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Stand der Technik
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Drehwinkelmessungen müssen in vielen Bereichen der Technik durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von Magnetfeldsensoren geschehen, die eine Lage eines Dauermagneten erfassen. Der Permanentmagnet kann dabei am rotierenden Element drehfest befestigt sein und eine berührungslose Drehwinkeldetektion ermöglichen. Beispielsweise sind berührungslose Drehwinkelsensoren aus
DE 10 2007 016 133 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die Magnetfeldstärke des Permanentmagneten ausreichend hoch sein muss, um eine optimale Drehwinkelauflösung des Sensors zu ermöglichen. Ferner kann sich eine hohe Magnetfeldstärke positiv auf die Unempfindlichkeit des Sensors gegenüber Fremdfeldern und gegenüber einer Alterung auswirken.
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Des Weiteren muss das Magnetfeld des Permanentmagneten ausreichend homogen sein, um Toleranzen von neuen Bauteilen oder im Betrieb entstehende Toleranzen auszugleichen. Dabei können beispielsweise Drehachsenverlagerungen wegen Verschleiß oder wegen mechanischem Spiel zur Entstehung von Toleranzen im Betrieb führen.
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Um eine ausreichende Magnetfeldstärke und Homogenität des Permanentmagneten zu gewährleisten, können Magneten mit großen Ausdehnungen eingesetzt werden. Diese benötigen jedoch einen großen Bauraum, der insbesondere in Kraftfahrzeugen begrenzt sein kann. Bei Anwendungen mit limitiertem Bauraum können Seltenerdenmagnete wie zum Beispiel Neodymmagnete mit einer hohen Remanenzinduktion eingesetzt werden. Allerdings können Seltenerdenmagnete mit hohen Kosten verbunden sein.
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Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten Messvorrichtung, einem entsprechenden Stellsystem und einem Verfahren zur Herstellung einer Messvorrichtung bestehen, die es insbesondere ermöglichen, auf begrenztem Bauraum kostengünstig eine zum Beispiel über die Lebensdauer gleichbleibend hohe Messgenauigkeit bei der Ermittlung eines Drehwinkels bereitzustellen. Das heißt beispielsweise, den Winkelfehler bei verringertem Bauraum zu minimieren, indem z.B. die Feldstärke am Ort des Magnetsensors bzw. des magnetempfindlichen Elements oder die Homogenität des Magnetfeldes am Ort seiner Erfassung gegenüber einer herkömmlicher Ausgestaltung erhöht ist.
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Vorteile der Erfindung
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Messvorrichtung zur berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels vorgestellt. Die Messvorrichtung weist ein erstes Bauelement mit einem Magneten, beispielsweise einem Neodymmagneten, bevorzugt jedoch einem kostengünstigen Ferritmagneten, auf. Ferner weist die Messvorrichtung ein zweites Bauelement mit einem magnetempfindlichen Element auf. Das erste Bauelement und das zweite Bauelement sind gegeneinander drehbar um eine gemeinsame Drehachse gelagert. Dabei ist das magnetempfindliche Element ausgeführt, in Abhängigkeit eines Magnetfeldes des Magneten einen Drehwinkelwert bzw. einen Drehwinkel des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement zu ermitteln. Der Magnet weist entlang der gemeinsamen Drehachse einen ersten Abschnitt auf, der in einer Ebene quer zur Drehachse einen ersten Außendurchmesser aufweist. Der Magnet weist weiterhin entlang der Drehachse einen sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Abschnitt auf, der in einer Ebene quer zur Drehachse einen zweiten Außendurchmesser aufweist, wobei der zweite Abschnitt entlang der Drehachse betrachtet zwischen dem ersten Abschnitt und dem magnetempfindlichen Element liegt. Dabei ist der erste Außendurchmesser größer ist als der zweite Außendurchmesser, insbesondere beträgt der zweite Außendurchmesser zwischen 30% und 70% des ersten Durchmessers.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, dass der zweite Abschnitt gegenüber dem ersten Abschnitt wie eine den ersten Abschnitt überragende Überhöhung ausgestaltet ist. Dadurch wird gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft bewirkt, das zur berührungslosen Drehwinkelermittlung notwendige Magnetfeld am Ort der Erfassung stärker auszubilden und homogener zu machen und den Magneten dabei gleichzeitig mit einer geringeren lateralen Abmessung in einer sich quer zur Drehachse erstreckenden Ebene (eine XY-Ebene) und einer geringeren Abmessung in einer Richtung entlang der Drehachse (Z-Richtung) auszubilden. Die konstruktive Maßnahme, den zweiten Durchmesser des überhöhungsartigen zweiten Abschnitts kleiner zu gestalten als den ersten Durchmesser des ersten Abschnitts konzentriert und homogenisiert die Magnetfeldlinien am Ort der Erfassung durch das magnetempfindliche Element bzw. den Magnetsensor. Dadurch kann es möglich werden, bei gleichem Magnetmaterial den Bauraum der Messvorrichtung zu verringern und/oder intrinsisch schwächeres aber kostengünstigeres Magnetmaterial, wie z.B. einen Ferritmagneten statt eines Seltenerdmagneten zu verwenden und gleichzeitig den Winkelfehler zu verringern. Auf diese Weise können unter Beibehaltung des erforderlichen homogenen Magnetfelds Herstellungskosten der Messvorrichtung eingespart werden und die Messvorrichtung kann in geringerem Bauraum eingesetzt werden
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Die Messvorrichtung kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Dabei kann die Messvorrichtung in allen Systemen des Fahrzeugbereichs eingesetzt werden, bei denen Drehwinkel gemessen werden. Beispielsweise kann die Messvorrichtung an Drosselklappengebern, an Gaspedalwertgebern, an Karosserieeinfederungsgebern oder an Winkelaufnehmern von Scheibenwischerantrieben verwendet werden.
