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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines ersten und eines zweiten Schaltpunktes eines beweglichen Magnetelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Vorrichtung zur Erkennung zweier Schaltpunke ist beispielsweise aus der
DE 199 29 435 C2 bekannt. Die
DE 199 29 435 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Positionserkennung eines beweglichen Gliedes in einem bei Fahrzeugen anwendbaren Verschluss. Bei dem in der
DE 199 29 435 C2 dargestellten Verschluss handelt es sich um einen Sperrbolzen einer elektronischen Lenkungsverriegelung eines Kraftfahrzeugs. Am Sperrbolzen sitzt ein Permanentmagnet, in dessen Wirkfeld wenigstens zwei Hallsensoren (ein erster und ein zweiter Hallsensor) angeordnet sind, wobei der erste Hallsensor eine Verriegelungsposition des Sperrbolzens und der zweite Hallsensor eine Entriegelungsposition des Sperrbolzens überwacht Die Hallsensoren weisen Ausgänge zur Abgabe eines Signals auf, welche mit einem elektronischen Auswerter verbunden sind, der entsprechend den eingehenden Signalen bestimmte Funktionen im Fahrzeug auslöst Wie bereits obenstehend erwähnt, sind beide Hallsensoren im Wirkfeld des Permanentmagneten an einem Bauteil des Fahrzeugs angeordnet Dies fuhrt zu hohen Toleranzen, die sich insbesondere dann negativ auswirken, wenn zwei eng benachbarte Schaltpunkte detektiert werden müssen. Neben den jeweiligen Einbautoleranzen der Hallsensoren und des Permanentmagneten müssen auch die Fertigungstoleranzen bei den Hallsensoren in Kauf genommen werden.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erkennung zweier Schaltpunkte anzugeben, die auch eng benachbarte Schaltpunkte mit einer möglichst kleinen Toleranz sicher detektieren kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Erkennung eines ersten und eines zweiten Schaltpunktes eines beweglichen Magnetelementes, aufweisend eine Sensorvorrichtung zur Detektion eines Magnetfeldes und ein relativ zu der Sensorvorrichtung in einer Bewegungsrichtung beweglich angeordnetes Magnetelement, welches in der Bewegungsrichtung entlang eines Verfahrweges zwischen dem ersten Schaltpunkt und dem zweiten Schaltpunkt hin- und herbewegbar angeordnet ist, wobei die Sensorvorrichtung einen ersten Hallsensor und einen zum ersten Hallsensor entlang der Bewegungsrichtung beabstandet angeordneten zweiten Hallsensor aufweist, wobei der erste Hallsensor und der zweite Hallsensor in einem Bauelement mit einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind und jeweils einen Schwellwert für das sie durchsetzende Magnetfeld aufweisen, wobei in jedem der beiden Hallsensoren durch ein Überschreiten des jeweiligen Schwellwertes die Ausgabe eines ersten und durch ein Unterschreiten des Schwellwertes die Ausgabe eines zweiten Pegels veranlasst wird, wobei das Magnetelement zwei Nordpol-Südpol-Übergänge entlang der Bewegungsrichtung aufweist, die derart angeordnet sind, dass das durch das Magnetelement erzeugte Magnetfeld bei Erreichen des ersten Schaltpunktes in dem ersten Hallsensor oder dem zweiten Hallsensor den Schwellwert durchläuft und somit eine Änderung des dem entsprechenden Hallsensor zugeordneten Pegels hervorruft, während der Pegel des anderen (zweiten oder ersten) Hallsensors konstant bleibt und dass das durch das Magnetelement erzeugte Magnetfeld bei Erreichen des zweiten Schaltpunktes in dem anderen (zweiten oder ersten) Hallsensor den Schwellwert durchläuft und somit eine Änderung des zugeordneten Pegels hervorruft, während der andere Pegel konstant bleibt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung weist das Magnetelement einen oberflächenmagnetisierten Magneten auf.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung weist das Magnetelement zwei jeweils einen Nord-Süd-Übergang aufweisende Magnete auf.
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Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung weist das Magnetelement wenigstens einen Permanent- und/oder wenigstens einen Elektromagneten auf.
