DE19751519C2 - Linearsensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearsensor zur Er
zeugung eines elektrischen Steuersignals in Abhängigkeit von
der Relativposition zweier relativ zueinander verschiebbarer
Teile, wobei der Linearsensor einen Magneten aufweist, dem
mindestens ein Hallsensor zugeordnet ist, und wobei der Mag
net und der Hallsensor relativ zueinander verschieblich ge
halten sind und der Hallsensor ein von seiner Position rela
tiv zum Magneten abhängiges elektrisches Spannungssignal lie
fert.
Linearsensoren kommen insbesondere in der Kraftfahrzeugtech
nik zum Einsatz, beispielsweise bei der Steuerung eines
Bremskraftverstärkers, dessen Aktivierung in Abhängigkeit von
der Auslenkung eines Bremspedals erfolgt. Mit zunehmender Pe
dalauslenkung wird der Bremsdruck erhöht, der auf ein Steuer
glied, beispielsweise eine Membran, einwirkt, dessen Auslen
kung mittels der Linearsensoren ermittelt wird. Hierzu steht
üblicherweise ein verschiebbarer Schaltstößel mit dem Steuer
glied in Wirkverbindung, so daß der Schaltstößel verschoben
wird, wenn das Steuerglied mit zunehmendem Bremsdruck ausge
lenkt wird.
Die Veränderung der Position des Schaltstößels relativ zu ei
nem am Kraftfahrzeug fixierten Teil wird mittels der Linear
sensoren ermittelt, wobei ein elektrisches Steuersignal gene
riert wird, das an die Zentralelektronik des Kraftfahrzeugs
weitergegeben wird. Diese wiederum steuert in Abhängigkeit
des vom Linearsensor bereitgestellten Steuersignals einen
Bremskraftverstärker des Kraftfahrzeugs.
Bekannte Linearsensoren, wie sie beispielsweise in der
DE 40 15 720 C2 beschrieben sind, sind insbesondere als
Schleif-Potentiometer ausgerüstet. Diese Potentiometer sind
jedoch vibrationsempfindlich und nützen sich relativ rasch
ab, so daß der Linearsensor im Hinblick auf die Lebensdauer
des Kraftfahrzeugs eine kurze Standzeit aufweist. Außerdem
lassen sich mit bekannten Linearsensoren nur unbefriedigende
Ergebnisse hinsichtlich der Genauigkeit des Steuersignals er
zielen.
In der DE 196 04 987 ist bereits ein Wegsensor mit einem be
rührungslos arbeitenden Abgriffelement vorgeschlagen, wobei
der Abgriff magnetisch erfolgen kann.
Linearsensoren mit einem Magneten und einem Hallsensor sind
aus der DE 196 24 233 C1 und auch aus DE 43 03 403 A1 be
kannt. Darin wird jeweils vorgeschlagen, den Magneten an ei
nem in ein Gehäuse eintauchenden Stößel anzuordnen, so daß
der Magnet in Richtung seiner Längsachse beweglich ist. In
dem Gehäuse ist ein Sensor fixiert, der bei einer Lagever
schiebung des Magneten eine Änderung der Richtung des Magnet
flusses erfaßt. Mittels einer derartigen Konstruktion kann
zwar ein von der Relativposition des Magneten abhängiges
elektrisches Signal erzeugt werden, es hat sich aber gezeigt,
daß das Signal nicht in allen Fällen zuverlässig reproduzier
bar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Linearsensor
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß er ein
besser reproduzierbares Ausgangssignal erzeugt.
Diese Aufgabe wird bei einem Linearsensor der gattungsgemäßen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Magnet unver
schieblich in einem Gehäuse des Linearsensors festgelegt ist
und der Hallsensor relativ zum Magneten im Gehäuse verschieb
bar ist.
Die Erzeugung des positionsabhängigen Spannungssignals er
folgt somit berührungslos, wodurch zum einen die Vibrati
onsempfindlichkeit des Linearsensors erheblich reduziert wird
und wodurch zum anderen die Standzeit des Linearsensors be
trächtlich verlängert werden kann, da die relativ zueinander
verschiebbaren Teile nicht verschleißen. Letzteres hat außer
dem zur Folge, daß mittels des Linearsensors auch nach langer
Standzeit noch ein sehr präzises Spannungssignal erzeugt wer
den kann.
