DE102014207273B4

DE102014207273B4 - Weggeber, insbesondere zur verwendung in einer stelleinrichtung

Info

Publication number: DE102014207273B4
Application number: DE102014207273.5A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Riedl; Daniel Reis; Dirk Reifel
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: DE102014207273A1

Abstract

Weggeber (100) zum berührungslosen Messen einer relativen Position eines ein Magnetfeld erzeugenden Magnetringes (101) und einer Magnetfeldsonde (102) in Bezug aufeinander, wobei der Magnetring (101) und die Magnetfeldsonde (102) relativ zueinander beweglich sind,der Magnetring (101) eine Längsachse (104) aufweist,die Magnetfeldsonde (102) einen Magnetfeldsensor (103) aufweist, der ausgebildet ist, das von dem Magnetring (101) erzeugte Magnetfeld entlang eines zu der Längsachse (104) des Magnetringes (101) parallelen Messweges zu erfassen, undder Abstand (d) zwischen dem Messweg und der Längsachse (104) kleiner als der Innenradius (R) des Magnetrings (101) ist,gekennzeichnet dadurch, dassder Magnetring (101) radial magnetisiert ist und die Zuordnung zwischen magnetischer Flussdichte des von dem Magnetring (101) erzeugten Magnetfeldes und der Position entlang des Messweges eindeutig ist,wobei die Zuordnung zwischen einem Magnetwinkel der magnetischen Flussdichte des von dem Magnetring (101) erzeugten Magnetfeldes und der Position entlang des Messweges eindeutig ist, wobei der Magnetwinkel die Richtung der magnetischen Flussdichte angibt, und wobei der Verlauf des Magnetwinkels entlang des Messweges streng monoton fallend oder streng monoton steigend ist;oderwobei der Betrag der magnetischen Flussdichte einen symmetrischen Verlauf in Bezug auf die Mitte des Messweges aufweist, der Betrag der magnetischen Flussdichte in der Mitte des Messweges ein lokales Minimum und zwischen der Mitte und einem Ende des Messweges jeweils ein Maximum aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Weggeber zum berührungslosen Messen einer relativen Position eines ein Magnetfeld erzeugenden Magnetringes und eines Magnetfeldsensors in Bezug aufeinander. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Stelleinrichtung, die diesen Weggeber enthält.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Weggebers sollen insbesondere lineare Bewegungen in pneumatischen Stellgliedern für Turbolader und in Abgasrückführventilen erfasst werden. In diesen Anwendungen sind die räumlichen Verhältnisse beengt. Daher dürfen die in diesen Anwendungen eingesetzten Weggeber bestimmte, von der jeweiligen Anwendung vorgegebene, Maximalgrößen nicht übersteigen.
In einem bekannten Weggeber zum berührungslosen Messen einer relativen Position eines Magnetringes und eines Magnetfeldsensors in Bezug aufeinander, erfasst der Magnetfeldsensor das von dem Magnetring erzeugte Magnetfeld entlang eines Messweges, der parallel zur Längsachse des Magnetringes ist, und sich in einem Abstand von dieser befindet, der größer als der Außenradius des Magnetringes ist.
Um die von der Anwendung vorgegebene Maximalgröße des Weggebers einzuhalten, muss bei dem bekannten Weggeber ein Seltenerdmagnetmaterial für den Magnetring eingesetzt werden, um die nötige magnetische Flussdichte B entlang des Messweges zu gewährleisten. Das Seltenerdmagnetmaterial ist jedoch teuer, so dass der Wunsch besteht, dieses mit einem günstigeren Magnetmaterial zu ersetzen.
DE 24 18 860 A1 betrifft einen Meßwertgeber für Füllstandsanzeige von Flüßigkeiten.
DE 102 53 708 A1 betrifft einen Versatzsensor der Nichtkontaktbauart zur Erfassung eines Versatzes eines beweglichen Körpers, der eine geradlinige Bewegung ausführt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Weggeber bereitzustellen, der kostengünstig und in Anwendungen mit räumlich beengten Verhältnissen einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, dass die Magnetfeldsonde, welche die relative Position zwischen Magnetring und Magnetfeldsonde angibt, das Magnetfeld des Magnetringes entlang eines Messweges erfasst, der parallel zu der Längsachse des Magnetringes ist, und sich von dieser in einem Abstand befindet, der kleiner als der Innenradius des Magnetrings ist.
In vorteilhafter Weise kann der Weggeber gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt/montiert werden, wenn das von dem Magnetring erzeugte Magnetfeld eine Rotationssymmetrie in Bezug auf die Längsachse des Magnetringes aufweist und die Magnetfeldsonde so ausgebildet ist, dass das von ihr erzeugte Positionssignal unabhängig von der Drehung des Stabes um seine Längsachse ist.
Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich besonders leicht erreichen, wenn für die Erfassung des Magnetfeldes drei-dimensionale Hall-Sensoren eingesetzt werden.
Dadurch, dass die Magnetfeldsonde das Magnetfeld des Magnetringes entlang eines Messweges erfasst, der parallel zu der Längsachse des Magnetringes ist, und sich von dieser in einem Abstand befindet, der kleiner als der Innenradius des Magnetrings ist, kann der Weggeber gemäß der vorliegenden Erfindung in Anwendungen mit räumlich beengten Verhältnissen eingesetzt werden, ohne dass für den Magnetring teure Seltenerdmagnetmaterialien eingesetzt werden müssen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand des in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen.
Es zeigen:

