DE10212859A1 - Verschiebungssensor - Google Patents

Abstract

Ein kontaktloser Verschiebungssensor ist vorgesehen mit einem Gehäuse (5), einer Drehwelle (1), die eine ungefähr zylindrische hohle Gestalt aufweist, einem einen magnetischen Kreis bildenden Teil (3), das in einem Innenraum der Drehwelle angeordnet ist, und einem magnetischen Erfassungselement (4), das durch das Gehäuse so gehalten wird, daß es auf einer zentralen Achse der Drehwelle in einem Raum, der durch das den magnetischen Kreis bildende Teil eingeschlossen ist, positioniert ist, wobei das magnetische Erfassungselement nicht verschoben wird.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Verschiebungssensor oder eine Ver­ schiebungssensorstruktur. Genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf eine Struktur eines Verschiebungssensors vom kontaktlosem Typ oder eine Struktur eines Winkelver­ schiebungssensors. Weiterhin bezieht sich diese Erfindung auf einen Verschiebungssensor, der bevorzugterweise auf einen Gaspedalsensor angewandt wird.

Verschiedene Sensorstrukturen sind bereits bekannt. Ein Verschiebungssensor vom kon­ taktlosem Typ zum Detektieren einer Winkelverschiebung unter Verwendung eines Hall- Elements oder eines magnetischen Widerstands ist zum Beispiel in den Japanischen Pa­ tentoffenlegungsveröffentlichungen Nr. 8 (1996)-68606 und 2 (1990)-122205 offenbart.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9, ein Sensorkörper 22, der in der ersteren Japanischen Patent­ offenlegungsveröffentlichung Nr. 8 (1996)-68606 offenbart ist, wird gebildet von einem Gehäuse 21, das einen einen IC enthaltenden Abschnitt 241, der ein Hall-Element enthält, aufweist, und einem Gehäuse 13 zum Halten einer Eingangswelle 14 gebildet. Die Ein­ gangswelle 14 ist mit einem Drehteil 15 zum Halten von Magneten 171, 172 und eines Jochs 16 verbunden. Die Magneten 171, 172 bilden ein magnetisches Feld, das mit dem Hall-Element wechselwirkt. Die Eingangswelle 14 und das Drehteil 15 sind voneinander vollständig unabhängige Teile. Das Drehteil 15 ist mit der Eingangswelle 14 als ein exter­ nes Verbindungsteil verbunden. Darum sind die Magneten 171, 172 und das Joch 16, die durch das Drehteil 15 gehalten werden, auch vollständig unabhängige Teile, die außerhalb der Eingangswelle 14 vorhanden sind. Das Joch 16, an dem die Magneten 171, 172 ange­ bracht sind, ist an dem Drehteil 15 mittels einer Schraube befestigt.

Ein halbinselförmiger (vorstehender) Abschnitt 211, der den einen IC enthaltenen Ab­ schnitt 240 enthält, ist in dem Gehäuse 21 derart ausgebildet, daß er das parallele Magnet­ feld schneidet, das durch Magneten 171, 172 erzeugt wird. In einem solchen Fall ist es erforderlich, daß das Hall-Element (das magnetische Erfassungselement) akkurat an einer Position positioniert ist, in der die Störung des magnetischen Feldes soweit wie möglich reduziert werden kann, d. h., in einer Position auf einer zentralen Achse der Eingangswelle 14, um so das magnetische Feld mit einer hohen Detektionsgenauigkeit zu detektieren.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10, entsprechend des Sensors, der in der letzteren Japanischen Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2 (1990)-122205 offenbart ist, ist eine Drehwelle 2, die einen kleinen Durchmesser aufweist, mit einem Abschnitt mit einem großen Durchmesser, der einen Durchmesser aufweist, der nahezu zweimal so groß wie der der Drehwelle 2 ist, an einem Endabschnitt derselben versehen. Der Abschnitt großen Durchmessers wird als ein Magnethalter 22, in dem Permanentmagneten 3A, 3B angeordnet sind, verwendet. Ein Hall-Element 5 (ein magnetisches Erfassungselement) ist in einem zylindrischen Raum, der durch die Permanentmagneten 3A, 3B eingeschlossen wird und ungefähr denselben Durchmesser wie den Durchmesser der Drehwelle 2 aufweist, angeordnet. Der Raum in der Drehwelle 2 ist eine gefüllte Struktur (d. h., eine feste Struktur), ausgenommen der Raum, in dem das Hall-Element 5 angeordnet ist.