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Gemäß einem Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Sensorvorrichtung eine Auswertevorrichtung auf, die auf Basis der Pegel, welche von den Hallsensoren bereitgestellt werden, das Erreichen des ersten Schaltpunktes und des zweiten Schaltpunktes ermittelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Bauelement ein integriertes Halbleiterbauelement.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswertevorrichtung in dem integrierten Halbleiterbauelement integriert.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung, wobei der erste Hallsensor und der zweite Hallsensor bezüglich des durch das Magnetelement erzeugten Magnetfeldes gleich ausgerichtet sind.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei der Schwellwert des ersten Hallsensors und der Schwellwert des zweiten Hallsensors identisch sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2a ein Magnetelement gemäß der ersten Ausführungsform;
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2b exemplarisch ein Magnetelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 exemplarisch einen Verlauf einer von einem erfindungsgemäßen Magnetelement erzeugten Magnetfeldstärke in Abhängigkeit seiner Erstreckung entlang eines Verfahrweges der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 exemplarisch eine Schaltung, welche Bestandteil einer Auswerteeinheit der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist; und
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5 exemplarisch einen Signalverlauf, welcher an der in 4 dargestellten Schaltung anliegt bzw. von dieser ausgegeben wird.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen sind gleiche Elemente oder vergleichbare Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt exemplarisch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei die Vorrichtung 1 eine Sensorvorrichtung 2 zur Detektion eines Magnetfelds, eine Auswertevorrichtung 3 sowie ein Magnetelement 4 aufweist. Das Magnetelement 4 ist relativ zu der Sensorvorrichtung 2 in einer Bewegungsrichtung beweglich angeordnet (angedeutet durch einen Doppelpfeil 5) und in der Bewegungsrichtung entlang eines Verfahrweges zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung (und auch jeweils darüber hinaus) hin- und herbewegbar.
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Die Sensorvorrichtung 2 weist einen ersten Hallsensor 6 und einen zum ersten Hallsensor 6 entlang der Bewegungsrichtung beabstandet angeordneten zweiten Hallsensor 7 auf. Der erste Hallsensor 6 und der zweite Hallsensor 7 weisen jeweils einen oberen und einen unteren Schwellwert für das sie durchsetzende Magnetfeld auf, wobei in jedem der beiden Hallsensoren 6, 7 durch ein Überschreiten des jeweiligen oberen Schwellwertes die Ausgabe eines ersten und durch ein Unterschreiten des unteren Schwellwertes die Ausgabe eines zweiten Signals in Form eines elektrischen Pegels veranlasst wird.
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In der Folge werden der obere und der untere Schwellwert zur Vereinfachung gleichgesetzt (und einfach als Schwellwert bezeichnet). Dies ist insbesondere dadurch gerechtfertigt, dass die Schwellwerte sehr eng beieinanderliegen und die Feldänderung, d. h. die Änderung des magnetischen Flusses in den Hallsensoren 6, 7 aufgrund des vom Magnetelement 4 erzeugten magnetischen Feldes bei einer Bewegung des Magnetelementes 4 sehr groß im Vergleich zu der Differenz des oberen und des unteren Schwellwertes ist. In der beschriebenen Ausführungsform wird z. B. die Magnetfeldkomponente, die die Hallsensoren 6, 7 senkrecht durchsetzt (bzw. der daraus resultierende magnetische Fluss) gemessen bzw. detektiert.
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In der in 1 exemplarisch dargestellten Ausführungsform sind die Schwellwerte des ersten Hallsensors 6 und des zweiten Hallsensors 7 insbesondere identisch (im Rahmen der Herstellungstoleranzen). In alternativen Ausführungsformen sind auch unterschiedliche Schwellwerte für den ersten Hallsensor 6 und den zweiten Hallsensor 7 denkbar. Ferner liegen die Schwellwerte der beiden Hallsensoren 6, 7 in der beschriebenen Ausführungsform bei einem geringen Absolutwert für das sie durchsetzende Magnetfeld. Dadurch kann das Design hinsichtlich der Toleranzen erleichtert werden. In alternativen Ausführungsformen sind Schwellwerte jeglicher Größenordnung denkbar, wobei die Entscheidung über die zu verwendenden Schwellwerte anwendungsabhängig getroffen werden kann.
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Die beiden Hallsensoren 6, 7 sind in der in 1 dargestellten Ausführungsform in einem einzigen Bauteil in Form eines Chips 8 (integriertes Halbleiterbauelement) mit einem festen Abstand zueinander angeordnet, wodurch insbesondere Einbautoleranzen der beiden Hallsensoren 6, 7 zueinander entfallen. Die Schaltpunkttoleranzen bleiben gering, da im Herstellungsprozess des entsprechenden Halbleiterbauelements (Chip 8) nur geringe Toleranzen zu erwarten sind. Erfindungsgemäß kann für jeden beliebigen Abstand der zu detektierenden Schaltpunkte der Abstand der Hallsensoren 6, 7 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung identisch sein. Die Erkennung der beiden Schaltpunkte erfolgt unabhängig vom Abstand des ersten Hallsensors 6 vom zweiten Hallsensor 7.