1a eine perspektivische Darstellung des Weggebers gemäß der vorliegenden Erfindung;
1b einen Querschnitt des in der 1a gezeigten Weggebers in der Ebene, welche die Längsachse des Magnetrings sowie den Magnetfeldsensor enthält;
2 den Verlauf der magnetischen Flussdichte entlang des in der 1b gezeigten Messweges;
3 den Verlauf des Magnetwinkels entlang des in der 1b gezeigten Messweges.

1a zeigt eine perspektivische Darstellung des Weggebers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Weggeber umfasst einen Magnetring (101) mit einer Längsachse (104), und eine Magnetfeldsonde (102), welche eine Haltevorrichtung oder einen Stab mit einem Magnetfeldsensor (103) aufweist. Magnetring (101) und Magnetfeldsonde (102) sind so ausgebildet, dass sie zueinander beweglich sind. Der Magnetfeldsensor (103) ist an dem dem Magnetring (101) zugewandten Ende des Stabes angebracht und so ausgebildet, dass er das von dem Magnetring (101) erzeugte Magnetfeld erfasst, auswertet und daraus ein Positionssignal bildet, welches die relative Position des Magnetringes (101) in Bezug auf die Magnetfeldsonde (102) angibt.
Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor (103) so ausgebildet, dass er mindestens zwei Raumkomponenten des von dem Magnetring (101) erzeugten Magnetfeldes erfasst und aus den gemessenen Komponenten das der jeweiligen Position entsprechende Positionssignal erzeugt.
Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor (103) ein drei-dimensionaler (3D) Hall-Sensor.
In dem in der 1a gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Magnetfeldsonde (102) eine Längsachse (105) auf, und der Magnetring (101) und die Magnetfeldsonde (102) sind zueinander so angeordnet, dass die Längsachse (104) des Magnetringes (101) und die Längsachse (105) der Magnetfeldsonde (101) zueinander parallel sind.
Vorzugsweise ist die Magnetfeldsonde (102) so ausgebildet ist, dass das für eine Position des Magnetringes (101) in Bezug auf die Magnetfeldsonde (102) erzeugte Positionssignal unabhängig von der Drehung des Stabes um seine Längsachse (105) ist.
In dem in der 1a gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Magnetring (101) eine Länge L, eine Ringdicke D und einen Innenradius R auf. Vorzugsweise ist die Länge L des Magnetringes (101) größer als seine Ringdicke D.
In der vorliegenden Erfindung erfasst der Magnetfeldsensor (103) das von dem Magnetring (101) erzeugte Magnetfeld entlang eines zu der Längsachse (104) des Magnetringes (101) parallelen Messweges, der sich in einem Abstand d von der Längsachse (104) des Magnetringes (101) befindet und kleiner als der Innenradius R des Magnetringes (101) ist. In der vorliegenden Erfindung ist der Abstand d aber verschieden von Null, d. h. der Magnetfeldsensor (103) bewegt sich nicht entlang der Längsachse (114) des Magnetringes (101).
Vorzugsweise ist die Magnetfeldsonde (102) fest und der Magnetring (101) so angeordnet, dass er sich entlang seiner Längsachse (104) in Bezug auf die Magnetfeldsonde (102) auf und ab bewegen kann.
In der vorliegenden Erfindung weist der Magnetring (101) eine radiale Magnetisierung auf; d.h. die magnetische Flussdichte (oder magnetische Induktion B) weist im magnetischen Material des Magnetringes (101) eine im Wesentlichen radiale Richtung auf, die, je nach Magnetisierung, entweder nach außen oder nach innen gerichtet ist.
Vorzugsweise weist das von dem Magnetring (101) erzeugte Magnetfeld eine Rotationssymmetrie in Bezug auf die Längsachse (104) des Magnetringes (101) auf.
1b zeigt einen Querschnitt des in der 1a gezeigten Weggebers in der Ebene, die die Längsachse (104) des Magnetrings (101) und den Magnetfeldsensor (103) enthält. Die Referenznummer 106 bezeichnet die Mitte des Magnetringes (101) und die mit der Referenznummer 107 bezeichneten Pfeile geben die Richtung der magnetischen Flussdichte B im magnetischen Material des Magnetringes (101) an.
In dem in der 1b dargestellten Ausführungsbeispiel ist die magnetische Flussdichte B vom Inneren des Magnetrings (101) hin zu seinem Äußeren gerichtet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch auf ein Ausführungsbeispiel angewendet werden, in dem die magnetische Flussdichte im magnetischen Material des Magnetringes (101) von seinem Äußeren hin zu seinem Inneren gerichtet ist.