Maßgeblich für die Erzeugung des elektrischen Spannungs
signals, d. h. des Ausgangssignals des Hallsensors, ist eine
Linearverschiebung zwischen dem Hallsensor und dem Magneten.
Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, daß der Magnet unver
schieblich im Gehäuse des Linearsensors festgelegt ist und
der Hallsensor relativ zum Magneten verschiebbar gelagert
ist. Es hat sich gezeigt, daß sich durch eine derartige Aus
gestaltung ein besonders gut reproduzierbares Ausgangssignal
erzeugen läßt.
Günstig ist es, wenn der Magnet zylindersymmetrisch ausge
staltet ist, denn dies hat zur Folge, daß eine Verdrehung des
Magneten und/oder des Hallsensors um die Längsachse des Ma
gneten keinen störenden Einfluß auf das Ausgangssignal hat.
Ein zylindersymmetrisch ausgebildeter Magnet erzeugt ein zy
lindersymmetrisches Magnetfeld, das vom Hallsensor bei seiner
Relativbewegung abgefühlt wird. Das Ausgangssignal des Hall
sensors wird hierbei lediglich von einer Verschiebung in
Längsrichtung des Magneten beeinflußt, während eine Verdre
hung des Hallsensors relativ zum Magneten keine Magnetfeldän
derung und damit auch keine Änderung des Ausgangssignals be
wirkt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß
der Magnet als Stabmagnet ausgebildet ist und die Vorrichtung
einen parallel zur Längsrichtung des Magneten verschiebbaren
Träger umfaßt, an dem der Hallsensor gehalten ist. Der Hall
sensor kann bei der Montage des Linearsensors auf dem Träger
ausgerichtet und anschließend festgelegt werden. Der Einsatz
des verschiebbaren Trägers ermöglicht somit eine mechanische
Justierung des Hallsensors relativ zum Magneten, durch die
der Signalverlauf des elektrischen Spannungssignals beein
flußt werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgese
hen, daß der Träger verschieblich am Magneten gehalten ist.
Bei einer derartigen Ausgestaltung übernimmt der Magnet eine
doppelte Funktion. Zum einen erzeugt er ein Magnetfeld, so
daß ein von der Position des Hallsensors relativ zum Magneten
abhängiges elektrisches Spannungssignal erzeugt werden kann.
Zum anderen übernimmt der Magnet auch die Führung des ver
schiebbaren Trägers, an dem der Hallsensor gehalten ist. Ein
zusätzliches Führungselement kann somit entfallen. Durch eine
derartige Konstruktion wird auf überraschend einfache Weise
sichergestellt, daß die Verschiebebewegung des Hallsensors
parallel zur Längsachse des Magneten erfolgt, ohne daß hierzu
eine aufwendige Justage erforderlich ist.
Günstig ist es, wenn der Träger einen gleitverschieblich am
Magneten gelagerten Schlitten umfaßt, mit dessen Hilfe der
Hallsensor längs des Magneten verschoben werden kann. Zur Er
zielung der Gleitverschiebbarkeit kann der Träger eine den
Magneten in Umfangsrichtung im wesentlichen vollständig umge
bende Lagerbuchse aufweisen.
Von Vorteil ist es, wenn der Träger relativ zum Magneten un
verdrehbar gehalten ist. Dadurch kann sichergestellt werden,
daß der Träger lediglich parallel zur Längsachse des Magneten
verschiebbar ist, nicht jedoch in tangentialer Richtung. Mit
tels einer derartigen Ausgestaltung läßt sich ein besonders
präzises Ausgangssignal des Hallsensors erzeugen.
Bevorzugt ist der Träger aus Kunststoff gefertigt, so daß
keine Beeinflussung des vom Magneten hervorgerufenen Magnet
felds durch den Träger erfolgt. Dadurch wird ebenfalls die
Genauigkeit des Ausgangssignals erhöht.
