DE112008000430T5

DE112008000430T5 - Linearer Positionssensor

Info

Publication number: DE112008000430T5
Application number: DE112008000430T
Authority: DE
Inventors: Markus Goshen Carrison; Kevin Elkhart Wolschlager
Original assignee: Continental Automotive Systems US Inc; Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-12-24
Also published as: JP2010520458A; WO2008106580A1; US20080204006A1; US7750625B2

Abstract

Lineare Positionssensor-Baugruppe, die Folgendes umfasst:
ein erstes Element, das entlang einem linearen Verfahrweg beweglich ist;
ein zweites Element, das proportional zu der Bewegung des ersten Elements um eine Achse drehbar ist;
einen Signalerzeuger, der so angebracht ist, dass er sich zusammen mit dem zweiten Element dreht; und
einen Sensor in der Nähe des zweiten Elements, um eine Drehposition des Signalerzeugers zu erkennen.

Description

Kreuzverweisung auf verwandte Patentanmeldung
Die Patentanmeldung beansprucht Vorrang vor der vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung Nr. 60/892,032, die am 28. Februar 2007 eingereicht wurde.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen linearen Positionssensor. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung einen linearen Positionssensor, der einen rotierenden Signalerzeuger und einen Sensor verwendet.
Üblicherweise wird die lineare Position eines sich linear bewegenden Elements durch einen linearen Positionssensor bestimmt, der so angeordnet ist, dass er die Bewegung entlang eines linearen Verfahrweges bestimmt. Die exakte Messung einer linearen Position wird kompliziert durch die Länge eines beliebigen Weges, und die Entfernung von einem Sensor oder einem sonstigen elektronischen Mittel zum Erkennen von Bewegung vermindert dessen Wirksamkeit. Ferner arbeiten lineare Positionssensoren in der Regel nur innerhalb begrenzter Reichweiten genau.
Dementsprechend ist es wünschenswert, einen kostengünstigen, zuverlässigen und exakt arbeitenden linearen Positionssensor zu entwickeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein beispielhafter linearer Positionssensor beinhaltet ein Gleitelement, das linear verschiebbar ist und eine Zahnstange beinhaltet, die ein Zahnrad antreibt.
Das Gleitelement bewegt sich entlang einem linearen Verfahrweg und beinhaltet die Zahnstange, die in das Zahnrad eingreift und dieses antreibt. Das Zahnrad dreht sich relativ zu der Zahnstange und beinhaltet einen diametral polarisierten Permanentmagneten. Der Permanentmagnet dreht sich mit dem Zahnrad, und die Drehung des dabei erzeugten Magnetfeldes wird von einem Magnetfeldsensor gemessen, der in der Nähe des Zahnrades angeordnet ist. Das Zahnrad wird an einem Gehäuse relativ zu dem Gleitelement gehalten und dreht sich als Reaktion auf eine lineare Bewegung. Dementsprechend sind die Messungen der Drehbewegung gleichbedeutend mit einer linearen Bewegung des Gleitelements und liefern daher die gewünschte Messung des linearen Weges. Dementsprechend stellt der beispielhafte lineare Positionssensor einen kostengünstigen, zuverlässigen linearen Positionssensor bereit.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden am besten verständlich anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen, die nachstehend kurz beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften linearen Positionssensors.
2 ist eine seitliche Schnittansicht des beispielhaften linearen Positionssensors.
2A ist eine Schnittansicht des beispielhaften linearen Positionssensors, der ein beispielhaftes induktives Sensorsystem beinhaltet.
3 ist eine schematische Darstellung des beispielhaften linearen Positionssensors in einer ersten Position.
