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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Position eines entlang einer Bewegungsrichtung linear beweglichen Objekts, insbesondere einen Bremspedalsensor.
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Um eine störungsfreie Messung der Position zu ermöglichen, existieren Vorrichtungen mit zwei Hall-Sensoren und einem ersten Magnetelement und einem zweiten Magnetelement, die jeweils relativ zu den Hall-Sensoren beweglich sind. Die Verwendung von zwei Hall-Sensoren erlaubt eine differenzielle Messung des von den Magnetelementen erzeugten Magnetfeldes, ohne dass homogene Störungen, zum Beispiel von einem Elektromotor, die Messung beeinflussen.
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Nachteilig bei den bisherigen Systemen ist jedoch, dass die Messspanne begrenzt ist, da entweder das Differenzsignal klein ist oder die Messwerte nur in einem begrenzten Bereich eine eindeutige Zuordnung zu einem Positionssignal erlauben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, bei der über eine große Messspanne gemessen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass eine Magnetisierungsrichtung des ersten Magnetelements schräg oder rechtwinklig zu einer Magnetisierungsrichtung des zweiten Magnetelements verläuft.
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Diese Lösung führt zu einem eindeutigen Messsignal über eine größere Messspanne bei einer gleichzeitig ausreichend großen Differenz des gemessenen Magnetfelds für die Messung.
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Die Magnetisierungsrichtungen der zwei Magnetelemente schließen dabei einen Winkel ein, der ungleich 0 oder 180 Grad ist. Die Magnetisierungen verlaufen folglich nicht parallel oder antiparallel zueinander.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann mit den folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen weiter verbessert werden.
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Ein Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung des ersten Magnetelements und der Magnetisierungsrichtung des zweiten Magnetelements kann zwischen 5 und 175 Grad betragen. Dadurch ist eine gute Messung möglich. Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen 45 und 135 Grad, um die Messung weiter zu verbessern.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann der Winkel 90 Grad betragen. Eine solche senkrechte Ausrichtung zueinander erlaubt eine besonders gute Messung.
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In einer ersten Ausgestaltung kann das erste Magnetelement quer zur Bewegungsrichtung magnetisiert sein und das zweite Magnetelement entlang der Bewegungsrichtung magnetisiert sein. Dies vereinfacht die Messung und die Messauswertung. Die Magnetisierungsrichtung des ersten Magnetelements verläuft dabei vorzugsweise entlang einer Messrichtung der Hall-Sensoren.
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Als Magnetisierungsrichtung des ersten bzw. zweiten Magnetelements kann eine Hauptrichtung der Magnetisierung in dem Magnetelement angesehen werden. Die Magnetisierungsrichtung kann von einem Südpol zu einem Nordpol des Magnetelements verlaufen.
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Die Magnetisierungsrichtungen können windschief zueinander verlaufen. Der Winkel zwischen den beiden Magnetisierungsrichtungen kann dann durch eine Projektion der einen auf eine Ebene, die die andere enthält, ermittelt werden.
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Für einen Bremspedalsensor kann die Messspanne dabei typischerweise in zwei Bereiche untereilt sein, einen Linearbereich und einen Klemmbereich, wobei im Linearbereich der Sensor ein Signal linear zur Bewegung des beweglichen Objekts bereitstellen kann und im Klemmbereich ein konstantes Signal.
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Um eine gute Verteilung des Magnetfelds zu erreichen, kann ein Verhältnis einer Länge des ersten Magnetelements entlang der Bewegungsrichtung zu einer Länge des zweiten Magnetelements entlang der Bewegungsrichtung größer als 3 sein.
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Vorzugsweise ist das Verhältnis der Länge des ersten Magnetelements entlang der Bewegungsrichtung zu der Länge des zweiten Magnetelements entlang der Bewegungsrichtung kleiner als 10.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen das erste Magnetelement und das zweite Magnetelement einen Abstand voneinander auf, wobei der Abstand größer als eine Länge des zweiten Magnetelements ist. Der Abstand kann dabei in der Bewegungsrichtung gemessen werden.