Es kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß der Line
arsensor ein parallel zur Längsrichtung des Magneten ver
schiebbares Betätigungsglied zum Verschieben des Hallsensors
aufweist. Das Betätigungsglied kann mit dem den Hallsensor
tragenden Träger in Wirkverbindung stehen und derart ausge
staltet sein, daß es an ein mechanisches Steuerglied ankop
pelbar ist, dessen Auslenkung ermittelt werden soll. So kann
beispielsweise vorgesehen sein, daß das Betätigungsglied
stirnseitig an dem eingangs genannten Steuerglied eines
Bremskraftverstärkers anliegt und dadurch die Bewegung des
Steuerglieds auf den verschiebbaren Träger des Linearsensors
überträgt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das
Betätigungsglied ein in das Gehäuse des Linearsensors eintau
chender, an den Träger anlegbarer Stößel umfaßt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer Verschiebung des
Betätigungsglieds die Position des Betätigungsglieds relativ
zum Träger quer zur Längsrichtung des Magneten veränderbar
ist. Dadurch kann sichergestellt werden, daß auch eine Aus
richtung des Betätigungsglieds schräg zur Längsachse des
Magneten und damit schräg zur Verschiebewegung des Trägers
kein fehlerbehaftetes Ausgangssignal liefert, denn eine
schräge Ausrichtung des Betätigungsglieds hat keinen Einfluß
auf die Verschiebebewegung des Trägers. Eine Bewegungskompo
nente des Betätigungsglieds quer zur Längsrichtung des Magne
ten hat somit kein fehlerbehaftetes Ausgangssignal des Hall
sensors zur Folge.
Bevorzugt ist das Betätigungsglied verschiebbar und insbeson
dere unverdrehbar am Gehäuse des Linearsensors gelagert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der
Träger in Richtung auf das Betätigungsglied federbelastet und
mittels des Betätigungsglieds entgegen der Federbelastung
verschiebbar ist. Dadurch wird gewährleistet, daß der Träger
und der an ihm gehaltene Hallsensor nach einer vom Betäti
gungsglied hervorgerufenen Positionsänderung selbsttätig un
ter der Wirkung der Federbelastung in ihre Ausgangsposition
zurückverschoben werden.
So kann beispielsweise ein den Träger mit einer in Richtung
auf das Betätigungsglied gerichteten Federkraft beaufschla
gendes Federelement vorgesehen sein, das am Magneten geführt
ist. Mittels der Führung des Federelements am Magneten kann
auf einfache Weise sichergestellt werden, daß der Träger bei
seiner Rückstellung in die Ausgangsposition mit einer paral
lel zur Längsachse des Magneten ausgerichteten Kraft beauf
schlagt wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß das
Federelement als eine den Magneten in Umfangsrichtung umge
bende Schraubenfeder ausgebildet ist.
Um eine Störung des vom Magneten hervorgerufenen Magnetfelds
durch das Federelement zu verhindern, ist es von Vorteil,
wenn das Federelement aus einem diamagnetischen Material ge
fertigt ist.
Insbesondere bei einem Anschluß des erfindungsgemäßen Linear
sensors an das Bremssystem eines Kraftfahrzeugs ist es von
Vorteil, wenn das Gehäuse des Linearsensors vakuumdicht ver
schließbar ist. Außerdem wird durch eine derartige Ausgestal
tung gewährleistet, daß auch nach langer Standzeit, die mit
tels des Linearsensors erzielbar ist, keine das Ausgangs
signal des Hallsensors beeinflussenden Schmutzpartikel in das
Gehäuse eindringen können.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgese
hen, daß der Hallsensor an einer über eine flexible Leitung
mit einem elektrischen Anschlußelement des Linearsensors ver
bundene Leiterplatine gehalten ist, die am Träger festgelegt
ist. Die Leiterplatine kann zusätzlich zum Hallsensor weitere
elektronische Bauteile aufnehmen, so daß das Ausgangssignal
des Hallsensors beispielsweise innerhalb des Gehäuses ver
stärkt und vorteilhafterweise auch elektronisch korrigiert
werden kann.
