 1a entlang der Richtung L ergibt. Es ist zu erkennen,
dass in 1b das linke Ende des Magnetelements 10 nicht über die
Halterung 30 der Magnetsensoren 20a, b hinausragt.
Diese Position P2 der 2b soll einer zweiten
vorliegenden Position entsprechen. In dieser Position steht der
Nordpol des Abschnitts 12c dem Sensor 20b gegenüber und
der nicht magnetisierte Abschnitt 12b steht dem Sensor 20a gegenüber. Somit
ist, im Gegensatz zu Position P1 der 1a, in 2b der Sensor 20b durch den Nordpol
des Abschnitts 12c aktiviert, und der Sensor 20a ist
nicht aktiv, da diesem der nicht magnetisierte Abschnitt 12b des
Magnetelements 10 gegenüberliegt,
im Gegensatz zum Aktivierungszustand in Position P1 von 1a.
Das gleiche Bild würde sich
auch ergeben, wenn gemäß der. an
Hand von 1a beschriebenen Alternative
der Abschnitt 12b einen Unterabschnitt umfassen würde, der
einen Südpol
aufweist, der zu den Sensoren hingewandt ist. Bei dieser Alternative,
die in 1b gestrichelt dargestellt ist,
würde dem
Sensor 20a ein Südpol
gegenüberstehen,
wobei jedoch der unipolare Sensor 20a deaktiviert bleiben
würde,
da dieser nur auf Magnetfelder eines Nordpols reagiert.
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Aus
dem Vergleich der 1a und 1b ist
zu erkennen, dass eine Bewegung des Magnetelements 10 um
die Strecke, die in der 1a bei
dem Bezugszeichen P1 dargestellt ist, geeignet ist, einen Wechsel
in beiden Sensoren herbeizuführen.
Dies spiegelt die höhere
Informationsdichte der Erfindung wieder, die sich dadurch ergibt,
dass (mindestens) ein zweiter Sensor 20b versetzt zu dem
ersten Sensor 20a verwendet wird. Diese höhere Codierungsdichte
wird erfindungsgemäß dazu verwendet,
um die Abmaße
des Positionssensors (d. h. der Magnetsensorhalterung und des Magnetelements)
zu verringern. Eine Anwendung dieser höheren Informationsdichte ist
in 2 dargestellt.
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Während 1a und 1b nur
schematisch die erfindungsgemäße Vorgehensweise
an Hand einer Spur erläutern,
weist die 2 eine dreispurige Magnetisierungsstruktur
auf.
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Der
erfindungsgemäße Positionssensor
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist in der 2 in der Draufsicht dargestellt
und umfasst einen Magnetsensorhalter 130 in Form einer
Leiterplatte, auf der die Magnetsensoren 120a, 120b, 120c und 120d montiert
sind. Die Fläche,
die die Sensoren 120a–d
einnehmen, ist schraffiert dargestellt, wobei diese Fläche durch
die Gehäuse
definiert ist und die aktive Sensorfläche in der Mitte dieser Gehäuse angeordnet
ist. Die in 2 dargestellte Ausführung der
Erfindung umfasst ferner ein Magnetelement 110 in Form
einer Halterung, an der drei Magnetstreifen 112a, 112b und 112c befestigt
sind. Der Magnetstreifen 112b ist einteilig mit dem Magnetstreifen 112a ausgeführt, unterscheidet
sich jedoch in der Magnetisierungsstruktur. Die Magnetisierungsstruktur
ist, entlang der Richtung L betrachtet, für alle Abschnitte bzw. Streifen
des Magnetelements 110 verschieden. Die Mitten der drei
einzelnen Magnetspuren 112a–112c sind gestrichelt
dargestellt. Das Magnetelement 110 ist über eine Längsführung, d. h. einen Schlitten,
mit der Halterung 130 der Sensoren 120a–d befestigt
und kann entlang der Richtung L über
die Sensoren 120a–d
hinweg bewegt werden.
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Wie
die Sensoren der 1a und 1b sind
die Sensoren 120a–d
unipolare Sensoren, die auf Magnetfelder reagieren, welche von einem
magnetischen Nordpol erzeugt werden. Die Magnetisierungsrichtung liegt
in der 2 senkrecht zur Zeichenebene. Die gepunktet dargestellten
Flächen
des Magnetelements sind Flächen,
die auf der sensorenzugewandten Seite einen Nordpol haben und somit
geeignet sind, bei Annäherung
an die Sensoren diese zu aktivieren. Die Bereiche 114a–d sind
magnetisierte Bereiche, in denen, im Gegensatz zu den gepunkteten
Bereichen, ein Südpol
zu den Sensoren hingewandt ist. Somit aktivieren die Flächen 114a–d die Sensoren
bei Näherung
nicht. Das Magnetelement 110 umfasst ferner Bereiche 116,
die zwischen den einzelnen Magnetbereichen 112a–c, 114a–d vorgesehen
sind und in denen kein magnetisches Material vorliegt. Somit aktivieren
diese Bereiche 116 die Sensoren ebenso nicht.