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Der Abstand kann kleiner als dreimal die Länge des zweiten Magnetelements sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand zwischen 5 % und 30 % einer Messspanne entlang der Bewegungsrichtung entsprechen. Insbesondere kann er etwa 15 % der Messspanne betragen. Wie bei den anderen Ausgestaltungen kann dies zu einer guten Verteilung der Magnetfeldlinien führen. Die Messspanne kann die Spanne sein, entlang der die Bewegung des Objekts gemessen werden soll.
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Für eine ausreichende Verteilung des Magnetfelds kann das Verhältnis einer Länge des ersten Magnetelements zu einer Breite des ersten Magnetelements mindestens 2 betragen.
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Um eine gute Messung zu ermöglichen und gleichzeitig die Vorrichtung kompakt zu halten, kann das Verhältnis einer Länge des zweiten Magnetelements zu einer Breite des ersten Magnetelements höchstens 2/3 betragen.
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Die oben genannten Parameter können voneinander abhängig sein. Eine Änderung eines Parameters kann eine Anpassung eines weiteren Parameters bedingen. Insbesondere können die genannten Längen, Abstände und Breiten auch abhängig sein von einer Magnetfeldstärke, die durch die Magnetelemente erzeugt wird. Vorzugsweise sind die Parameter so aufeinander abgestimmt, dass es möglich ist, mit den Hall-Sensoren eine über die gesamte Messspanne eindeutige Messung mit einem ausreichend guten Messsignal zu ermöglichen.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung genau zwei Magnetelemente. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann auf weitere Magnetelement verzichtet werden. Dadurch ist die Herstellung besonders einfach und kostengünstig.
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Das erste Magnetelement und das zweite Magnetelement können in der Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet sein. Insbesondere können sie fluchtend hintereinander angeordnet sein. Dadurch ist eine kompakte Ausgestaltung möglich.
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In einer einfachen Ausgestaltung können die Magnetelemente mit dem Objekt bewegungsübertragend verbunden sein. Die Hall-Sensoren können stationär an anderen Elementen, beispielsweise einem Gehäuse angeordnet sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung können die Hall-Sensoren mit dem Objekt bewegungsübertragend verbunden sein. Bei einer solchen Ausgestaltung können die Magnetelemente stationär an anderen Elementen angebracht sein, etwa dem Gehäuse.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass die beiden Magnetelemente einen festen Abstand voneinander haben. Dies kann beispielsweise durch Beabstandungselemente oder durch die Anbringung an dem Objekt oder einem Gehäuse sichergestellt sein.
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Die Magnetelemente können Permanentmagnete umfassen, um den Betrieb einfach zu halten.
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Das Objekt kann insbesondere ein mit einem Bremspedal verbundenes Übertragungselement, wie eine Stange sein.
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Die Vorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, die Hall-Sensoren differentiell zu betreiben.
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Die Hall-Sensoren umfassen vorzugsweise jeweils zwei Messplättchen für Messungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen. Eine Richtung verläuft vorzugsweise entlang der Bewegungsrichtung des Objekts. Eine zweite Richtung ist senkrecht zur Bewegungsrichtung und zum Objekt hin gerichtet.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung in einem Bremspedalsensor für ein Automobil untergebracht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die dabei dargestellten vorteilhaften Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind jeweils voneinander unabhängig und können beliebig miteinander kombiniert werden, je nachdem, wie dies im Anwendungsfall notwendig ist.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung in einem Bremspedalsensor;
- 2 eine schematische Perspektivansicht der Vorrichtung aus 1;
- 3 eine schematische Seitenansicht der zwei Magnetelemente der Vorrichtung aus den 1 und 2;
- 4 ein Diagramm des differenziellen Winkels in Abhängigkeit von der Position der Magnetelemente für die Vorrichtung der 1 bis 3;
- 5 ein Diagramm zur Variation des Magnetfelds in Abhängigkeit von der Position der Magnetelemente für die Vorrichtung der 1 bis 3;
- 6 eine Darstellung einer Simulation der Magnetfeldlinien zu der gezeigten Ausführungsform.