Bei einer kostengünstig herstellbaren Ausführungsform ist
vorgesehen, daß die Leiterplatine mit dem Träger thermisch
verstemmt ist.
Um eine Störung des vom Magneten hervorgerufenen Magnetfelds
durch die den Hallsensor mit dem elektrischen Anschlußelement
verbindende flexible Leitung zu verhindern, ist es von Vor
teil, wenn die flexible Leitung aus einem diamagnetischen Ma
terial gefertigt ist. Hierbei kann insbesondere eine flexible
Flachbandleitung zum Einsatz kommen.
Wie bereits erläutert, kann die Leiterplatine zusätzlich zum
Hallsensor einen elektronischen Schaltkreis aufnehmen zur Si
gnalverarbeitung des vom Hallsensor bereitgestellten elektri
schen Spannungssignals. Die Leiterplatine ist innerhalb des
vorteilhafterweise vakuumdicht verschlossenen Gehäuses ange
ordnet und steht über die flexible Leitung mit dem elektri
schen Anschlußelement, beispielsweise einem Stecker oder ei
ner Buchse, in Verbindung. Die flexible Leitung ist zu diesem
Zweck mehradrig ausgestaltet und umfaßt zum einen eine Ver
sorgungsleitung für den Hallsensor, über die der Hallsensor
mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 5 Volt versorgt
wird. Zum anderen umfaßt die flexible Leitung eine Masselei
tung, mit der der Hallsensor elektrisch an Masse angeschlos
sen werden kann, und schließlich umfaßt die flexible Leitung
eine Ausgangsleitung, über die das Ausgangssignal des Hall
sensors übertragen wird.
Um sicherzustellen, daß eine Unterbrechung der Masseleitung
innerhalb des Gehäuses des Linearsensors auch bei vakuumdicht
verschlossenem Gehäuse von außen auf einfache Weise erkannt
werden kann, wird in der DE 44 00 437 A1 der Einsatz einer
Fehlererkennungsschaltung vorgeschlagen mit mehreren unverän
derlichen Widerständen, die bei einer Unterbrechung der Mas
severbindung einen definierten Spannungsabfall bewirken, der
außerhalb des Gehäuses abgegriffen werden kann. Der Einsatz
mehrerer unveränderlicher Widerstände hat allerdings einen
beträchtlichen schaltungstechnischen Aufwand zur Folge. Von
Vorteil ist deshalb eine Fehlererkennungsschaltung, die einen
zwischen die Versorgungsleitung und die Ausgangsleitung des
Hallsensors geschalteten veränderbaren Widerstand umfaßt, der
bei Unterbrechung der Masseleitung einen niederohmigen Zu
stand einnimmt. Dies hat zur Folge, daß bei einer Unterbre
chung der Masseleitung an der Ausgangsleitung des Hallsensors
im wesentlichen die gesamte Versorgungsspannung anliegt, da
am veränderbaren Widerstand praktisch kein Spannungsabfall
mehr erfolgt. Durch Messung der an der Ausgangsleitung anlie
genden elektrischen Spannung kann somit auf einfache Weise
festgestellt werden, ob die Masseleitung unterbrochen ist.
Während im Normalbetrieb die Ausgangsspannung beispielsweise
Werte im Bereich von ungefähr 0,5 Volt bis etwa 4,5 Volt an
nimmt, liegt der entsprechende Wert bei einer Unterbrechung
der Masseleitung bei cirka 5 Volt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Fehlerer
kennungsschaltung ist vorgesehen, daß der veränderbare Wider
stand über einen Gleichspannungswandler ansteuerbar ist, der
zwischen die Versorgungsleitung und die Masseleitung des
Hallsensors geschaltet ist. Der Gleichspannungswandler (DC-
DC-Konverter) greift die an der Versorgungsleitung anliegende
Versorgungsspannung des Hallsensors ab und steht zusätzlich
mit der Masseleitung in Verbindung. Wird die Masseleitung un
terbrochen, so ist das an dieser Leitung anliegende Potential
frei veränderlich, dies hat eine Potentialdrift, ein soge
nanntes "Floaten" zur Folge. Die Potentialdrift an der Masse
leitung wird vom Gleichspannungswandler erfaßt, der daraufhin
dem veränderbaren Widerstand eine derartige Steuerspannung
bereitstellt, daß dieser in einen niederohmigen Zustand über
geht, so daß bei einer Unterbrechung der Masseleitung an der
Ausgangsleitung des Hallsensors im wesentlichen die gesamte
Versorgungsspannung abgegriffen werden kann.