4 ist eine weitere schematische Darstellung des beispielhaften linearen Positionssensors in einer zweiten Position.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Es wird Bezug genommen auf 1; der beispielhafte lineare Positionssensor 10 beinhaltet ein Gleitelement 14, das in einem Gehäuse 12 gehalten wird. Das Gleitelement 14 beinhaltet einen Zahnstangenteil 20. Der Zahnstangenteil 20 befindet sich in Eingriff mit einem Zahnrad 16. Das Zahnrad 16 ist frei schwebend in einer Öffnung 22 des Gehäuses 12 angebracht. Dadurch dreht sich das Zahnrad 16 relativ zu dem Gleitelement 14 als Reaktion auf eine Bewegung des Gleitelements 14 entlang einem linearen Verfahrweg 28.
Das Zahnrad 16 besitzt Zähne, die in die Zahnstange 20 eingreifen. Sobald sich das Gleitelement 14 linear bewegt, dreht sich das Zahnrad 16. Die Drehung des Zahnrades 16 verhält sich proportional zu der linearen Bewegung, die durch den Pfeil 28 angezeigt wird. Ein Permanentmagnet 24 ist innerhalb des Zahnrades 16 angeordnet und dreht sich zusammen mit dem Zahnrad 16. Die Drehung des Permanentmagneten 24 wird durch einen Magnetfeldsensor 26 (2) erkannt. Der beispielhafte Magnetfeldsensor 26 wird an dem Gehäuse 12 in der Nähe des Zahnrades 16 und des Permanentmagneten 24 gehalten.
Es wird nun Bezug genommen auf 2; der beispielhafte Magnetfeldsensor 26 ist ein Hall-Sensor, der in dem Gehäuse 12 in der Nähe des Zahnrades 16 und somit des Permanentmagneten 24 angebracht ist. Wie einzusehen ist, sind der Permanentmagnet 24 und der Hall-Sensor 26 lediglich eines der Mittel, mit denen die Drehung des Zahnrades 16 gemessen werden kann. Andere Sensoren und Magnetfeldvorrichtungen, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik bekannt sind, fallen ebenfalls in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
Es wird nun Bezug genommen auf 2A; ein induktives Betätigungselement 25 wird an dem Zahnrad 16 gehalten und eine induktive Sensorvorrichtung 27 wird relativ zu dem Betätigungselement 25 gehalten. Das Betätigungselement 25 liefert ein Signal 29, das die relative Position zwischen dem Betätigungselement 25 und der Sensorvorrichtung 27 anzeigt. Die relative Position zwischen der Sensorvorrichtung 27 und dem Betätigungselement 25 wird wiederum dafür genutzt, die Drehposition des Zahnrades 16 zu bestimmen.
Es wird nochmals Bezug genommen auf 2; der Magnetfeldsensor 26 erzeugt ein Signal und eine Steuereinheit 36 nutzt die Messung der Drehung des Zahnrades 16, um die lineare Position oder Bewegung des Gleitelements 14 zu bestimmen. Der beispielhafte Magnetfeldsensor 26 und die Steuereinheit 36 sind Bestandteil derselben Einheit. Allerdings fallen auch andere Konfigurationen von Steuereinheit und Magnetfeldsensor in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Da sich das Zahnrad 16 um eine Achse 18 dreht, verändert sich der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 24 und dem Hall-Sensor 26 nicht. Der Permanentmagnet 24 ist diametral geladen, um einen spezifischen Nord- und Südpol bereitzustellen. Der Magnetfeldsensor 26 misst die Veränderungen im Magnetfeld, die durch die Drehung von diesem Permanentmagneten 24 verursacht werden.
Das Zahnrad 16 wird innerhalb des Gehäuses 12 in einer Öffnung 22 des Gehäuses 12 gehalten. Die Öffnung 22 hält das Zahnrad 16 dahingehend, dass sie eine feste Ausrichtung vorgibt, in der sich das Zahnrad 16 dreht. Das Zahnrad 16 ist jedoch nicht mechanisch mit dem Gehäuse 12 verbunden, sondern schwebt und dreht sich frei in der Öffnung 22. Anders ausgedrückt dreht sich das Zahnrad 16 relativ zu dem Gleitelement 14. Das Gleitelement 14 beinhaltet die Zahnstange 20 und beinhaltet eine Mehrzahl von Zähnen, die mit den Zähnen des Zahnrades 16 in Eingriff gelangen. Eine lineare Bewegung des Gleitelements 14 bewirkt, dass sich das Zahnrad 16 relativ zu diesem Gleitelement 14 dreht. Die relative Drehung des Zahnrades 16 um die Achse 18 wird von dem Magnetfeldsensor 26 erfasst.