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Das erste Bauelement kann ein rotierendes Bauelement wie zum Beispiel ein Rotor sein. Am ersten Bauelement ist mindestens ein Magnet angeordnet. Der Magnet ist dabei drehfest mit dem ersten Bauelement verbunden. Dabei ist der Magnet als Permanentmagnet ausgeführt. Ferner kann der Magnet beispielsweise teilweise kunststoffumspritzt sein.
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Das zweite Bauelement kann zum Beispiel ein ortsfestes Bauelement wie zum Beispiel ein Stator sein. Das magnetempfindliche Element ist drehfest mit dem zweiten Bauelement verbunden. Dabei kann das magnetempfindliche Element zum Beispiel ein Hallsensor oder ein magnetresistiver Sensor sein. Beispielsweise kann das magnetempfindliche Element in Abhängigkeit des Magnetfelds des Magneten insbesondere in Abhängigkeit von der Richtung und Intensität des Magnetfelds ein Signal ausgeben, welches repräsentativ für einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement ist.
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Ist das magnetempfindliche Element beispielsweise als Hallelement ausgeführt, so kann es stromdurchflossene Halbleiterplättchen aufweisen, die von dem Magnetfeld des Magneten beispielsweise senkrecht durchsetzt werden. Eine zur Magnetfeldstärke proportionale Spannung kann quer zur Stromrichtung an dem Halbleiterplättchen abgegriffen werden. Das magnetempfindliche Element kann beispielsweise Silizium aufweisen. Dabei kann am magnetempfindlichen Element eine Regeleinheit bzw. eine Signalverarbeitungselektronik integriert sein.
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Der Magnet kann beispielsweise als kreiszylinderförmiger Scheibenmagnet mit einer den zweiten Abschnitt darstellenden zentrisch angeordneten Überhöhung über dem als Magnetgrundkörper dienenden ersten Abschnitt ausgeführt sein. Als Material des Magneten wird dabei z.B. Ferrit verwendet. Insbesondere kann Bariumferrit (BaFe12O19) oder Strontiumferrit (SrFe12O19) als Magnetmaterial verwendet werden. Dieses Material ist wesentlich kostengünstiger als zum Beispiel Seltenerdenmagnete und kann dank einer entsprechenden geometrischen Ausgestaltung die gleiche Homogenität des Magnetfelds wie Seltenerdenmagnete gleicher Abmessung gewährleisten. Der Magnet kann jedoch auch als Seltenerdmagnet, z.B. als Neodymmagnet, ausgebildet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der erste Abschnitt entlang der Drehachse eine erste Höhe auf und der zweite Abschnitt weist entlang der Drehachse eine zweite Höhe auf. Die zweite Höhe beträgt dabei zwischen 15% und 75%, bevorzugt zwischen 35% und 70% und ganz besonders bevorzugt zwischen 55% und 65% der ersten Höhe. Dadurch wird vorteilhaft eine besonders hohe Feldstärke und eine besonders gute Homogenität der Magnetfeldlinien, insbesondere parallel zur XY-Ebene, am Ort des Magnetsensors bzw. des magnetempfindlichen Elements bewirkt. Dies minimiert vorteilhaft den Messfehler des Drehwinkels und es wird dadurch möglich, den Magneten mit geringeren Abmessungen zu bauen, als einen gleich starken und homogenen Magneten herkömmlicher Bauart, d.h. ohne Überhöhung. Beispielsweise kann die Gesamthöhe des Magneten (aus erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt) zwischen 2,3mm und 5mm betragen. Bevorzugt beträgt die Gesamthöhe des ersten Abschnitts zwischen 2,0 mm und 3mm, ganz besonders bevorzugt 2,5mm. Die Höhe des zweiten Abschnitts kann zwischen 0,3mm und 2,25mm betragen, bevorzugt zwischen 0,5mm und 1,8mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,8mm und 1,5mm. Zum Beispiel beträgt die Höhe des ersten Abschnitts 2,5mm und die Höhe des zweiten Abschnitts beträgt zwischen 0,27mm und 1,88mm.