Die Fehlererkennungsschaltung kann ebenso wie der Hallsensor
in einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis inte
griert sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist deshalb
vorgesehen, daß der veränderbare Widerstand als in einen mi
kroelektronischen Schaltkreis integrierbares Halbleiterbau
element ausgestaltet ist. Hierbei hat sich ein Feldeffekt
transistor (FET), insbesondere ein MOS-Feldeffekttransistor,
als besonders vorteilhaft erwiesen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgese
hen, daß der veränderbare Widerstand als n-Kanal Depletion
MOS-Feldeffekttransistor ausgestaltet ist.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der nä
heren Erläuterung.
Es zeigen:
Fig. 1: eine Längsschnittansicht eines erfindungsge
mäßen Linearsensors;
Fig. 2: eine Seitenansicht des Linearsensors und
Fig. 3: ein Blockschaltbild einer beim Linearsensor
zum Einsatz kommenden Fehlererkennungsschal
tung.
In den Fig. 1 und 2 ist schematisch ein insgesamt mit dem
Bezugszeichen 10 versehener berührungsloser Linearsensor dar
gestellt. Dieser umfaßt ein topfförmig ausgebildetes Gehäuse
12 mit einem Gehäuseboden 14 und einem im wesentlichen zylin
drisch ausgebildeten Gehäusemantel 16. Das Gehäuse 12 ist be
vorzugt aus Kunststoff gefertigt. Mit dem Gehäuse 12 ist ein
ebenfalls topfförmig ausgebildeter Deckel 18 über an sich be
kannte und in der Zeichnung nicht dargestellte Rastmittel
verrastbar, wobei zusätzlich in eine Trennfuge 20 eine Gieß
masse 21 einbringbar ist, so daß das Gehäuse 12 vakuumdicht
verschließbar ist.
In den Gehäuseboden 14 des Gehäuses 12 ist eine Durchgangs
bohrung 23 eingeformt, die ein Lager bildet für einen die
Durchgangsbohrung 23 durchgreifenden Schaltstößel 25, der in
das Gehäuse 12 eintaucht und mit seinem freien, in der Zeich
nung nicht dargestellten Ende beispielsweise mit einer Mem
bran verbindbar ist, die sich in Abhängigkeit des Bremsdruc
kes eines Bremssystems ausbaucht. An seinem in das Gehäuse 12
eintauchenden Ende trägt der Schaltstößel 25 eine Umfangsnut
27, an der ein Reiter 29 festgelegt ist, der radial nach
außen abstehend zwei Flügel 31 und 33 trägt, wie aus Fig. 2
deutlich wird. Die Flügel 31 und 33 tauchen mit ihren freien
Enden in parallel zur Längsrichtung des Gehäuses 12 ausge
richtete Führungsnuten 32 bzw. 34 ein, die an Führungsrippen
35 bzw. 37 eingebracht sind. Diese sind an der Innenseite des
Gehäusemantels 16 festgelegt. Der mittels der Flügel 31 und
33 unverdrehbar im Gehäuse 12 geführte Reiter 29 bildet zu
sätzlich zur Durchgangsbohrung 23 eine weitere Führung für
den Schaltstößel 25, wenn dieser in Richtung des Gehäusedec
kels 18 beispielsweise in die in Fig. 1 strichpunktiert dar
gestellte Stellung verschoben wird.