Es wird nun Bezug genommen auf die 3 und 4; der beispielhafte lineare Positionssensor 10 ist in einer ersten Position dargestellt, in der das Zahnrad 16 mit der Öffnung 22 des Gehäuses 12 gehalten wird. Das Gleitelement 14 beinhaltet in dem hier dargestellten Beispiel eine Lasche 34. Die Lasche 34 befindet sich mit dem Element, das sich linear bewegt und für das Informationen über die lineare Position 10 gewünscht werden, in Eingriff oder ist daran befestigt. Eine Drehung des Zahnrades 16 um die Achse 18 erfolgt als Reaktion auf die Bewegung des Gleitelements 14 in der linearen Richtung. Die Signale, die von dem Magnetfeldsensor 26 bereitgestellt werden, werden von der Steuereinheit 36 in lineare Messdaten umgewandelt. Wie einzusehen ist, können der Hall-Sensor und die Steuereinheit eine beliebige Steuereinheit oder Vorrichtung sein, die dafür programmiert werden kann, die gewünschten Umwandlungen von Drehbewegung in lineare Bewegung vorzunehmen. Ein Signal 35 von der Steuereinheit kann dann nach Bedarf übertragen werden.
Der äußere Umfang des Zahnrades 16 entspricht einem gewünschten linearen Verfahrweg, der gemessen werden soll. Da das Zahnrad 16 einen Umfang besitzt, der gleich dem gewünschten linearen Verfahrweg ist, entspricht die lineare Distanz direkt der Drehung des Zahnrades 16. Wie einzusehen ist, fallen auch andere Verhältnisse zwischen dem linearen Verfahrweg und dem Zahnrad 16 in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung und können je nach den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung verwendet werden.
Es wird Bezug genommen auf 4, in der das Gleitelement 14 um eine lineare Distanz 38 verschoben dargestellt ist. Die lineare Distanz 38 bewirkt eine Drehung des Zahnrades 16, eine Drehdistanz 40. Diese Drehdistanz 40 bewirkt eine Drehung des Permanentmagneten 24, was wiederum eine Veränderung des Magnetfeldes verursacht, die von dem Magnetfeldsensor 26 erkannt wird. Diese Veränderung des Magnetfeldes wird hervorgerufen durch die Drehung des Zahnrades 16, die ihrerseits durch eine Bewegung des Gleitelements 14 hervorgerufen wird. Die Bewegung des Gleitelements 14 verursacht eine Drehung des Zahnrades 16, weil es sich mit der Zahnstange 20 in Eingriff befindet. Die Zahnstange 20 bewegt sich zusammen mit dem Gleitelement 14, und weil sich das Zahnrad 16 nicht mit dem Gleitelement 14 in Eingriff befindet, kann das Zahnrad 16 sich frei relativ zu dem Gleitelement 14 bewegen und dadurch die entsprechende Drehbewegung 40 bereitstellen, die dem linearen Verfahrweg 38 entspricht.
Dementsprechend stellt der lineare Positionssensor 10 ein einfaches und wirksames Mittel zur Bestimmung einer linearen Position und Bewegung des sich linear bewegenden Elements bereit, ohne die Probleme aufzuweisen, die mit anderen, herkömmlichen linearen Positionssensoren einhergehen.
Obwohl hier eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart wurde, wird ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet der Technik erkennen, dass gewisse Modifikationen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Aus diesem Grund sollten die folgenden Patentansprüche sorgfältig gelesen werden, um den vollen Schutzumfang und Inhalt der vorliegenden Erfindung festzustellen.
Zusammenfassung
Eine Sensorbaugruppe zum Messen einer linearen Position beinhaltet ein Gleitelement, das eine Zahnstange aufweist, welche mit einem Zahnrad in Eingriff gelangt. Das Zahnrad ist relativ zu dem Gleitelement drehbar als Reaktion auf eine lineare Bewegung. Das Zahnrad hält einen Permanentmagneten, der ein Magnetfeld erzeugt. Veränderungen des Magnetfeldes, die durch die Drehung des Zahnrades verursacht werden, werden von einem Magnetfeldsensor erkannt. Signale von dem Magnetfeldsensor zeigen eine Drehung des Zahnrades an und entsprechen der linearen Bewegung des Gleitelements.