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Der zweite Abschnitt kann dabei in einem Ausführungsbeispiel kreiszylindrisch ausgebildet sein und/oder konzentrisch zur Drehachse ausgebildet sein. Dadurch kann der Magnet besonders einfach hergestellt werden und das Magnetfeld ist am Ort des Magnetsensors bzw. des magnetempfindlichen Elements besonders stark und homogen. Darüber hinaus lässt sich ein derart geformter Magnet vereinfacht montieren, da er rotationssymmetrisch um die Drehachse ausgebildet sein kann und dadurch keine Gefahr besteht, dass er bei einem verdrehten Einbau ungewollt mit Bauelementen der Messvorrichtung in Kontakt gerät. Der Magnet kann beispielsweise die Form einer zweistufigen kreisförmigen Hochzeitstorte aufweisen, bei dem auf einen kreiszylindrisch ausgebildeten ersten Abschnitt der überhöhungsartige zweite kreiszylindrische Abschnitt ausgebildet ist. Ohne Einschränkung seiner Funktion ist es dabei auch möglich, dass an der Außenseite eines derartigen Magneten kleine Vorsprünge oder Einkerbungen ausgebildet sind, um den Magneten in einem Gehäuse verdrehsicher und/oder verliersicher festzulegen, z.B. durch einen Umspritzungsvorgang. Derartige Vorsprünge bzw. Einkerbungen sind im Sinne dieser Anmeldung nicht als die kreiszylindrische Form beeinträchtigend anzusehen, insbesondere nicht, wenn ihr Volumen nicht mehr als 5% des Gesamtmagnetvolumens ausmacht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der zweite Abschnitt eine dem magnetempfindlichen Element zugewandte Stirnseite auf. An der Stirnseite des zweiten Abschnitts ist eine sich ins Innere des zweiten Abschnitts erstreckende Ausnehmung vorgesehen. Die Ausnehmung ist dabei z.B. als eine symmetrische Vertiefung ausgeführt. Insbesondere kann der Magnet in einer zum magnetempfindlichen Element parallelen Ebene, der sich quer zur Drehachse erstreckenden XY-Ebene, eine kreisförmige Vertiefung aufweisen. Dadurch wir das Magnetfeld am Ort des Magnetsensors bzw. des magnetempfindlichen Elements besonders stark und besonders homogen.
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Die Ausnehmung kann zum Beispiel sacklochartig ausgeführt sein. Dabei gewährleistet die Ausnehmung ein homogenes Magnetfeld in der XY-Richtung. Das heißt, im Bereich der Ausnehmung verlaufen die magnetischen Feldlinien zwischen dem Magneten und dem magnetempfindlichen Element möglichst parallel und im gleichen Abstand zueinander. Ferner verlaufen die magnetischen Feldlinien dabei möglichst parallel zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die magnetischen Feldlinien senkrecht zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements verlaufen. Das magnetempfindliche Element ist dabei entsprechend ausgeführt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beträgt eine Ausnehmungs-Tiefe der Ausnehmung zwischen 15% und 75%, insbesondere zwischen 35% und 70%, der zweiten Höhe des zweiten Abschnitts. So kann die Ausnehmung bei einer zweiten Höhe der Überhöhung bzw. des zweiten Abschnitts von 1,8mm z.B. eine Ausnehmungs-Tiefe zwischen 0,27mm und 1,35mm aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Ausnehmung eine Ausnehmungs-Tiefe zwischen 0,3 mm und 1,2 mm, insbesondere zwischen 0,3 mm und 0,6 mm aufweisen. Die Ausnehmungs-Tiefe kann dabei in einer Z-Richtung parallel zu einer Längsachse bzw. zur Drehachse des Magneten gemessen werden. Dadurch wird das Magnetfeld am Ort des Magnetsensors bzw. des magnetempfindlichen Elements besonders stark und besonders homogen.