In 1b bezeichnet z die Projektion des Magnetfeldsensors (103) auf die Längsachse (104) des Magnetringes (101), z₀ die Projektion des ersten (oberen) Endes (108) des Messweges auf die Längsachse (104) des Magnetringes (101) und -z₀ die Projektion des zweiten (unteren) Endes (109) des Messweges auf die Längsachse (104) des Magnetringes (101). Vorzugsweise wird die relative Position zwischen Magnetring (101) und Magnetfeldsonde (102) durch den Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor (103) und der Mittelebene angegeben, die zu der Längsachse (104) senkrecht steht und die Mitte (106) des Magnetringes (101) enthält.
In dem in der 1b dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich beide Enden (108, 109) des Messweges auf unterschiedlichen Seiten der Mittelebene des Magnetringes (101). Auch ist die Länge des Messweges größer als die Länge L des Magnetringes (101) und beide Enden des Messweges (108, 109) ragen über die Enden 111 und 112 des Magnetringes (101) hinaus. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch auf ein Ausführungsbeispiel angewendet werden, in dem sich beide Enden des Messweges (108, 109) auf einer Seite der Mittellinie befinden; oder auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur eines der beiden Enden (108 bzw. 109) des Messweges über ein Ende des Magnetringes (111 oder 112) hinausragt; oder auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem keines der beiden Enden (108, 109) des Messweges über die Enden des Magnetringes (111 und 112) hinausragt.
Das in den 1a und 1b gezeigte Ausführungsbeispiel weist einen Magnetring (101) auf, der einteilig gebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch auf ein Ausführungsbeispiel angewendet werden, in dem der Magnetring mehrere magnetisierte Segmente aufweist, die entweder die Form eines Quaders oder die eines Keilstumpfes haben, und Längskanten aufweisen, die parallel zu der Längsachse (104) des Magnetringes sind.
Vorzugsweise sind die Segmente alle identisch.
Es ist vorteilhaft, wenn die Längskanten zweier benachbarter Segmente, insbesondere die Längskanten die dem Magnetringinneren zugewandt sind, durch einen Spalt (vorzugsweise Luftspalt) voneinander getrennt sind.
Vorzugsweise weist jedes der Segmente eine dem Inneren des Magnetringes zugewandte erste Seitenfläche und eine dieser gegenüberliegenden zweite Seitenfläche auf, und in seinem Inneren eine magnetische Flussdichte, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Seitenfläche steht. Dabei ist die magnetische Flussdichte entweder von der ersten Seitenfläche zu der zweiten Seitenfläche hin oder von der zweiten Seitenfläche zu der ersten Seitenfläche hin gerichtet.
2 zeigt den Verlauf (201) des Betrages der magnetischen Flussdichte B entlang des in der 1b gezeigten Messweges, zwischen dem zweiten Ende (109) und dem ersten Ende (108). Dieser Verlauf ist annähernd symmetrisch in Bezug auf die Mitte des Messweges und steigt von -z₀ steil an, erreicht in etwa der Mitte der unteren Hälfte des Messweges ein Maximum und fällt dann wieder steil ab, zu einem lokalen Minimum, das etwa in der Mitte des Messweges erreicht wird.
3 zeigt den Verlauf des Magnetwinkels (301) entlang des in der 1b gezeigten Messweges, zwischen dem zweiten Ende (109) und dem ersten Ende (108). Der Magnetwinkel wird von dem Magnetfeldsensor (103) aufgrund der von ihm erfassten Komponenten der magnetischen Flussdichte ermittelt, und ist beispielsweise gleich dem Winkel, der durch die Richtung der magnetischen Flussdichte B an der Position des Magnetfeldsensors (103) und der Längsachse (105) der Magnetfeldsonde (102) gebildet wird. 3 zeigt, dass der Magnetwinkel entlang des Messweges streng monoton ansteigt, wenn sich der Magnetfeldsensor (103) vom zweiten Ende (109) zum ersten Ende (108) hin bewegt, bzw. streng monoton abfällt, wenn sich der Magnetfeldsensor (103) vom ersten Ende (108) zum zweiten Ende (109) zurückbewegt; und somit eine eindeutige Zuordnung zwischen Magnetwinkel und Position entlang des Messweges gegeben ist.
Sowohl der Verlauf (201) des Betrages der magnetischen Flussdichte B als auch der Verlauf des Magnetwinkels (301) weisen entlang des Messweges Änderungen auf, die es dem Magnetfeldsensor (103) erlauben, ein Positionssignal mit hinreichender Genauigkeit zur Verfügung zu stellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Stelleinrichtung, die einen Weggeber gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Der Weggeber gemäß der vorliegenden Erfindung ist kostengünstig, weil für den Magnetring keine teuren Seltenerdmagnetmaterialien eingesetzt werden müssen. Zudem ist der Weggeber gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet für Anwendungen mit räumlich beengten Verhältnissen, wie beispielsweise pneumatische Stellglieder für Turbolader und Abgasrückführventile.
Bezugszeichenliste