Claims

Lineare Positionssensor-Baugruppe, die Folgendes umfasst: ein erstes Element, das entlang einem linearen Verfahrweg beweglich ist; ein zweites Element, das proportional zu der Bewegung des ersten Elements um eine Achse drehbar ist; einen Signalerzeuger, der so angebracht ist, dass er sich zusammen mit dem zweiten Element dreht; und einen Sensor in der Nähe des zweiten Elements, um eine Drehposition des Signalerzeugers zu erkennen.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei der Signalerzeuger ein Element umfasst, das ein Magnetfeld erzeugt, und der Sensor einen Magnetfeldsensor umfasst.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 2, wobei der Magnetfeldsensor ein Signal erzeugt, das eine Position des ersten Elements entlang dem linearen Verfahrweg anzeigt.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei das erste Element und das zweite Element jeweils komplementäre, miteinander in Eingriff gelangende Zähne aufweisen, um die lineare Bewegung des ersten Elements mit einer Drehbewegung des zweiten Elements zu koppeln.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Element ein Zahnrad umfasst, welches relativ zu dem ersten Element gehalten wird und um die Achse drehbar ist.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 2, wobei der Magnetfeldsensor in einer festen Position relativ zu dem Zahnrad gehalten wird.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 2, wobei der Magnetfelderzeuger einen Permanentmagneten umfasst.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei der Signalerzeuger ein induktives Betätigungselement umfasst und der Sensor einen induktiven Sensor umfasst, um eine relative Position zwischen dem induktiven Betätigungselement und dem induktiven Sensor zu bestimmen.
Lineare Positionssensor-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei das erste Element ein Gleitelement umfasst, das sich entlang einem gewünschten linearen Verfahrweg bewegt, und das zweite Element ein Zahnrad ist, das relativ zu dem Gleitelement gehalten wird und drehbar ist als Reaktion auf eine lineare Bewegung des Gleitelements, wobei ein Betrag der Drehung der linearen Bewegung des Gleitelements entspricht.
Sensorbaugruppe zum Messen einer linearen Position, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse; ein Gleitelement, das eine Zahnstange beinhaltet und entlang einem linearen Verfahrweg relativ zu dem Gehäuse beweglich ist; ein Zahnrad, das durch das Gehäuse gehalten und durch die Zahnstange angetrieben wird, wobei das Zahnrad relativ zu dem Gleitelement als Reaktion auf lineare Bewegung drehbar ist; einen Magnetfelderzeuger, der an dem Zahnrad angebracht ist; und einen Magnetfeldsensor, der in der Nähe des Zahnrades angebracht ist, um ein Signal zu erzeugen, welches eine Drehposition des Zahnrades anzeigt.
Sensor-Baugruppe gemäß Anspruch 10, wobei der Magnetfelderzeuger innerhalb des Zahnrades entlang einer Drehachse angeordnet ist.
Sensor-Baugruppe gemäß Anspruch 10, wobei der Magnetfeldsensor an dem Gehäuse gehalten wird.
Sensor-Baugruppe gemäß Anspruch 12, wobei die Drehposition des Zahnrades eine lineare Position des Gleitelements anzeigt.
Sensor-Baugruppe gemäß Anspruch 10, wobei das Gehäuse eine Öffnung beinhaltet, in der das Zahnrad angeordnet ist.
Sensor-Baugruppe gemäß Anspruch 10, wobei der Magnetfeldsensor ein Signal erzeugt, das die Drehung des Zahnrades anzeigt, die in eine lineare Bewegungsdistanz umgewandelt wird.
Verfahren zum Bestimmen einer linearen Position eines sich linear bewegenden Elements, das folgende Schritte umfasst: a. Halten eines Zahnrades relativ zu einem linear beweglichen Gleitelement; b. lineares Bewegen des Gleitelements als Reaktion auf eine Bewegung des sich linear bewegenden Elements; c. Drehen eines Zahnrades um ein Achse als Reaktion auf die lineare Bewegung des Gleitelements; d. Erkennen der Drehbewegung des Zahnrades; und e. Bestimmen der linearen Position entsprechend einem Verhältnis zwischen der Drehung des Zahnrades und der linearen Bewegung des Gleitelements.
Verfahren gemäß Anspruch 16, welches den Schritt beinhaltet, einen äußeren Umfang des Zahnrades bereitzustellen, der gleich einer gewünschten linearen Bewegung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, welches beinhaltet, in dem Zahnrad entlang der Achse einen Magnetfelderzeuger anzubringen und eine Drehposition des Zahnrades zu messen, indem Veränderungen eines Magnetfeldes gemessen werden, das von dem Magnetfelderzeuger erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, welches beinhaltet, dass ein Magnetfeldsensor relativ zu dem Zahnrad gehalten wird und dass die Drehbewegung des Magnetfeldes mit dem Magnetfeldsensor erfasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Schritt des Erkennens der Drehbewegung des Zahnrades beinhaltet, eine Position eines induktiven Betätigungselements an dem Zahnrad mithilfe eines induktiven Sensors zu erkennen und die Drehbewegung auf der Grundlage der relativen Position zwischen dem induktiven Betätigungselement und dem induktiven Sensor zu bestimmen.