DE112008003283B4

DE112008003283B4 - Linearsensor

Info

Publication number: DE112008003283B4
Application number: DE112008003283.1T
Authority: DE
Inventors: Dr. Christmann Ralf; Stefan Leopold; Arno Marto; Wolfgang Schüle; Klaus-Jürgen Wagner
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH; BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH; BorgWarner Inc
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: JP2011508893A; US8629675B2; DE112008003283A5; US20100308807A1; CN101965497A; WO2009086889A3; KR101599983B1; WO2009086889A2; KR20100113537A; JP5607541B2

Abstract

Linearsensor miteiner Hülse (5),einem Stift (7), der einen Permanentmagneten (1) enthält und in der Hülse (5) gegen die Kraft einer Feder (6) linear verschiebbar gelagert ist, undeinem an der Hülse (5) befestigten Magnetfeldsensor (3) zum Detektieren einer Verschiebung des Permanentmagneten (1),wobei der Stift (7) mit einer ersten zylindrischen Führung (8) und einer zweiten zylindrischen Führung (8) geführt ist,wobei die erste Führung (8) des Stifts (7) durch eine Verengung der Hülse (5) gebildet ist, an welcher der Stift (7) die Hülse (5) berührt,dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Führung (8) durch eine Verdickung des Stifts (7) gebildet ist, welche die Hülse (5) berührt, unddass der Stift (7) durch Umspritzen des Permanentmagneten (1) hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearsensor mit einer Hülse, einem Stift, der einen Permanentmagneten enthält und in der Hülse gegen die Kraft einer Feder linear verschiebbar gelagert ist, und einem an der Hülse befestigten Magnetfeldsensor zum Detektieren einer Verschiebung des Permanentmagneten. Ein Linearsensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der WO 01/ 29 515 A1 bekannt.
Derartige Linearsensoren kommen in der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz, beispielsweise zur Steuerung von Bremskraftverstärkern, deren Aktivierung in Abhängigkeit von der Auslenkung eines Bremspedals erfolgt. Mit zunehmender Pedalauslenkung wird der Bremsdruck erhöht, der auf ein Steuerglied einwirkt, dessen Auslenkung mittels eines Linearsensors ermittelt werden kann. Ein weiteres Beispiel sind Ladedruckregler für Abgasturbolader. In der Regel wird bei derartigen Anwendungen der Stift des Linearsensors durch Federkraft gegen ein bewegliches Messobjekt, beispielsweise ein Steuerglied, gedrückt, so dass der Stift stets an dem Messobjekt anliegt und dessen Bewegung folgt.
Aus der DE 196 24 233 C1 ist ein Linearsensor bekannt, bei dem ein quaderförmiger Permanentmagnet relativ zu einem ortsfest an einem Gehäuse angeordneten Magnetfeldsensor bewegt wird. Der bekannte Linearsensor ist für Anwendungen in der Kfz-Technik jedoch weniger geeignet, da er auf Erschütterungen, die sich beispielsweise durch Motorbetrieb ergeben können, empfindlich reagiert, verschleißanfällig ist und einen hohen Herstellungsaufwand sowie häufige Justierungen erfordert.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Weg aufzuzeigen, wie ein für die Kraftfahrzeugtechnik geeigneter Linearsensor geschaffen werden kann, der sich kostengünstig herstellen lässt und auch bei im Fahrbetrieb auftretenden Erschütterungen präzise Messungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Linearsensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Linearsensor wird mit einfachsten Mitteln eine hochpräzise Führung des Stifts erreicht, bevorzugt indem eine Verengung der Hülse eine erste Führung bildet, die durch eine zweite Führung, die durch eine Verdickung des Stifts gebildet ist, ergänzt wird. Möglich ist es aber auch, sowohl die erste als auch die zweite Führung jeweils durch eine Verengung der Hülse auszubilden.
Zu Messfehlern führende Querbewegungen des Stifts können bei einem erfindungsgemäßen Linearsensor weitestgehend ausgeschlossen werden. Selbst bei Vibrationen, die beispielsweise durch Motorbetrieb entstehen können, kann deshalb mit einem erfindungsgemäßen Linearsensor die Position eines Messobjekts präzise festgestellt werden.