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In 1 ist ein Bremspedalsensor 200 mit einer Vorrichtung 100 gezeigt. Die Vorrichtung 100 dient zur Messung einer Position eines Objekts 10, das entlang einer Bewegungsrichtung M linear beweglich ist. Das Objekt 10 kann mit einem Bremspedal verbunden sein, sodass mit der Vorrichtung 10 die Position des Bremspedals indirekt gemessen werden kann.
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Die Bewegungsrichtung M verläuft entlang einer Richtung X, die zusammen mit den Richtungen Y und Z ein dreidimensionales Koordinatensystem aufgespannt, wobei X, Y und Z jeweils rechtwinklig zueinander sind.
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Wie in 2 zu sehen ist, weist die Vorrichtung 100 insbesondere zwei Hall-Sensoren 20 auf, die in einem Gehäuse 60 untergebracht sind. Die zwei Hall-Sensoren 20 weisen jeweils zwei Plättchen auf, die Messungen der Komponenten des Magnetfeldes in der Richtung X und der Richtung Z ermöglichen. Bei der Messung handelt es sich um eine differenzielle Hall-Messung, bei der nicht das absolute Magnetfeld, sondern ein Gradient benutzt wird, um die Position zu ermitteln. Eine solche Messung ist weitgehend unempfindlich gegenüber homogenen Störungen, da diese mit gleichem Betrag auf beide Hall-Sensoren 20 wirkt und eine Differenz unbeeinflusst bleibt.
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Ein erstes Magnetelement 11 und ein zweites Magnetelement 12 sind bezüglich der Bewegungsrichtung M und der Richtung X hintereinander, insbesondere fluchtend zueinander, angeordnet. Gezeigt ist auch eine Hülle 70, die die beiden Magnetelemente 11, 12 umschließt. Die Hülle 70 muss keine physische Hülle sein, sondern kann lediglich ein mathematisches Konstrukt sein, die den Raum angibt, der von den beiden Magnetelemente 11, 12 definiert ist.
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Die Magnetelemente 51, 52 werden in einem Abstand D an den Hall-Sensoren 20 vorbereitgeführt.
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In 3 sind die Magnetelemente 11, 12 und deren Magnetisierungsrichtungen 51, 52 genauer gezeigt. Wichtig ist insbesondere, dass die Magnetisierungsrichtung 51 des ersten Magnetelements 11 senkrecht zur Magnetisierungsrichtung 52 des zweiten Magnetelements 12 verläuft. Die Magnetisierungsrichtung 51 des ersten Magnetelements 11 verläuft senkrecht zur Bewegungsrichtung und entlang der Richtung Z, die parallel zur Messrichtung der Hall-Sensoren 20 verläuft. Die Magnetisierungsrichtung 52 des zweiten Magnetelements 12 verläuft parallel zur Bewegungsrichtung M. Die Magnetisierungsrichtungen 51, 52 sind dabei jeweils die Richtungen von einem Südpol S zu einem Nordpol N der Magnetelemente 11, 12.
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Ein Winkel 30 zwischen der ersten Magnetisierungsrichtung 51 und der zweiten Magnetisierungsrichtung 52 beträgt in dem gezeigten Beispiel also 90 Grad. In anderen Ausgestaltungen kann dieser Winkel auch von 90 Grad abweichen, sollte jedoch nicht 0 oder 180 Grad betragen. Vorteilhafte Werte für den Winkel können zwischen 45 und 135 Grad oder zwischen 60 und 120 Grad liegen.
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Die Wahl eines solchen Winkels führt dazu, dass die Messspanne 40 (siehe 1), entlang der das Objekt 10 entlang der Bewegungsrichtung bewegt werden kann und in der ein eindeutiges Ergebnis für die Positionsbestimmung erzielt werden kann, größer ist als bei vorherigen Lösungen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Magnetisierungsrichtungen 51, 52 schräg oder senkrecht zueinander verlaufen. Bei vorherigen Lösungen fand schon bei geringeren Messspannen 40 ein so genannter Roll-Over statt, d.h. dass keine eindeutige Zuordnung der Werte zu einem einzigen Positionssignal möglich war, sondern für bestimmte Konstellationen von Messwerten mehrere Positionssignale möglich waren.