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Die Tiefe der Ausnehmung, das heißt die Abmessung in einer zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements senkrechten Ausdehnung, die auch als Z-Richtung bezeichnet wird, ist dabei möglichst homogen. Das heißt, im Wesentlichen kann die Ausnehmungs-Tiefe der Ausnehmung über die gesamte Fläche der Ausnehmung z.B. zwischen 0,3 mm und 1,2mm betragen. Alternativ kann die Ausnehmung einem Rotationskörper einer Parabel entsprechen oder die Ausnehmung ist zweistufig ausgeführt. Das heißt, die Ausnehmung kann einen ersten Bereich mit einer ersten Ausnehmungs-Tiefe und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Ausnhemungs-Tiefe in Z-Richtung aufweisen. Der zweite Bereich kann dabei konzentrisch um den ersten Bereich angeordnet sein. Ferner kann die erste Ausnehmungs-Tiefe betragsmäßig größer sein als die zweite Ausnehmungs-Tiefe. Insbesondere kann die Ausnehmung mehrstufig ausgeführt sein. Eine stufige Ausgestaltung der Ausnehmung kann fertigungstechnisch einfacher realisierbar sein als beispielsweise eine parabelförmige Vertiefung.
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Ferner kann dank einer zwei- bzw. mehrstufigen Ausgestaltung der Ausnehmung auch bei großen Ausdehnungen bzw. Abmessungen des magnetempfindlichen Elements ein homogenes Magnetfeld über die gesamte Oberfläche des magnetempfindlichen Elements gewährleistet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ausnehmung in einer Ebene quer zur Drehachse, also der XY-Ebene, einen Ausnehmungs-Durchmesser aufweisen und das magnetempfindliche Element in einer Ebene quer zur Drehachse, also der XY-Ebene, einen Durchmesser. Dabei ist der Ausnehmungs-Durchmesser größer ist als der Durchmesser des magnetempfindlichen Elements. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der homogene und starke Magnetfeldbereich in seinen Abmessungen größer ist als das magnetempfindliche Element. Durch die Ausgestaltung der Ausnehmung mit einer größeren Abmessung als die Oberfläche des magnetempfindlichen Elements kann ein besonders homogenes Magnetfeld im Bereich des magnetempfindlichen Elements erzeugt werden. Der Durchmesser der Ausnehmung wird dabei in einer Richtung der Ausnehmung in der XY-Ebene bestimmt, das heißt parallel zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements.
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Beispielsweise kann der Magnet einen Gesamtdurchmesser von 14mm bis 18mm aufweisen, bevorzugt 16mm. Ein Durchmesser der Ausnehmung kann dabei z.B. zwischen 2 und 5 mm betragen, bevorzugt zwischen 2,25 mm und 4mm. Das magnetempfindliche Element kann dabei beispielsweise rechteckig ausgeführt und zum Beispiel eine Kantenlänge zwischen 1mm und 2mm aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Luftspalt zwischen dem magnetempfindlichen Element und dem Magneten vorgesehen. Je nach Anwendung der Messvorrichtung kann der Luftspalt dabei eine Breite zwischen 0,5mm und 4mm, bevorzugt zwischen 1,5mm und 3,2mm aufweisen. Das heißt, das magnetempfindliche Element ist nicht in der Ausnehmung angeordnet, sondern ist zur Ausnehmung und auch zur Stirnseite des zweiten Abschnitts, also der Überhöhung, in der Z-Richtung parallel zur Drehachse beabstandet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Magnet drehfest mit dem ersten Bauelement verbunden und das magnetempfindliche Element drehfest mit dem zweiten Bauelement verbunden. Dabei kann das erste Bauelement als Rotor und das zweite Bauelement als Stator ausgeführt sein. Alternativ kann das erste Bauelement als Stator und das zweite Bauelement als Rotor ausgeführt sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Stellsystem für Kraftfahrzeuge vorgestellt. Das Stellsystem weist eine Regeleinheit und eine oben beschriebene Messvorrichtung auf. Die Messvorrichtung ist dabei ausgeführt, einen ermittelten Drehwinkelwert an die Regeleinheit zu übertragen bzw. zu übermitteln. Ferner ist die Regeleinheit ausgeführt, den Drehwinkel basierend auf dem ermittelten Drehwinkelwert nachzuregeln. Dabei kann die Regeleinheit beispielsweise in einen Chip integriert sein, auf dem das magnetempfindliche Element angeordnet ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Stellsystem als Drosselklappenregler, als Gaspedalwertgeber in einem Pedalmodul, als Karosserieeinfederungsgeber oder als Winkelaufnehmer eines Scheibenwischers ausgeführt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen Messvorrichtung vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines ersten Bauelements; Drehfestes Verbinden eines Magneten, z.B. eines Ferritmagneten, mit dem ersten Bauelement; Bereitstellen eines zweiten Bauelements; Drehfestes Verbinden eines magnetempfindlichen Elements mit dem zweiten Bauelement; Drehbares Lagern des ersten Bauelements und des zweiten Bauelements um eine gemeinsame Drehachse derart, dass das erste Bauelement und das zweite Bauelement gegeneinander drehbar sind. Das magnetempfindliche Element ist dabei ausgeführt, in Abhängigkeit eines Magnetfelds des Magneten einen Drehwinkelwert bzw. einen Drehwinkel des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement zu ermitteln. Der Magnet weist dabei entlang der Drehachse einen ersten Abschnitt auf, der in einer Ebene quer zur Drehachse einen ersten Außendurchmesser aufweist. Der der Magnet weist entlang der Drehachse einen sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Abschnitt auf, der in einer Ebene quer zur Drehachse einen zweiten Außendurchmesser aufweist, wobei der zweite Abschnitt entlang der Drehachse betrachtet zwischen dem ersten Abschnitt und dem magnetempfindlichen Element liegt. Dabei ist der erste Außendurchmesser größer als der zweite Außendurchmesser, insbesondere beträgt der zweite Außendurchmesser zwischen 30% und 70% des ersten Durchmessers.