Indem sich der Stift und die Hülse nur an den der beiden Führungen berühren, was bevorzugt ist, ergeben sich vorteilhaft kleine Reibungsflächen. Mit kleinen Reibungsflächen sind nur geringe Reibungskräfte verbunden, so dass ein verscheißarmer Betrieb und eine hohe Langzeitstabilität möglich sind.
Bevorzugt befindet sich die Verengung an einem Ende der Hülse, insbesondere an dem Ende der Hülse, aus welchem der Stift herausragt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine durch die Verengung der Hülse und die Verdickung des Stifts bewirkte Zweipunktführung über eine größtmögliche Entfernung und deshalb mit größtmöglicher Präzision erfolgen kann. Aus denselben Gründen ist auch bevorzugt, dass sich die Verdickung an einem Ende des Stifts befindet.
Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor an einem die Verengung bildenden Abschnitt der Hülse befestigt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass selbst bei Motor bedingten Vibrationen der Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Stift, senkrecht zu Bewegungsrichtung des Stifts gemessen konstant bleibt und deshalb stets mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
Der Stift hat bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt, was die Fertigung vereinfacht und für eine geringe Reibung günstig ist. Besonders bevorzugt ist der Stift in der Hülse um seine Längsasche drehbar. Im Betreib eines Fahrzeugs können Vibrationen oder Bewegungen des Messobjekts dazuführen, dass auf den Stift ein Drehmoment ausgeübt wird. Indem der Stift drehbar ist, können derartige Drehmomente relaxieren ohne die Führung des Stifts zu belasten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stift und/oder die Hülse aus einem Grafitpartikel enthaltenden Kunststoff gefertigt sind. Ein im Betrieb unvermeidlicherweise auftretender Abrieb sorgt auf diese Weise durch das Freisetzen von Grafitpartikeln für eine andauernde Zufuhr an Gleitmittel. Selbst nach lang andauerndem Betrieb sind auf diese Weise stets geringe Reibungskräfte gewährleistet, so dass ein entsprechend ausgebildeter Linearsensor über sehr lange Zeiten stabil betrieben werden kann. Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Stift aus einem Grafitpartikel enthaltenden Kunststoff gefertigt ist, insbesondere, dass die Hülse aus einem grafitpartikelfreien Kunststoff gefertigt ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Hülse und der Stift, abgesehen von einem evtl. Grafitpartikelzusatz, aus demselben Kunststoff sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Hülse und Stift übereinstimmen und sich deshalb über einen sehr großen Temperaturbereich eine gleich bleibend präzise Führung ergibt. Als Material für die Hülse und den Stift sind Duroplaste bevorzugt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stift an seinem aus der Hülse herausragenden Ende abgerundet ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass beim Andrücken des Stifts an ein Messobjekt die Gefahr eines Kippens des Messobjekts, welche die Messgenauigkeit beeinträchtigten könnte, reduziert ist.
Bevorzugt hat der Stift an seinem aus der Hülse herausragenden Ende eine Stirnfläche, deren Durchmesser 20 % bis 60 % des Innendurchmessers der Hülse an der Verengung beträgt. Eine gegenüber dem Stiftdurchmesser reduzierte Stirnfläche bewirkt, dass bei einem eventuellen Kippen des Messobjekts die Übertragung von Querkräften reduziert wird. Die Führung des Stifts in der Hülse wird deshalb weniger belastet und für die Messgenauigkeit schädliche Querbewegungen können leichter vermieden werden. Eine Stirnfläche, deren Durchmesser 20 % bis 60 % des Durchmessers eines in der Hülse gelagerten zylindrischen Stiftabschnitts beträgt, ist andererseits groß genug, um die Flächenlast der an dem Messobjekt anliegenden Berührungsfläche auf ein für einen verschließarmen Betrieb geeignetes Maß zu begrenzen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert. Die dabei beschriebenen Merkmale können einzeln und in Kombination zum Gegenstand von Ansprüchen gemacht werden.

1: zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Linearsensors in einem Längsschnitt.