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Das Magnetelement 4, welches in einer vergrößerten Darstellung auch in 2a dargestellt ist, weist erfindungsgemäß zwei Nordpol-Südpol-Übergänge auf und ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform aus zwei jeweils einen Nordpol-Südpol-Übergang aufweisenden (Einzel-)Magneten, insbesondere in Form von Permanentmagneten, gebildet. Gemäß 2b kann das Magnetelement 4 auch durch einen oberflächenmagnetisierten Magneten gebildet werden. In alternativen Ausführungsformen können z. B. auch Elektromagnete Bestandteil des Magnetelements 4 sein.
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Die Auswertevorrichtung 3 weist z. B. die in 4 dargestellte Schaltung 9 auf, welche über elektrische Leitungen 10 mit den Hallsensoren 6, 7 in Verbindung steht. Hierzu weisen der erste und zweite Hallsensor 6, 7 korrespondierende elektrische. Ausgänge auf, wobei der elektrische Ausgang des ersten Hallsensors 6 mit einem ersten Eingang ”IN 1” 11 der Schaltung 9 in elektrischer Kommunikation steht, während der elektrische Ausgang des zweiten Hallsensors 7 mit einem zweiten Eingang ”IN 2” 12 der Schaltung 9 elektrisch verbunden ist.
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Die elektrische Schaltung 9 weist neben den beiden Eingängen 11, 12 ein exklusives Oder-Gatter (XOR-Gatter) 13 mit zwei Eingängen 13a, 13b, ein erstes Und-Gatter (AND-Gatter) 14 mit zwei Eingängen 14a, 14b, ein zweites Und-Gatter (AND-Gatter) 15 mit zwei Eingängen 15a, 15b, sowie einen ersten Ausgang ”OUT 1” 16 und einen zweiten Ausgang ”OUT 2” 17 auf. Der erste Eingang ”IN 1” 11 steht mit dem Eingang 13a des XOR-Gatters 13 und mit dem Eingang 14a des ersten AND-Gatters 14 in elektrischer Verbindung, während der Eingang ”IN 2” 12 mit dem Eingang 13b des XOR-Gatters 13, und mit dem Eingang 15a des zweiten AND-Gatters 15 in elektrischer Verbindung steht. Der Eingang 14b des ersten AND-Gatters 14 und der Eingang 15b des zweiten AND-Gatters 15 stehen mit dem Ausgang des XOR-Gatters in elektrischer Verbindung. Der Ausgang 14c des ersten AND-Gatters 14 steht mit dem ersten Ausgang 16 der Schaltung 9 und der Ausgang 15c des zweiten AND-Gatters 15 steht mit dem zweiten Ausgang 17 der Schaltung 9 in elektrischer Verbindung. An den Ausgängen 16 und 17 werden elektrische Signale, die die Position des Magnetelements 4 definieren, zur Verfügung gestellt.
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Den Verlauf der von den Hallsensoren 6, 7 zur Verfügung gestellten Pegel, die in der beschriebenen Ausführungsform an dem ersten Eingang 11 und dem zweiten Eingang 12 anliegen, sowie den Verlauf der Signale, die an dem ersten Ausgang 16 und dem zweiten Ausgang 17 der Schaltung 9 in Abhängigkeit des Verfahrweges des Magnetelements 4 anliegen, zeigt beispielhaft 5. In diesem Zusammenhang wird zum besseren Verständnis auch auf 3 verwiesen, in der die vom Magnetelement 4 erzeugte Magnetfeldstärke in Abhängigkeit seiner Erstreckung entlang der Bewegungsrichtung dargestellt ist Bei dem in 5 dargestellten Signalverlauf liegt eine Wegstrecke von 3 mm zwischen dem ersten Schaltpunkt A und dem zweiten Schaltpunkt B, d. h. es soll ein Verfahrweg des Magnetelements 4 von 3 mm zwischen den beiden Schaltpunkten A, B detektiert werden.
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Aus 5 kann entnommen werden, dass bei einer Bewegung des Magnetelements 4 bereits vor Erreichen des ersten Schaltpunktes A (in einem Abstand vom Schaltpunkt, der dem Abstand der beiden Hallsensoren 6, 7 voneinander in der Bewegungsrichtung entspricht) der Schwellwert des ersten Hallsensors 6 überschritten wird, so dass dieser der Schaltung 9 (über deren ersten Eingang 11) einen hohen Pegel (HI) zur Verfügung stellt. Bei Erreichendes ersten Schaltpunktes A durchläuft und überschreitet das den zweiten Hallsensor 7 durchsetzende Magnetfeld dessen Schwellwert und ruft somit eine Änderung des diesem zugeordneten zweiten Pegels auf das Niveau des ersten Pegels (HI) hervor, während der erste Pegel (der Pegel des ersten Hallsensors 6) konstant bleibt.