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Die einzelnen Schritte des Verfahrens können in einer variablen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen formoptimierten Magneten und des magnetempfindlichen Elements;
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3 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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4 zeigt beispielhaft Winkelfehler und Magnetfeldstärken der Messvorrichtung in Abhängigkeit von einem Luftspalt zwischen dem Magneten und dem magnetempfindlichen Elemente für verschiedene radiale Entfernungen des magnetempfindlichen Elements von der Drehachse;
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5a den Verlauf der magnetischen Feldlinien am Ort des magnetempfindlichen Elements für einen Magneten ohne Formoptimierung;
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5b den Verlauf der magnetischen Feldlinien am Ort des magnetempfindlichen Elements für einen erfindungsgemäßen Magneten.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist eine Messvorrichtung 1 perspektivisch dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist dabei ein erstes Bauelement 3 und ein zweites Bauelement 5 auf. Das erste Bauelement 3 kann beispielsweise ein Rotor und das zweite Bauelement 5 ein Stator sein. Ebensogut kann auch das zweite Bauelement 5 ein Rotor und das erste Bauelement 3 ein Stator sein. Beispielsweise können das erste Bauelement 3 und das zweite Bauelement 5 Teile eines Stellsystems 27, insbesondere eines Drosselklappengebers, eines Gaspedalwertgebers, eines Karosserieeinfederungsgebers oder eines Winkelaufnehmers eines Scheibenwischers für Kraftfahrzeuge sein. Somit kann die Messvorrichtung 1 beispielsweise an einer elektrischen Drosselklappe (DV-E), an einem Fahrpedalmodul (APM) oder in einem General Purpose Actuator (GPA) eingesetzt werden.
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An dem ersten Bauelement 3 ist drehfest ein Magnet 7 angeordnet. Am zweiten Bauelement 5 ist ein magnetempfindliches Element 9, insbesondere ein Hallsensor vorgesehen und drehfest mit dem zweiten Bauelement 5 verbunden. Wie in 3 gezeigt, kann das magnetempfindliche Element 9 beispielsweise an einer Leiterplatte 33 angeordnet sein. Das erste Bauelement 3 kann in Bezug auf das zweite Bauelement 5 um eine Drehachse 11 um einen Drehwinkel α verdreht werden. Das magnetempfindliche Element 9 wird von Feldlinien des Magnetfelds des Magneten 7 durchsetzt. Dabei ist das magnetempfindliche Element 9 ausgeführt, in Abhängigkeit einer Richtung und Intensität des Magnetfelds einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements 3 gegenüber dem zweiten Bauelement 5 zu ermitteln. Die Messvorrichtung 1 und insbesondere das magnetempfindliche Element 9 können den ermittelten Drehwinkelwert an eine Regeleinheit 29 übermitteln. Die Regeleinheit 29 kann dabei zusammen mit dem magnetempfindlichen Element 9 an der Leiterplatte 33 angeordnet sein. Dies ist zum Beispiel in der Darstellung von 3 gezeigt. Alternativ kann die Regeleinheit 29 außerhalb der Messvorrichtung 1, wie in 1 gezeigt, angeordnet sein. Ferner kann die Regeleinheit 29 mit dem ersten Bauelement 3 funktional verbunden sein und einen Drehwinkel α basierend auf dem ermittelten Drehwinkelwert nachregeln. Für einen besseren Vergleich der unterschiedlichen Figuren ist ein Koordinatensystem eingezeichnet. Eine X-Achse wird dabei mit 35, eine Y-Achse mit 37 und eine Z-Achse mit 39 bezeichnet. Die Z-Achse 39 verläuft dabei parallel zur Drehachse 11. Eine dazu senkrechte Ebene wird durch die X-Achse 35 und die Y-Achse 37 aufgespannt. Die Oberfläche des magnetempfindlichen Elements 9 liegt dabei beispielsweise in der durch die X-Achse 35 und die Y-Achse 37 aufgespannten Ebene, einer XY-Ebene.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Magneten 7 in einem Querschnitt einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Der Magnet ist beispielsweise ein Ferritmagnet. Er weist entlang der Drehachse 11 betrachtet einen Magnetgrundkörper 8 auf, der einen ersten Abschnitt 80 mit einem ersten Außendurchmesser (D1) in einer Ebene quer zur Drehachse 11, einer XY-Ebene, aufweist. Der erste Abschnitt 80 kann als kreiszylindrisches Element und drehsymmetrisch zur Drehachse 11 ausgebildet sein. Der erste Abschnitt 80 weist entlang der Drehachse 11, also in Z-Richtung 39, eine erste Höhe (h1) auf.