1 zeigt einen Linearsensor mit einer Hülse 5, in der ein zylindrischer Stift 7 gegen die Kraft einer Feder 6 linear verschiebbar gelagert ist. Der Stift 7 enthält einen Permanentmagneten 1, der bevorzugt ein Stabmagnet ist, und liegt bestimmungsgemäß mit seinem aus der Hülse 5 herausragenden Ende 4 an einem Messobjekt 2 an. Vergrößert sich der Abstand des Messobjekts 2 zu der Hülse 5, so wird der Stift 7 von der Feder 6 weiter aus der Hülse 5 herausgedrückt. Nähert sich das Messobjekt 2 der Hülse 5 an, wird der Stift 7 gegen die Kraft der Feder 6 weiter in die Hülse 5 hinein geschoben.
An der Hülse 5 ist ein Magnetfeldsensor 3, bevorzugt ein Hall-Sensor, befestigt. Eine Verschiebung des Stifts 7 mit dem darin enthaltenen Permanentmagneten 1 bewirkt eine Änderung des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 3. Durch eine Auswertung dieser Änderung kann die Position des Permanentmagneten 1 und damit des Messobjekts 2 ermittelt werden.
Der Stift 7 berührt die Hülse 5 an zwei Führungsflächen 8. Eine erste Führungsfläche 8 ist durch eine Verengung der Hülse 5 gebildet, die sich bevorzugt an dem Ende 4 der Hülse 5 befindet, mit dem der Stift 7 aus der Hülse 5 herausragt. Eine zweite Führungsfläche 8 ist durch eine Verdickung des Stifts 7, vorzugsweise an seinem von dem Messobjekt 2 abgewandten Ende, ausgebildet. Die Verengung der Hülse 5 bildet auf diese Weise eine erste Führung, die durch eine zweite Führung, die durch die Verdickung des Stifts 7 gebildet ist, ergänzt wird. Auf diese Weise wird eine sehr genaue und reibungsarme Führung erreicht.
Der Stift 7 und die Hülse 5 berühren sich im Bereich der Führungsflächen 8 jeweils flächig, was die Präzision der axialen und radialen Führung weiter erhöht. Hierfür ist die Verengung als ein Abschnitt der Hülse 5 ausgebildet, der einen reduzierten Innendurchmesser hat, und die Verdickung des Stifts zylindrisch, so dass die Führungsflächen 8 jeweils Zylinderflächen sind. Dabei ist es vorteilhaft, den Magnetfeldsensor 3 an dem die Verengung ausbildenden Abschnitt der Hülse 5 zu befestigen, da dort der Abstand des Stifts 7 von dem Magnetfeldsensor 3 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stifts 7 auch bei Auftreten von Vibrationen mit der größten Genauigkeit konstant bleibt.
Die Feder 6 wirkt auf ein Ende des Stiftes 7, nämlich das die Verdickung aufweisende Ende. Die Verdickung hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen hülsenartigen Fortsatz, in den die Wendelfeder 6 hineinragt. Die Wendelfeder 6 stützt sich an einem nicht dargestellten Widerlager ab, das bevorzugt außerhalb der Hülse 5 angeordnet ist, aber prinzipiell auch von der Hülse 5 selbst gebildet sein kann.
Der Stift 7 ist an seinem aus der Hülse 5 herausragenden Ende 4 abgerundet und hat dort eine ebene Stirnfläche, deren Durchmesser bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 50 % des Innendurchmessers der Hülse 5 an ihrer Verengung beträgt. Durch diese geometrische Gestaltung wird einerseits eine genügend große Berührungsfläche für eine geringe Flächenlast und somit einen verschleißarmen Betrieb erreicht. Andererseits wird durch eine reduzierte Auflagefläche die Reibung minimiert und die Übertragung von Querkräften bei einem evtl. Kippen des Messobjekts 2 verhindert. Allgemein ist es günstig, wenn die Stirnfläche einen Durchmesser von etwa 20 bis 60 % des Innendurchmessers der Hülse 5 an der Verengung hat.
Der Stift 7 ist durch Umspritzen des Permanentmagneten 1 mit einem Duroplast gefertigt. Die Hülse 5 ist ebenfalls aus einem Duroplast hergestellt, vorzugsweise aus demselben Duroplast. Auf diese Weise haben der Stift 7 und die Hülse 5 ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass es in einem großen Temperaturbereich im Bereich der Führungsflächen 8 weder zu einem Klemmen noch zu einem Spiel kommt. Der dargestellte Linearsensor kann deshalb insbesondere auch im Motorraum eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden und sich im Betrieb auf bis zu 170°C ohne Beeinträchtigung erwärmen.
Zur Verbesserung der Gleiteigenschaften ist es vorteilhaft, für den Stift 7 einen Duroplast mit einem Grafitpartikelzusatz zu verwenden. Die zugesetzten Grafitpartikel reduzieren die Härte des Duroplasts. Ein im Betrieb unvermeidlicher Abrieb tritt auf diese Weise praktisch ausschließlich an dem Stift 7, nicht jedoch an der Hülse 5 auf. Da der Abrieb eine Grafitfüllung beinhaltet, wirkt der Abriebstaub als Gleitmittel in den Führungsflächen 8. Dieser Vorteil lässt sich auch nutzen, indem anstelle des Stiftes 7 oder zusätzlich zu dem Stift 7 die Hülse 5 aus graphitpartikelhaltigem Kunststoff hergestellt wird.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Duroplast des Stiftes 7 Graphitpartikel enthält. Ein an der Stirnfläche 4 auftretender Abrieb führt dann nämlich zu einer Reibungsreduktion und damit zur Verminderung von Querkräften, die bei einem Kippen des Messobjekts 2 auftreten können. Prinzipiell ist es auch möglich, sowohl die Hülse 5 als auch für den Stift 7 grafitpartikelhaltigen Kunststoff zu verwenden. Dies ist jedoch wegen des erhöhten Abriebs nicht bevorzugt.
Bezugszeichenliste