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Bei Erreichen des zweiten Schaltpunktes B durchläuft und unterschreitet das durch das Magnetelement 4 erzeugte Magnetfeld in dem ersten Hallsensor 6 den Schwellwert und ruft somit eine Änderung des zugeordneten Pegels auf ”LO” hervor, während der andere Pegel (derjenige des zweiten Hallsensors 7) konstant (nämlich ”HI”) bleibt. Erst nach einem Überschreiten des zweiten Schaltpunktes B um den Abstand der beiden Hallsensoren 6, 7 zueinander in der Bewegungsrichtung wird auch im zweiten Hallsensor 7 der Schwellwert unterschritten und der Hallsensor 7 stellt über seien Ausgang einen geänderten Pegel (”LO”) zur Verfügung Die Schaltung 9 gibt den Pegeln und der Schaltlogik entsprechende Signale an ihren Ausgängen 16, 17 aus, aus denen sich das Erreichen der Schaltpunkte A, B ablesen lässt.
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Erfindungsgemäß muss das Magnetelement 4 zu einem Detektieren der Position nicht über die Schaltpunkte A, B hinaus in Bewegungsrichtung verfahren werden. Als Information reichen bereits die Pegeländerungen bei einem Erreichen der Schaltpunkte A, B aus, da diese jeweils eine eindeutige Änderung der an den Ausgängen 16, 17 der Schaltung 9 anliegenden Signale hervorrufen.
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Dadurch, dass bei Erreichen des ersten Schaltpunktes A eine Änderung des am ersten Ausgang 16 der Schaltung 9 anliegenden Signals und bei Erreichen des zweiten Schaltpunktes B eine Änderung des am zweiten Ausgang 17 der Schaltung 9 anliegenden Signals stattfindet, kann zudem eindeutig identifiziert werden, ob der erste Schaltpunkt A oder der zweite Schaltpunkt B erreicht wurde. Eine Auswertung der Bewegungsrichtung aus den Signalen kann z. B. unterbleiben, wodurch Rechenleistung eingespart werden kann.
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Neben dem vorstehend beschriebenen beispielhaften Signalverlauf sind auch beliebige andere geeignete Signalverläufe vom Gedanken der Erfindung umfasst. Auch die Schaltung 9 stellt ein Beispiel für eine mögliche Schaltung zur Signalauswertung dar, wobei in alternativen Ausführungsformen Schaltungen mit anderweitigen logischen Verknüpfungen denkbar sind. Weiterhin ist es denkbar, dass die Auswertevorrichtung 3 alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsform in dem integrierten Halbleiterbauelement (Chip 8) integriert ist, in dem auch der erste Hallsensor 6 und der zweite Hallsensor 7 integriert sind.
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Ein mögliches Einsatzgebiet für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist z. B. eine elektronische Lenkungsverriegelung bei der beispielsweise der Verfahrweg eines Bolzens detektiert wird. Während das Magnetelement 4 zusammen mit dem Bolzen beweglich angeordnet ist, ist die Sensorvorrichtung 2 z. B. ortsfest mit dem Fahrzeug verbunden. Aufgrund der – wie vorstehend erläutert – geringen Toleranzen und der präzisen Einbaumöglichkeiten, ist es möglich, auch kleine Verfahrwege des Bolzens sicher zu detektieren. Die Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf den Bereich der Kraftfahrzeuge beschränkt, i. e. der Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist überall dort denkbar, wo Positionen einer beweglichen Komponente detektiert werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Sensorvorrichtung
- 3
- Auswertevorrichtung
- 4
- Magnetelement
- 5
- Doppelpfeil
- 6
- erster Hallsensor
- 7
- zweiter Hallsensor
- 8
- Chip
- 9
- Schaltung
- 10
- Leitung
- 11
- erster Eingang
- 12
- zweiter Eingang
- 13
- XOR-Gatter
- 13a, b
- Eingänge XOR-Gatter
- 13c
- Ausgang XOR-Gatter
- 14
- erstes AND-Gatter
- 14a, b
- Eingänge
- 15
- zweites AND-Gatter
- 15a, b
- Eingänge
- 16
- erster Ausgang
- 17
- zweiter Ausgang
- A
- erster Schaltpunkt
- B
- zweiter Schaltpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19929435 C2 [0002, 0002, 0002]