Innenseitig ist versetzt zur Durchgangsbohrung 23 am Gehäuse
boden 14 eine Sackbohrung 38 angeordnet, die einer korrespon
dierenden Sackbohrung 40 am Deckel 18 gegenüberliegt. Die
beiden Sackbohrungen 38 und 40 nehmen jeweils ein Ende eines
zylinderförmig ausgebildeten Stabmagneten 42 ein, der sich im
wesentlichen über die gesamte Länge des Gehäuses 12 und des
Deckels 18 erstreckt. Mittels des als zylindersymmetrischen
Permanentmagneten ausgestalteten Stabmagneten 42 wird inner
halb des Gehäuses 12 ein starkes Magnetfeld gebildet, das
beispielsweise eine Stärke zwischen ungefähr 0,6 und 1,2 Tes
la aufweisen kann. Der Stabmagnet 42 dient der gleitver
schieblichen Führung eines Trägers 44, der einen Schlitten 46
umfaßt, der über eine den Stabmagneten 42 in Umfangsrichtung
umgebende Lagerbuchse 48 gleitverschieblich am Stabmagneten
42 gelagert ist.
Im Bereich zwischen dem Schlitten 46 und dem Deckel 18 ist
der Stabmagnet 42 längs seines Umfanges von einer Schrauben
feder 50 umgeben, die sich einerseits am Deckel 18 und ande
rerseits am Schlitten 46 abstützt und den Schlitten 46 mit
einer in Richtung auf den Schaltstößel 25 ausgerichteten Fe
derkraft beaufschlägt. Dadurch wird sichergestellt, daß der
Schlitten 46 an der Stirnfläche des Schaltstößels 25 anliegt,
wobei jedoch keine mechanische Kopplung in Form eines Verbin
dungselements zwischen dem Schlitten 46 und dem Schaltstößel
25 vorliegt.
Wie aus Fig. 2 deutlich wird, die eine Seitenansicht des Ge
häuses 12 in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1 darstellt, um
faßt der Schlitten 46 in ähnlicher Weise wie der Reiter 29
zwei seitlich abstehende Flügel 52 und 54, deren freie Enden
in U-förmig ausgestalteten Führungsnuten 53 bzw. 54 parallel
zur Längsachse des Gehäuses 12 und damit auch parallel zur
Längsachse des Stabmagneten 42 grob geführt sind. Die Flügel
52 und 54 bilden lediglich eine Verdrehsicherung für den ver
schieblich am Stabmagneten 42 gehaltenen Schlitten 46, die
Ausrichtung der Verschiebebewegung parallel zur Längsachse
des Stabmagneten 42 wird mittels der Lagerbuchse 48 sicherge
stellt.
Mit dem Schlitten 46 ist eine Leiterplatine 57 thermisch ver
stemmt, an der ein Hallsensor 59 festgelegt ist. Dieser ist
in an sich bekannter und deshalb aus der Zeichnung nicht er
sichtlicher Weise in einen anwenderspezifischen mikroelektro
nischen Baustein integriert, der zusätzlich zum Hallsensor 59
weitere elektronische Bauteile aufnimmt, wie nachfolgend un
ter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert wird.
Der Hallsensor 59 steht über ein mehradriges Flachbandkabel
61 mit Kontaktstiften einer seitlich am Gehäuse 12 angeform
ten Steckbuchse 63 in elektrischer Verbindung, so daß über
die Steckbuchse 63 das Ausgangssignal des Hallsensors 59 ab
gegriffen und diesem ein Massepotential sowie eine Versor
gungsspannung zugeführt werden kann.
Wird der Schaltstößel 25 beispielsweise durch Belastung einer
in der Zeichnung nicht dargestellten Membran in Richtung auf
den Deckel 18 verschoben, so drückt er dabei gegen den
Schlitten 46, wodurch dieser entgegen der Federkraft der
Schraubenfeder 50 längs des Stabmagneten 42 beispielsweise in
die in Fig. 1 strichpunktiert dargestellte Position verscho
ben wird. Die Verschiebung hat eine Veränderung des vom Hall
sensor 59 abgefühlten Magnetfelds und damit auch eine Verän
derung von dessen Ausgangssignal zur Folge. Das Ausgangs
signal kann an der Steckbuchse 63 abgegriffen werden. Über
den Schlitten 46 und den daran festgelegten Hallsensor 59
kann somit eine Verschiebebewegung des Schaltstößels 25 be
rührungslos erfaßt werden.