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An den ersten Abschnitt 80 schließt sich entlang der Drehachse 11 betrachtet ein zweiter Abschnitt 82 an, der in einer Ebene quer zur Drehachse 11 einen zweiten Außendurchmesser (D2) aufweist und entlang der Drehachse 11 betrachtet eine zweite Höhe (h2) aufweist. Der zweite Abschnitt 82 kann kreiszylindrisch gestaltet sein. Der zweite Außendurchmesser (D2) ist dabei kleiner als der erste Außendurchmesser (D1). In anderen Worten ausgedrückt bildet der zweite Abschnitt 82 gegenüber dem ersten Abschnitt 80 bzw. gegenüber dem Magnetgrundkörper 8 eine Überhöhung 15 aus. Der zweite Abschnitt weist eine Stirnfläche 16 auf, die dem magnetempfindlichen Element 9 zugewandt ist. Der zweite Abschnitt 82 kann vollständig zwischen dem ersten Abschnitt 80 und dem magnetempfindlichen Element 9 angeordnet sein.
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An bzw. in der Stirnfläche 16 des zweiten Abschnitts 82 kann sich eine Ausnehmung 17 befinden, die beispielsweise konzentrisch zum zweiten Abschnitt 82 ins Innere des zweiten Abschnitts 82 hineinragt und einen Ausnehmungs-Durchmesser (D3) und eine Ausnehmungs-Tiefe (h3) aufweist. Der Ausnehmungs-Durchmesser (D3) kann als Innendurchmesser der Ausnehmung erfasst werden.
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Zwischen der Stirnseite 16 des zweiten Abschnitts und dem magnetempfindlichen Element 9 kann sich ein Luftspalt 25 befinden. Der Luftspalt 25 kann entlang der Drehachse 11 betrachtet eine Spaltbreite zwischen 0,5mm und 4mm aufweisen, bevorzugt eine Spaltbreite zwischen 0,7mm und 2,2mm.
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Die Ausnehmung 17 kann kreiszylindrisch ausgebildet sein, in der Art eines Sacklochs mit Wänden, die parallel zur Drehachse 11 verlaufen. Die Ausnehmung 17 kann über ihre gesamte Tiefenerstreckung entlang der Z-Richtung 39 denselben Ausnehmungs-Durchmesser (D3) aufweisen. Die Ausnehmung 17 kann auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise die Form einer Parabel. Auch kann die Ausnehmung 17 mehrstufig ausgebildet sein, z.B. zweistufig oder dreistufig in der Art aufeinander folgender Sacklöcher mit abnehmendem Durchmesser in einer Ebene quer zur Drehachse 11. Die Ausnehmungs-Tiefe (h3) kann dabei kleiner sein als die zweite Höhe (h2) des zweiten Abschnitts 82, so dass die Ausnehmung 17 nicht in den ersten Abschnitt 80 bzw. den Magnetgrundkörper 8 hineinragt, sondern vollständig im zweiten Abschnitt 82 angeordnet ist. Die Ausnehmungs-Tiefe (h3) und die zweite Höhe (h2) des zweiten Abschnitts 82 werden so eingestellt, dass der Winkelfehler im Bereich des magnetempfindlichen Elements 9 minimiert wird. Insbesondere kann die Ausnehmung 17 eine im Vergleich zum Luftspalt 25 geringe Tiefe aufweisen.
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Durch die zweistufige oder mehrstufige Ausgestaltung der Ausnehmung 15 kann die Homogenität des Magnetfeldes im Luftspalt 25 weiter verbessert werden.