Jedoch ist es bei dem zuerst beschriebenen Sensor, bei dem das Joch 16 an dem Drehteil 15 durch die Schraube befestigt wird, erforderlich, daß das Drehteil 15 und das Joch 16 große Abmessungen aufweisen, um einen Raum zum Befestigen derselben aneinander si­ cherzustellen. Die Größe des Sensorhauptkörpers 22 selbst ist daher ebenfalls erhöht. Die­ ses kann zu einem Anstieg der Kosten, die für jede Komponente ausgegeben werden, füh­ ren. Weiterhin sind das Joch 16 und die Magneten 171, 172 extern an einem Endabschnitt der Eingangswelle 14 über das Drehteil 15 befestigt. Darum erfordern diese Komponenten große Abmessungen in jeder Richtung. Der Sensorhauptkörper 22 muß daher ebenfalls große Abmessungen aufweisen.

Wie oben beschrieben wurde ist es erforderlich, daß das Hall-Element (das magnetische Erfassungselement) auf der zentralen Achse der Eingangswelle 14 und in einer zentralen Position des magnetischen Feldes, an der es eine kleine Störung aufweist, positioniert ist, um das magnetische Feld mit einer hohen Detektionsgenauigkeit zu detektieren. Jedoch bestehen die Eingangswelle 14, das Drehteil 15, das Joch 16 und die Magneten 171, 172 aus voneinander unabhängigen Teilen und werden zusammengebaut. Darum kann die Posi­ tionsdetektion jeder Komponente mit einer hohen Genauigkeit aufgrund der Größenfluk­ tuation jeder Komponente oder von Abmessungsfehlern beim Zusammenbau jeder Kom­ ponente schwierig sein.

Andererseits wird entsprechend des zuletzt beschriebenen Sensors von dem Gehäuse 1 zum Halten der Drehwelle 2 gefordert, daß es eine komplizierte innere Struktur aufgrund des kleinen Durchmessers der Drehwelle 2 enthält. Wenn der Sensor in einem Automobil­ fahrzeug oder ähnlichem verwendet wird, können Vibrationen als einer der Gründe einer Beeinträchtigung einer genauen Detektion eines Drehwinkels des Magnetfeldes auftreten.

Des weiteren wird von der Drehwelle 2 gefordert, daß sie leicht im Gewicht ist und einen großen Oberflächenbereich aufweist, um so eine delikate Steuerung der Drehung der Drehwelle 2 in einer einfachen Struktur auszuführen. Jedoch weist die Drehwelle, die in der letzteren Veröffentlichung offenbart ist, die solide Struktur, die keine Hohlstruktur ist, und den kleinen Durchmesser auf. Darum kann ein Mechanismus zum Steuern der Dreh­ welle 2 kompliziert sein. Wie in Fig. 10 illustriert ist, es gibt einen großen unnötigen Raum in dem Sensor. Die Gesamtgröße des Gehäuses des Sensors kann unnötig groß werden.

Dementsprechend sind die oben offenbarten Sensoren immer noch geeignet für gewisse Verbesserungen bezüglich des akkuraten Bestimmens einer Position eines magnetischen Erfassungselementes in einem magnetischen Feld, einer Verminderung der Größe des Sen­ sors, und des Vorsehens eines Verschiebungssensors zum Ausführen einer delikaten Steue­ rung einer Drehwelle des Sensors in einer einfachen Struktur.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein kontaktloser Verschiebungssensor nach Anspruch 1 angegeben.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine im wesentlichen in Längsrichtung genommene Querschnittsansicht eines Verschiebungssensors nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung;

Fig. 2 eine im wesentlichen in Längsrichtung genommene Querschnittsansicht eines Verschiebungssensors nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung;

Fig. 3 eine im wesentlichen in Längsrichtung genommene Querschnittsansicht eines Verschiebungssensors nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung;

Fig. 4 eine im wesentlichen in Längsrichtung genommene Querschnittsansicht eines Verschiebungssensors nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung;

Fig. 5 eine im wesentlichen in Längsrichtung genommene Querschnittsansicht eines Verschiebungssensors nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung;

Fig. 6 eine im wesentlichen in horizontaler Richtung genommene Querschnittsansicht, die einen Beschleunigersensor, der die dritte Ausführungsform ausführt, illu­ striert, in der der Beschleunigersensor in einem Beschleuniger (Gaspedal) einge­ baut ist;

Fig. 7 eine Darstellung der Drehwelle, die in Fig. 6 illustriert ist, gesehen in der Rich­ tung eines Pfeiles A ist;

Fig. 8 eine Seitenansicht des Beschleunigers (Gaspedals) aus Fig. 6;

Fig. 9 eine Darstellung, die einen Verschiebungssensor illustriert, der mit Verschie­ bungssensoren der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht; und

Fig. 10 eine Darstellung, die einen anderen Verschiebungssensor illustriert, der mit Ver­ schiebungssensoren der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht.