100: Weggeber
101: Magnetring
102: Magnetfeldsonde
103: Magnetfeldsensor, 3D-Hallsensor
104: Längsachse des Magnetringes
105: Längsachse der Magnetfeldsonde
106: Mitte des Magnetringes
107: Magnetisierung des Magnetringes
108: Erstes Ende des Messweges
109: Zweites Ende des Messweges
111: Erstes Ende des Magnetringes in Längsrichtung
112: Zweites Ende des Magnetringes in Längsrichtung
201: Verlauf der magnetischen Flussdichte entlang des Messweges zwischen -z₀ und +z₀
301: Verlauf des Magnetwinkels entlang des Messweges zwischen -z₀ und +z₀

Claims

Weggeber (100) zum berührungslosen Messen einer relativen Position eines ein Magnetfeld erzeugenden Magnetringes (101) und einer Magnetfeldsonde (102) in Bezug aufeinander, wobei der Magnetring (101) und die Magnetfeldsonde (102) relativ zueinander beweglich sind, der Magnetring (101) eine Längsachse (104) aufweist, die Magnetfeldsonde (102) einen Magnetfeldsensor (103) aufweist, der ausgebildet ist, das von dem Magnetring (101) erzeugte Magnetfeld entlang eines zu der Längsachse (104) des Magnetringes (101) parallelen Messweges zu erfassen, und der Abstand (d) zwischen dem Messweg und der Längsachse (104) kleiner als der Innenradius (R) des Magnetrings (101) ist, gekennzeichnet dadurch, dass der Magnetring (101) radial magnetisiert ist und die Zuordnung zwischen magnetischer Flussdichte des von dem Magnetring (101) erzeugten Magnetfeldes und der Position entlang des Messweges eindeutig ist, wobei die Zuordnung zwischen einem Magnetwinkel der magnetischen Flussdichte des von dem Magnetring (101) erzeugten Magnetfeldes und der Position entlang des Messweges eindeutig ist, wobei der Magnetwinkel die Richtung der magnetischen Flussdichte angibt, und wobei der Verlauf des Magnetwinkels entlang des Messweges streng monoton fallend oder streng monoton steigend ist; oder wobei der Betrag der magnetischen Flussdichte einen symmetrischen Verlauf in Bezug auf die Mitte des Messweges aufweist, der Betrag der magnetischen Flussdichte in der Mitte des Messweges ein lokales Minimum und zwischen der Mitte und einem Ende des Messweges jeweils ein Maximum aufweist.
Weggeber (100) nach einem der Anspruch 1, wobei das von dem Magnetring (101) erzeugte Magnetfeld eine Rotationssymmetrie in Bezug auf seine Längsachse (104) aufweist.
Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Magnetfeldsonde (102) fest ist und der Magnetring (101) entlang seiner Längsachse (104) auf und ab bewegbar angeordnet ist.
Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetfeldsensor (103) so ausgebildet ist, dass er mindestens zwei Raumkomponenten des von dem Magnetring (101) erzeugten Magnetfeldes erfasst und aus den gemessenen Komponenten ein der jeweiligen Position entsprechendes Positionssignal erzeugt.