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Es
ist in 2 zu erkennen, dass die einzelnen Spuren senkrecht
zur Längsrichtung
L (und in der Zeichenebene) konstant sind und sich nur für die drei
verschiedenen Spuren unterscheiden. Diese Magnetspuren 140a–c sind
Linien, auf denen sich die empfindlichen Teile des Sensors befinden
(die Mitte des Sensors als empfindlichste Stelle), und stellen die
Mitte der einzelnen Abschnitte des Magnetelements 110 dar,
so dass die Mitte der einzelnen Elemente der Magnetisierungsstruktur 120a–d über die
Mitten der Sensoren 120a–d geführt werden.
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Das
Magnetelement
110 kann verschiedene Positionen einnehmen,
die jeweils von den Sensoren erkannt und unterschieden werden. Bei
Anwendung auf ein Kfz-Getriebe ergeben sich Positionen D, N, R,
P und Z1–Z3,
wobei Z1–Z3
Zwischenpositionen sind. In
2 sind diese
Positionen bzw. deren jeweilige Mitten dargestellt. In der Draufsicht
von
2 befindet sich das Magnetelement
110 in
der Position N, wobei als (beliebige) Orientierung die in
2 dargestellte
linke Kante des Magnetelements
110 verwendet wird. Es ist
unmittelbar zu erkennen, dass bei den verschiedenen Positionen die
Sensoren unterschiedlich aktiviert sind, wobei keine der Positionen
das gleiche Aktivierungsmuster der vier Sensoren hervorruft. Bei
der Bewegung des Magnetelements
110 von links ausgehend
und beginnend bei Stellung D (d. h. linke Kante des Magnetelements
110 an
der Stellung D) ergibt sich das folgende Ausgabemuster der vier
Sensorelemente:
| Sensor | Position |
| P | Z1 | R | Z2 | N | Z3 | D |
| 120a | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 120b | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 120c | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 120d | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
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Der
Eintrag 1 bedeutet hierbei, dass der zugehörige Sensor in der jeweiligen
Position aktiviert wird, d. h. dass ein Nordpol über dem Sensor vorliegt, wobei
der Eintrag 0 angibt, dass der zugehörige Sensor in der jeweiligen
Position nicht aktiviert ist, da entweder ein Südpol über dem zugehörigen Sensor
angeordnet ist, vgl. Südpole 114a–d, oder
dass über
dem jeweiligen Sensor in dieser Position sich kein magnetisches
Material befindet, vgl. Bereiche 116. Das Ausgangssignal
entspricht einer parallelen oder seriellen Aneinanderreihung der
Ausgaben aller vier Sensoren bei der eingenommenen Position. Es
ist ersichtlich, dass durch einfache Ausgestaltung der Magnetisierungsstruktur
und der Sensoren die Positionen bzw. die Mitten der jeweiligen Positionen
verschoben werden können.
Insbesondere können
die Positionen verbreitert werden, vgl. Abstand zwischen R und Z1
bzw. zwischen Z3 und N der 2. Eine
weitere, nicht dargestellte Ausführungsform
als Alternative zu 2 umfasst lediglich zwei Magnetspuren,
d. h. ein Magnetelement mit zwei sich quer zur Längsrichtung unterscheidenden
Strukturmerkmalen. Um die Information zu ersetzen, die die weggelassene dritte
Spur liefert, wird die verbleibende Magnetisierungsstruktur komplexer
vorgesehen, beispielsweise durch Vorsehen von mehr als zwei und
insbesondere mehr als drei sich abwechselnden Polen in einer Spur.
Alternativ oder in Kombination hiermit wird zur Erhöhung der
Codierungsdichte, d. h. zum Ersatz der Information der dritten Spur
eine größere Anzahl
von Sensoren verwendet, als in 2 dargestellt
ist. So werden insbesondere mehr als zwei, mehr als drei oder mehr
als vier Sensoren verwendet, um die verbleibenden beiden Spuren
abzutasten.
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Ferner
ist der 2 zu entnehmen, dass sich eine
Vielzahl von Positionen, in 2 sieben
Positionen, mit einem Positionssensor erfassen lassen, dessen Außenmaße nur geringfügig größer sind
als die Gesamtwegstrecke zwischen den beiden äußeren Positionen. Die höhere Informationsdichte
wird erreicht durch die Verwendung von mehr als einem Sensor, insbesondere
von Sensoren, die zueinander in Längsrichtung, d. h. in Erfassungsrichtung
versetzt sind. Insbesondere mit einer Konstruktion, wie sie für Magnetspur 140c vorgesehen
ist, lässt
sich eine höhere
Dichte erreichen, wobei im Falle der Spur 140c zwei Sensoren
verwendet werden, die dasselbe Magnetelement, jedoch in Längsrichtung
versetzt, abfühlen.