Entsprechend eines Verschiebungssensors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 1 illustriert ist, ist eine Drehwelle (drehbare Welle) 1 in einer hohlen und nahezu zylindrischen Gestalt ausgebildet. Ein Magnet 3 und ein Joch 2 zum Verbes­ sern der magnetischen Effizienz (Wirkungsgrad) sind nahe eines Endabschnittes eines Sen­ sorgehäuses 5 durch eine Haltemittel, zum Beispiel einen Stopper, in einer gehaltenen Weise angeordnet. Das Joch 2 und der Magnet 3 bilden ein einen magnetischen Kreis bil­ dendes Teil 3a und bilden ein magnetisches Feld an einem Endabschnitt der Drehwelle 1. Das den magnetischen Kreis bildende Teil 3a ist in der Drehwelle 1 derart angeordnet, daß es koaxial mit der Drehwelle 1 angeordnet ist. Die Richtung des magnetischen Feldes wird als Reaktion auf eine Drehung der Drehwelle 1 gedreht. Die Störung des magnetischen Feldes ist allgemein in seinem Randabschnitt groß. Darum ist ein Hall-Element 4 (ein ma­ gnetisches Erfassungselement), das fest durch das Sensorgehäuse 5 gehalten wird, in einem fixierten zentralen Abschnitt des magnetischen Feldes befindlich, das heißt auf einer Mit­ tellinie der Drehwelle 1, um so die Drehung des magnetischen Feldes mit hoher Detekti­ onsgenauigkeit zu detektieren.

Weiterhin ist das magnetische Feld in der Drehwelle 1 positioniert. Das Hall-Element 4 ist daher in der Drehwelle 1 angeordnet. Diese Struktur kann die Größe des Sensorgehäuses 5 in seiner Dickenrichtung (Richtung seiner Dicke) reduzieren. Zusätzlich kann das Joch, das einen Teil des den magnetischen Kreis bildenden Teils 3a bildet, integral mit der Drehwel­ le 1 durch ein integrales Ausbildungsverfahren, ein Einpreßverfahren, ein Klebeverfahren oder ähnliches ausgebildet sein.

Entsprechend eines Verschiebungssensors einer zweiten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung, die in Fig. 2 illustriert ist, unterscheidet sich der Verschiebungssensor der zweiten Ausführungsform von dem Verschiebungssensor der ersten Ausführungsform da­ hingehend, daß die Drehwelle 1 aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet ist. Daher ist das Joch 2 nicht als ein unabhängiges Teil, wie es bei der ersten Ausführungs­ form beschrieben wurde, vorgesehen, sondern es ist integral mit der Drehwelle 1 ausgebil­ det. Darum ist nur der Magnet 3 in einem Innenraum der Drehwelle 1 vorgesehen. Weiter­ hin ist entsprechend der zweiten Ausführungsform ein Raum 8, ausgenommen ein Raum, der durch den Magneten 3 und das Gehäuse 5 eingenommen wird, d. h., ein Raum 8, aus­ genommen des Raumes, in dem das magnetische Feld ist, in einer gefüllten Struktur, d. h., einer festen (massiven, soliden) Struktur.

Entsprechend eines Verschiebungssensors einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 3 illustriert ist, ist ein gestufter Abschnitt 6 mit einem großen Durchmesser einer ungefähr zylinderförmigen hohlen Drehwelle 1' nahe zu dem Endab­ schnitt des Gehäuses 5 vorgesehen. Eine magnetische Schaltung bildende Teile 2, 3 sind in dem gestuften Abschnitt 6 vorgesehen. Wie in Fig. 3 illustriert ist, ein Innendurchmesser des gestuften Abschnittes 6 (in diesem Fall ein Außendurchmesser des die magnetische Schaltung bildenden Teiles 2) ist kleiner als ein Außendurchmesser der Drehwelle 1' aus­ gebildet.