Da die Führung des Hallsensors 59 mittels des gleitverschieb
lich am Stabmagneten 42 gehaltenen Schlittens 46 erfolgt,
kann auf überraschend einfache Weise über den gesamten Ver
schiebeweg, der dem Hallsensor 59 zur Verfügung steht, ein
praktisch gleichbleibender Abstand zwischen Hallsensor 59 und
Stabmagnet 42 sichergestellt werden. Da der Schaltstößel 25
lediglich am Schlitten 46 anliegt, aber mechanisch vom
Schlitten 46 entkoppelt ist, hat auch eine Dejustierung des
Schaltstößels 25 keine Störung des Ausgangssignals des Hall
sensors 59 zur Folge.
In Fig. 3 ist schematisch die elektrische Verschaltung des
Hallsensors 59 dargestellt. Wie bereits erläutert, weist das
Flachbandkabel 61 mindestens drei Adern auf in Form einer
Versorgungsleitung 65, einer Masseleitung 66 und einer Aus
gangsleitung 67. Über die Versorgungsleitung 65 kann der
Hallsensor 59 mit einer Versorgungsspannung von beispielswei
se 5 Volt versorgt werden. Über die Masseleitung 66 wird der
Hallsensor an ein definiertes Massepotential angeschlossen.
Über die Ausgangsleitung 67 kann das von der Relativposition
zwischen Hallsensor 59 und Stabmagnet 42 abhängige Ausgangs
signal des Hallsensors 59 abgegriffen werden. Das Ausgangs
signal kann beispielsweise Spannungswerte im Bereich von etwa
+0,5 Volt bis ungefähr +4,5 Volt annehmen.
Wie aus Fig. 3 deutlich wird, ist an die Masseleitung 66 zu
sätzlich ein Gleichspannungswandler 69 angeschlossen, dessen
Eingang mit der Versorgungsleitung 65 elektrisch verbunden
ist. Der Ausgang des Gleichspannungswandlers ist über eine
Steuerleitung 71 mit dem Gate-Anschluß eines n-Kanal Depleti
on MOS-Feldeffekttransistors 73 verbunden. Dieser ist mit
seinen Drain- bzw. Source-Anschlüssen an die Versorgungslei
tung 65 und die Ausgangsleitung 67 angeschlossen. Der Feldef
fekttransistor bildet einen zwischen die Versorgungsleitung
65 und die Ausgangsleitung 67 geschalteten veränderbaren Wi
derstand, der vom Gleichspannungswandler 69 angesteuert wer
den kann.
Im Normalbetrieb nimmt der Feldeffekttransistor 73 einen sehr
hochohmigen Zustand ein. Dies wird dadurch gewährleistet, daß
der Gleichspannungswandler 69 den Gate-Anschluß des Feldef
fekttransistors mit einer elektrischen Spannung beaufschlägt,
die um mehr als 1 Volt geringer ist als die am Source-
Anschluß des Feldeffekttransistors und damit an der Ausgangs
leitung 67 anliegende Spannung. So kann beispielsweise vorge
sehen sein, daß die Ausgangsspannung des Gleichspannungswand
lers 69 -1 Volt beträgt, während die Source-Spannung des Feld
effekttransistors 73, die der Ausgangsspannung des Hallsen
sors 59 entspricht, im Bereich zwischen +0,5 Volt und
+4,5 Volt liegt.