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Beispielsweise weist der erste Abschnitt 80 einen ersten Außendurchmesser (D1) von 16mm auf und eine erste Höhe (h1) von 2,5mm. Der zweite Abschnitt 82 weist beispielsweise einen zweiten Außendurchmesser (D2) von 6,6mm und eine zweite Höhe (h2) auf, die zwischen 0,5mm und 1,8mm liegt, und ist konzentrisch zum ersten Abschnitt 80 ausgebildet. Die Ausnehmung 17 weist beispielsweise einen Ausnehmungs-Durchmesser (D3) zwischen 2,25mm und 4mm auf und eine Tiefe (h3) zwischen 0,3mm und 1,2mm, wobei die Ausnehmungs-Tiefe (h3) geringer sein kann als die zweite Höhe (h2) und geringer sein kann als die Spaltbreite des Luftspalts 25. Mit einer solchen Geometrie lassen sich in einem Arbeitsbereich des magnetempfindlichen Elements sehr homogene und ausreichend starke Magnetfelder erzielen, die das magnetempfindliche Element 9 weitgehend horizontal durchsetzen. Der Arbeitsbereich kann sich dabei entlang der Drehachse, also in Z-Richtung 39, in einem Abstand zwischen ungefähr 0,7mm und 3mm erstrecken. Er kann sich bezogen auf die Drehachse 11 z.B. bis zu einem radialen Abstand von 1,25mm von der Drehachse 11 in einer XY-Ebene erstrecken, wobei unterstellt wird, dass die Drehachse 11 durch das Zentrum des Magneten 7 verläuft.
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Wie in 2 gezeigt, ist der Ausnehmungs-Durchmesser (D3) der Ausnehmung 17 größer als ein Durchmesser (D4) des magnetempfindlichen Elements 9.
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In 3 ist ein Querschnitt durch die in 1 gezeigte Messvorrichtung 1 dargestellt. Wie in 3 gezeigt, kann der Magnet 7 mit Hilfe eines Magnethalters 31 am ersten Bauelement 3 fixiert sein. Der Magnethalter 31 kann dabei beispielsweise an den Magneten angespritzter Kunststoff sein. Um den Magneten 7 besser in dem Magnethalter 31 zu fixieren können umlaufend um den ersten Außendurchmesser (D1) des ersten Abschnitts 80 bzw. des Magnetgrundkörpers 8 mehrere radial vom Magnetgrundkörper 8 abragende Haltelemente 8a angeordnet sein. Bei der Umspritzung des Magneten 7 mit Kunststoff verkrallt sich der Magnet 7 auf diese Weise besser im Kunststoff. Die Haltelemente 8a werden dem ersten Außendurchmesser (D1) nicht zugerechnet.
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Die Orientierung der Querschnittsdarstellung in 3 ist gegenüber der Darstellung in 1 gedreht. Der Magnet 7 ist dabei bevorzugt als ein Ferritmagnet ausgeführt. Die Funktion des Ferritmagneten 7 ist die Erzeugung eines magnetischen Feldes im Messbereich des magnetempfindlichen Elements 9. Die minimale und maximale zulässige Feldstärke über die Luftspaltvariation zwischen dem Magnet 7 und dem magnetempfindlichen Element 9 ist durch die Spezifikation des magnetempfindlichen Elements 9 gegeben. Diese zulässige Feldstärke wird durch die geometrische Auslegung des Magneten 7 erreicht, u.a. durch seinen Durchmesser und seine Höhe.
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Durch eine Inhomogenität des Magnetfelds 13 im Messbereich des magnetempfindlichen Elements 9 kann ein Winkelfehler verursacht werden. Der maximal zulässige Winkelfehler ist durch die jeweilige Applikation gegeben. Die Inhomogenität des Magnetfelds 13 wird durch das Vorsehen des als Überhöhung 15 ausgebildeten zweiten Abschnitts 82 auf dem ersten Abschnitt 80 reduziert. Eine weitere Verbesserung der Homogenität und der Stärke des Magnetfeldes am Ort des magnetempfindlichen Elements 9 kann durch das Vorsehen einer Ausnehmung 15 auf bzw. an der dem magnetempfindlichen Element 9 zugewandten Seite des Magneten 7 bewirkt werden. Die Ausnehmung 15 ist dabei als Vertiefung in bzw. an der Stirnseite 16 des zweiten Abschnitts 82 ausgeführt.
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In den 4a und 4c ist ein Winkelfehler in Grad der Messvorrichtung 1 in Abhängigkeit von der Breite des Luftspalts 25 in Millimeter zwischen dem Magneten 7 und dem magnetempfindlichen Element 9 für zwei verschiedene laterale Abstände des magnetempfindlichen Elements 9 von der Drehachse 11 dargestellt. Auf der X-Achse ist dabei die Breite des Luftspalts in Millimeter aufgetragen. Auf der Y-Achse ist der Winkelfehler in Grad aufgetragen, wobei eine gestrichelte Linie parallel zur X-Achse bei 0,8° den maximal zulässigen Winkelfehler anzeigt.