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In den 4 und 5 sind Diagramme gezeigt, die den differenziellen Winkel bzw. die Variation des Magnetfelds entlang eines Hubs der Magnetelemente 11, 12 darstellen. Dabei sind Kurven für typische Toleranzen der Vorrichtung 100 gezeigt. Für all diese Werte ist eine eindeutige Zuordnung der Messwerte bei einem ausreichend hohen Gradienten des Magnetfelds, die für eine gute Messung nötig ist, möglich.
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In einem linearen Bereich 301 ist insbesondere das Winkel-Signal aus 4 im Wesentlichen linear. Auch in einem Klemmbereich 303 ist noch eine eindeutige Zuordnung möglich. Der komplette Messbereich 302 entspricht der Messspanne 40 und umfasst den linearen Bereich 301 und den Klemmbereich 303.
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Wieder mit Bezug zur 3, ist anzumerken, dass die Längen L1, L2 der Magnetelemente 11, 12 verschieden groß sind. Die entlang der Bewegungsrichtung M gemessene Länge L1 des ersten Magnetelements 11 ist um ca. den Faktor 4 größer als die entlang der Bewegungsrichtung M gemessene Länge L2 des zweiten Magnetelements 12. Ferner ist ein Abstand A zwischen dem ersten Magnetelement 11 und dem zweiten Magnetelements 12 entlang der Bewegungsrichtung M vorhanden, der in dem gezeigten Beispiel etwa zweimal so groß ist wie die Länge L2 des zweiten Magnetelements 12. Die gezeigte Ausgestaltung ermöglicht eine gute Messung der verschiedenen Komponenten des Magnetfelds, das von den Magnetelementen 11 und 12 erzeugt wird und auf die Hall-Sensoren 20 wirkt.
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Die Magnetelemente 11, 12 sind jeweils zylindrisch und haben einen senkrecht zur Bewegungsrichtung M gemessenen Durchmesser 50, der aufgrund der zylindrischen Gestalt entlang der Breitenrichtung B, die parallel zur Richtung Y verläuft, gemessenen Breiten B1, B2 entspricht. Die Breiten B1, B2 sind dabei etwa dreimal so groß wie die Länge L2 des zweiten Magnetelements 12. Der Abstand A zwischen den beiden Magnetelemente 11, 12 beträgt etwa 15 Prozent der Messspanne 40.
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In dem gezeigten Beispiel sind die Magnetelemente 11, 12 bewegungsübertragend mit dem zu messenden Objekt verbunden und die Hall-Sensoren 20 stationär in dem Gehäuse 60 angeordnet. In alternativen Ausgestaltungen können die Hall-Sensoren 20 bewegungsübertragend mit dem Objekt 10 sein und die Magnetelemente 11, 12 stationär sein.
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In der 6 ist eine Simulation des Magnetfeldes der gezeigten Ausführungsform dargestellt. Zu erkennen ist, dass an jeder Stelle der Messspanne aufgrund der Messwerte, insbesondere des Winkels und der Differenz zwischen den Magnetfeldstärken, eine eindeutige Zuordnung zu der Position möglich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Objekt
- 11
- erstes Magnetelement
- 12
- zweites Magnetelement
- 20
- Hallsensor
- 30
- Winkel
- 40
- Messspanne
- 50
- Durchmesser
- 60
- Gehäuse
- 70
- Hülle
- 100
- Vorrichtung
- 200
- Bremspedalsensor
- 301
- linearer Bereich
- 302
- kompletter Messbereich
- 303
- Klemmbereich
- 402
- Kurve für typische Toleranz
- 413
- Kurve für typische Toleranz
- A
- Abstand
- B
- Breitenrichtung
- B1
- Breite des ersten Magnetelements
- B2
- Breite des zweiten Magnetelements
- D
- Abstand
- L1
- Länge des ersten Magnetelements
- L2
- Länge des zweiten Magnetelements
- S
- Südpol
- N
- Nordpol
- M
- Bewegungsrichtung
- X
- Raumrichtung
- Y
- Raumrichtung
- Z
- Raumrichtung