Entsprechend eines Verschiebungssensor einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 4 illustriert ist, ist nur der Magnet 3 entlang der Drehwelle 1 in ei­ nem ungefähr zentralen Abschnitt in einer axialen Richtung des Innenraums der Drehwelle 1, die aus weichmagnetischem Material ausgebildet ist, vorgesehen. Das Hall-Element 4 wird durch das Gehäuse 5 in einem ungefähr zentralen Abschnitt in der axialen Richtung der Drehwelle 1, d. h., in dem Zentrum des magnetischen Feldes, derart gehalten, daß es nicht versetzt wird. Eine Änderung in der Position des Hall-Elementes 4 relativ zu dem Zentrum des magnetischen Feldes aufgrund von Vibrationen, die auf die Drehwelle 1 wir­ ken, können daher auf einen minimalen Pegel begrenzt werden. Darum kann, selbst wenn der Verschiebungssensor in einem Automobil unter der Bedingung, daß Vibrationen er­ zeugt werden können und wirken, verwendet wird, eine Änderung im Drehwinkel der Drehwelle 1 mit einer höheren Detektionsgenauigkeit detektiert werden.

Entsprechend eines Verschiebungssensors einer fünften Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung, die in Fig. 5 illustriert ist, ist ein Schulterabschnitt 7 entlang einer ungefähr zylindrischen hohlen Drehwelle 1" in einem ungefähr zentralen Abschnitt in einer axialen Richtung derselben vorgesehen. Die Drehwelle 1" mit einer großen Dicke ist aus weich­ magnetischem Material ausgebildet. Ein Magnet 3 ist an dem Schulterabschnitt 7 angeord­ net. Ein Hall-Element wird durch ein Gehäuse 5 in einem ungefähr zentralen Abschnitt in der axialen Richtung der Drehwelle 1", d. h., der Mitte des magnetischen Feldes, derart gehalten, daß er nicht versetzt wird.

Ein Beschleunigungssensor (Gaspedalsensor), der die dritte Ausführungsform ausführt, ist in den Fig. 6-8 illustriert. Ein Pedal 17 ist schwenkbar an einer ungefähr zylindrischen hoh­ len Drehwelle 11 gehalten und wird durch ein Pedalgehäuse 18 gehalten. Auf das schwenkbar gehaltene Pedal 17 wird die Reaktionskraft einer Feder 16 ausgeübt, damit es als ein Beschleunigerpedal (Gaspedal) wirkt. Eine Drehwelle 11 zum schwenkbaren Halten des Pedals 17 wird durch eine niederdrückende Kraft, die auf das Pedal 17 ausgeübt wird, gedreht. Ein gestufter Abschnitt ist an einem Endabschnitt der Drehwelle 11 ausgebildet und ein einen magnetischen Kreis bildendes Teil 13a, das durch ein Joch 12 und einen Magneten 13 gebildet wird, ist an dem gestuften Abschnitt angeordnet. Der Innendurch­ messer des gestuften Abschnittes ist kleiner als der Außendurchmesser eines Abschnittes der Drehwelle 11, der das Pedal 17 schwenkbar hält. Das magnetische Feld wird propor­ tional zu der niederdrückenden Kraft, die auf das Pedal 17 ausgeübt wird, ebenfalls ge­ dreht. Ein Hall-Element 14 (ein magnetisches Erfassungselement) wird durch ein Sensor­ gehäuse 15 derart in einem zentralen Abschnitt des magnetischen Feldes gehalten, daß es nicht versetzt wird. Das Hall-Element 14 detektiert die Drehung des Drehpedals 17, die Drehung des die magnetische Schaltung bildenden Teiles 13a und die Drehung des Ma­ gnetfeldes, um so eine Ausgangsspannung, die proportional zu dem Drehwinkel ist, aus­ zugeben.

Wie in den Fig. 6 und 7 illustriert ist, entsprechend der dritten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung sind der Magnet 13 und das Joch 12 in einer ringförmigen Struktur in ihren Querschnitten, die senkrecht zu der Drehachse sind, und definieren das magnetische Feld mit einer kleinen Störung in einem zentralen Abschnitt des ringförmigen Kreises. Der Magnet 13 und das Joch 12 sind nicht auf die Form der ringförmigen Struktur in ihren zu der Drehachse senkrechten Querschnitten begrenzt. Der Magnet 13 und das Joch 12 kön­ nen in der Form einer quadratischen Form, einer rechteckigen Form oder irgendeiner ande­ ren Form sein, solange das magnetische Feld mit einer kleinen Störung in dem zentralen Abschnitt, in dem das Lochelement (das magnetische Erfassungselement) positioniert ist, definiert wird.