1: Permanentmagneten
2: Messobjekt
3: Magnetfeldsensor
4: Ende
5: Hülse
6: Feder
7: Stift
8: Führungsfläche

Claims

Linearsensor mit einer Hülse (5), einem Stift (7), der einen Permanentmagneten (1) enthält und in der Hülse (5) gegen die Kraft einer Feder (6) linear verschiebbar gelagert ist, und einem an der Hülse (5) befestigten Magnetfeldsensor (3) zum Detektieren einer Verschiebung des Permanentmagneten (1), wobei der Stift (7) mit einer ersten zylindrischen Führung (8) und einer zweiten zylindrischen Führung (8) geführt ist, wobei die erste Führung (8) des Stifts (7) durch eine Verengung der Hülse (5) gebildet ist, an welcher der Stift (7) die Hülse (5) berührt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Führung (8) durch eine Verdickung des Stifts (7) gebildet ist, welche die Hülse (5) berührt, und dass der Stift (7) durch Umspritzen des Permanentmagneten (1) hergestellt ist.
Linearsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verengung an einem Ende (4) der Hülse (5) befindet.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung als ein Hülsenabschnitt mit reduziertem Innendurchmesser ausgebildet ist.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verdickung an einem Ende des Stifts (7) befindet.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung einen hülsenartigen Fortsatz aufweist, in den die Feder (6) hineinragt.
Linearsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) auf ein Ende (4) des Stifts (7) einwirkt.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (7) und/oder die Hülse (5) aus einem Graphitpartikel enthaltenden Kunststoff gefertigt sind.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (7) aus einem Graphitpartikel enthaltenden Kunststoff gefertigt ist.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) aus einem Duroplast ist.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (7) aus einem Duroplast ist.
Linearsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) und der Stift (7), abgesehen von einem eventuellen Graphitpartikelzusatz, aus dem selben Duroplast sind
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (7) einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (7) an seinem aus der Hülse (5) herausragenden Ende (4) abgerundet ist.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (7) an seinem aus der Hülse (5) herausragenden Ende (4) eine Stirnfläche hat, deren Durchmesser 20 % bis 60 % des Innendurchmessers der Hülse (5) an der Verengung beträgt.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (3) an einem die Verengung bildenden Abschnitt der Hülse (5) befestigt ist.
Linearsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (7) in der Hülse (5) drehbar ist.