Weggeber (100) nach Anspruch 4, wobei der Magnetfeldsensor (103) einen Hallsensor, vorzugsweise einen drei-dimensionalen Hall-Sensor umfasst.
Weggeber (100) nach Anspruch 5, wobei die Magnetfeldsonde (102) des Weiteren einen Stab mit einer Längsachse (105) aufweist, der Stab so angeordnet ist, dass seine Längsachse (105) parallel zu der Längsachse (104) des Magnetringes (101) ist, und an seinem dem Magnetring (101) zugewandten Ende den Hallsensor, bzw. den drei-dimensionalen Hallsensor (103) aufweist.
Weggeber (100) nach Anspruch 6, wobei die Magnetfeldsonde (102) so ausgebildet ist, dass das für eine Position des Magnetringes (101) in Bezug auf die Magnetfeldsonde (102) erzeugte Positionssignal unabhängig von der Drehung des Stabes um seine Längsachse (105) ist.
Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Magnetring (101) in Richtung seiner Längsachse (104) ein erstes Ende (111) und ein zweites Ende (112) aufweist, der Messweg über das erste Ende (111) des Magnetringes (101) hinausgeht, und/oder der Messweg über das zweite Ende (112) des Magnetringes (101) hinausgeht.
Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Magnetring (101) eine zu seiner Längsachse (104) senkrecht stehende Mittelebene aufweist, der Messweg ein erstes Ende (zo) und ein zweites Ende (-zo) aufweist, das erste Ende (zo) des Messweges sich auf der einen Seite der Mittelebene befindet, und das zweite Ende (-zo) des Messweges sich auf der anderen Seite der Mittelebene befindet.
Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Länge (L) des Magnetringes (101) größer als die Magnetringdicke (D) ist.
Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Magnetring (101) mehrere identische Segmente aufweist, die Segmente entweder die Form eines Quaders oder die eines Keilstumpfes haben, und die Segmente Längskanten aufweisen, die parallel zu der Längsachse (104) des Magnetringes (101) sind, vorzugsweise sind die dem Magnetringinneren zugewandten Längskanten zweier benachbarter Segmente durch einen Spalt getrennt.
Weggeber (100) nach Anspruch 11, wobei jedes der Segmente eine dem Inneren des Magnetringes (101) ges-zugewandte erste Seitenfläche und eine dieser gegenüberliegenden zweite Seitenfläche aufweist, jedes der Segmente in seinem Inneren eine magnetische Flussdichte aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Seitenfläche steht, und die magnetische Flussdichte entweder von der ersten Seitenfläche zu der zweiten Seitenfläche hin oder von der zweiten Seitenfläche zu der ersten Seitenfläche hin gerichtet ist.
Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei sich der Magnetfeldsensor (103) nicht entlang der Längsachse (114) des Magnetringes (101) bewegt.
Stelleinrichtung, die einen Weggeber (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.