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In den 4b und 4d sind jeweils die maximale und die minimale magnetische Feldstärke dargestellt als Funktion der Breite des Luftspalts 25 für zwei unterschiedlich große Positionsbereiche quer zur Drehachse 11, in denen das magnetempfindliche Element 9 angeordnet sein kann. Der sich quer zur Drehachse erstreckende Positionsbereich ist jeweils identisch für die 4a und 4b und für die 4c und 4d. Die Kurve der maximalen Feldstärke gibt jeweils für eine bestimmte Breite des Luftspalts 25 (dargestellt auf der X-Achse) den maximalen Feldstärkewert wieder, den das magnetempfindliche Element 9 bei einer Verschiebung quer zur Drehachse 11 innerhalb des kompletten Positionsbereichs erfährt. Die Kurve der minimalen Feldstärke gibt dagegen den minimalen Wert bei einer Verschiebung des magnetempfindlichen Elements 9 quer zur Drehachse 11 innerhalb des Positionsbereichs wieder. Der Messbereich bzw. der Positionsbereich quer zur Drehachse 11, innerhalb dessen das magnetempfindliche Element 9 verschoben werden kann ist dabei in 4d größer als in 4b. Daher weist die Kurve der maximalen Feldstärken in beiden Abbildungen ungefähr denselben Verlauf auf, während die Kurve der minimalen Feldstärke sich in den beiden Abbildungen klar unterscheidet, da die Feldstärke üblicherweise am bezogen auf die Drehachse 11 radial äußeren Rand des Positionsbereichs abfällt. Zwei parallel zur X-Achse verlaufende durchgezogene Geraden geben den minimal zulässigen unteren bzw. oberen Wert für die Stärke des Magnetfeldes an, in dieser Abbildung also bei ungefähr 25mT und bei ungefähr 63mT.
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Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass bei der gewählten Formgeometrie des Magneten bei einer Luftspaltbreite zwischen ca. 0,8mm und ca. 1,2mm die Stärke und Homogenität des Magnetfeldes den Spezifikationen genügt, wenn das magnetempfindliche Element 9 bis zu 1,25mm von der Drehachse 11 radial nach außen verlagert ist. Die 4a und 4c zeigen, dass bei einer Luftspaltbreite, also dem Abstand zwischen dem magnetempfindlichen Element 9 und der Stirnseite 16 des zweiten Abschnitts 82, von ca. 1,6mm der Winkelfehler bei ca. 0,1° liegt und gleichzeitig bei dieser Luftspaltbreite der maximale und minimale Feldstärkewert innerhalb des Positionsbereichs des magnetempfindlichen Elements 9 mitten innerhalb des spezifizierten Bereichs liegt.
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In 5a und 5b sind unterschiedliche Verläufe des Magnetfeldes 13 bzw. der magnetischen Feldlinien des Magneten 7 im Luftspalt 25 bei unterschiedlichen Gestaltungen des Magneten 7 dargestellt. 5a zeigt dabei einen handelsüblichen Magneten 7‘ ohne als Überhöhung 15 ausgebildeten zweiten Abschnitt 82. Dieser handelsübliche Magnet 7‘ besteht lediglich aus einem Magnetgrundkörper 8. Im oberen Bereich von 5a ist eine Draufsicht auf den handelsüblichen Magneten 7‘ dargestellt. Im unteren Bereich von 5a ist ein Querschnitt durch den handelsüblichen Magneten 7‘ gezeigt. Die magnetischen Feldlinien 13‘ verlaufen dabei nicht parallel im Messbereich des magnetempfindlichen Elements 9. In 5b ist der Feldlinienverlauf des Magnetfeldes 13 eines Magneten 7 mit einem ersten Abschnitt 80 und einem gegenüber dem ersten Abschnitt 80 als Überhöhung 15 ausgebildeten, sich an den ersten Abschnitt 80 anschließenden, zweiten Abschnitt 82 gezeigt. Der zweite Abschnitt 82 weist eine Ausnehmung 17 auf. Durch die derart gewählte konstruktive Gestaltung des Magneten 7 verlaufen die Feldlinien des Magnetfelds 13 im Luftspalt 25 bzw. am magnetempfindlichen Element 9 möglichst parallel zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements 9 und weisen dort eine ausreichende Feldstärke auf, die in einem Bereich zwischen 15mT (Milli-Tesla) und 75mT liegen kann, in anderen Ausführungen bis zu 200mT oder sogar bis zu 500mT.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007016133 A1 [0001]