Wie oben beschrieben wurde, entsprechend der vorliegenden Erfindung ist das den magne­ tischen Kreis bildende Teil in der Drehwelle angeordnet. Die Drehwelle und das den ma­ gnetischen Kreis bildende Teil können daher mit hoher Genauigkeit koaxial zueinander sein. Zusätzlich gibt es keine Notwendigkeit, daß den magnetischen Kreis bildende Teil extern an einem Endabschnitt der Drehwelle anzubringen. Ein Verbindungsteil, das eine Schraube enthält, wird nicht benötigt. Darum kann die Größe des Sensors in der Richtung seiner Breite (Breitenrichtung) reduziert werden. Weiterhin gibt es keinen Dimensionsfeh­ ler beim Montieren, der aufgrund von externen an der Drehwelle angebrachten Komponen­ ten auftreten würde. Das magnetische Erfassungselement kann daher in einer zentralen Position der Drehwelle und in einer zentralen Position des den magnetischen Kreis bilden­ den Teiles, d. h., in einer zentralen Position des magnetischen Feldes, mit hoher Genauig­ keit angeordnet werden bzw. befindlich sein. Darum können die Drehung des magneti­ schen Feldes, die Drehung der Drehwelle und eine Verschiebung (Verdrehung, Versatz) mit hoher Detektionsgenauigkeit detektiert werden.

Weiterhin ist das magnetische Feld in der Drehwelle so definiert, daß das magnetische Er­ fassungselement notwendigerweise in der Drehwelle befindlich ist. Darum kann die Größe des Verschiebungssensors in der Richtung seiner Dicke (Dickenrichtung) reduziert werden.

Wenn der Magnet, d. h., das magnetische Feld, in einem ungefähr zentralen Abschnitt der axialen Richtung der Drehwelle (Drehachse) befindlich ist, kann der Einfluß eines externen Faktors, der Vibrationen, Schwingungen enthält, auf einen minimalen Pegel reduziert wer­ den. Darum kann die Verschiebung mit höherer Detektionsgenauigkeit detektiert werden.

Die Drehwelle ist in einer hohlen Gestalt, so daß das Gewicht der Drehwelle reduziert werden kann. Des weiteren weist die Drehwelle einen großen Außendurchmesser auf, so daß eine Griff-Fläche (Angriffsfläche) zum Drehen der Drehwelle als Folge vergrößert werden kann. Darum kann die Drehung der Drehwelle durch einen einfachen Mechanis­ mus gesteuert (bewirkt) werden.

Die Prinzipien, bevorzugte Ausführungsformen und eine Betriebsart der vorliegenden Er­ findung sind in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben worden. Jedoch soll die zum Schutz vorgesehene Erfindung nicht durch die spezifischen Ausführungsformen, die offenbart wurden, begrenzt werden. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind als illustrativ und nicht als begrenzend anzusehen. Es ist ausdrücklich beabsichtigt, daß Varia­ tionen und Änderungen sowie Äquivalente umfaßt sein sollen, soweit sie nicht vom Um­ fang der Erfindung abweichen, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert wird.

Claims (6)

1. Verschiebungssensor, mit
einem Gehäuse (5),
einer Drehwelle (1), die in einer ungefähr zylindrischen hohlen Gestalt ist;
einem einen magnetischen Kreis bildenden Teil (3), das in einem Innenraum der Drehwelle angeordnet ist, und
einem magnetischen Erfassungselement (4), das durch das Gehäuse (5) so gehalten wird, daß es auf einer zentralen Achse der Drehwelle (1) in einen Raum, der durch das den magnetischen Kreis bildende Teil (1) eingeschlossen ist, positioniert ist,
wobei das magnetische Erfassungselement nicht verschoben wird.

2. Verschiebungssensor nach Anspruch 1, bei dem das den magnetischen Kreis bildende Teil (3) an einem gestuften Abschnitt (6), der an einem Endabschnitt des Innenraums der Drehwelle (1) oder an einem ungefähr zen­ tralen Abschnitt in der axialen Richtung des Innenraums der Drehwelle (1) vorgesehen ist, angeordnet ist.

3. Verschiebungssensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das den magnetischen Kreis bildende Teil (3) an einem Schulterabschnitt (7), der an einem ungefähr zentralen Abschnitt in der axialen Richtung des Innenraums der Drehwelle (1) vorgesehen ist, angeordnet ist.

4. Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Drehwelle (1) aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet ist.

5. Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der gestufte Abschnitt einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner als der/die Außendurchmesser der anderen Abschnitte der Drehwelle ist.

6. Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Raum (8) in dem Innenraum der Drehwelle (1), ausgenommen ein Raum, der durch das den magnetischen Kreis bildende Teil (3) definiert wird, oder ein Raum, der durch einen Magneten (3) und das Gehäuse (5) definiert wird, in einer soliden Struktur ist.