Wird die Masseleitung 66 unterbrochen, so wird dem Gleich
spannungswandler 69 kein eindeutig definiertes Massepotential
zur Verfügung gestellt. Dies hat zur Folge, daß sich die Aus
gangsspannung des Gleichspannungswandlers 69 erhöht. Der Fel
deffekttransistor 73 wird somit mit einer höheren Spannung
angesteuert. Dies hat zur Folge, daß er in einen sehr nie
derohmigen Zustand übergeht, d. h. der Feldeffekttransistor 73
bildet praktisch eine Kurzschlußverbindung zwischen der Ver
sorgungsleitung 65 und der Ausgangsleitung 67. Liegt also ei
ne Unterbrechung der Masseleitung 66 vor, so kann dies ohne
weiteres dadurch festgestellt werden, daß an der Ausgangslei
tung 67 praktisch die gesamte Versorgungsspannung anliegt,
die dem Hallsensor 59 zur Verfügung gestellt wird. Während
bei einwandfreier Funktion der Masseleitung 66 an der Aus
gangsleitung 67 eine Spannung im Bereich von ungefähr +0,5
Volt bis etwa +4,5 Volt abgegriffen werden kann, zeigt eine
Spannung von etwa +5 Volt an der Ausgangsleitung 67 an, daß
die Masseleitung 66 unterbrochen ist.
Um den Hallsensor 59 ebenso wie die den Gleichspannungswand
ler 69 und den Feldeffekttransistor 73, die eine Fehlererken
nungsschaltung 75 ausbilden, in einem anwenderspezifischen
mikroelektronischen Bauteil zu integrieren, ist es vorteil
haft, wenn der Feldeffekttransistor als n-Kanal Depletion
MOS-Feldeffekttransistor ausgestaltet ist. Es hat sich ge
zeigt, daß eine derartige Ausführungsform des Feldeffekttran
sistors ohne weiteres integrierbar ist.
Claims (27)
1. Linearsensor zur Erzeugung eines elektrischen Steuer
signals in Abhängigkeit von der Relativposition zweier
relativ zueinander verschiebbarer Teile, wobei der
Linearsensor einen Magneten aufweist, dem mindestens
ein Hallsensor zugeordnet ist, wobei der Magnet und der
Hallsensor relativ zueinander verschieblich gehalten
sind und der Hallsensor ein von seiner Position relativ
zum Magneten abhängiges elektrisches Spannungssignal
liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (42)
unverschieblich in einem Gehäuse (12) des Linearsensors
(10) festgelegt ist und der Hallsensor (59) relativ zum
Magneten (42) im Gehäuse (12) verschiebbar ist.
2. Linearsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnet (42) zylindersymmetrisch ausgestaltet
ist.
3. Linearsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Magnet als Stabmagnet (42) ausge
staltet ist und der Linearsensor (10) einen parallel
zur Längsrichtung des Magneten (42) verschiebbaren
Träger (44) umfaßt, an dem der Hallsensor (59) gehalten
ist.
4. Linearsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (44) verschieblich am Magneten (42)
gehalten ist.
5. Linearsensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Träger (44) einen gleitverschieblich
am Magneten (42) gelagerten Schlitten (46) umfaßt.
6. Linearsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Träger (44) eine den Magneten (42) in
Umfangsrichtung im wesentlichen vollständig umgebende
Lagerbuchse (48) aufweist.
7. Linearsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (44) relativ zum Magne
ten (42) unverdrehbar gehalten ist.
8. Linearsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (44) aus Kunststoff
gefertigt ist.
9. Linearsensor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Linearsensor (10) ein
parallel zur Längsrichtung des Magneten (42) verschieb
bares Betätigungsglied (25) zum Verschieben des Hall
sensors (59) aufweist.
10. Linearsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Betätigungsglied einen in das Gehäuse (12) des
Linearsensors (10) eintauchenden, an den Träger (44)
anlegbaren Stößel (25) umfaßt.
11. Linearsensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei einer Verschiebung des Betätigungs
glieds (25) die Position des Betätigungsglieds (25)
relativ zum Träger (44) quer zur Längsrichtung des
Magneten (42) veränderbar ist.
12. Linearsensor nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (25) ver
schiebbar am Gehäuse (12) gelagert ist.
13. Linearsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (25) unver
drehbar am Gehäuse (12) gelagert ist.
14. Linearsensor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (44) in Richtung auf das
Betätigungsglied (25) federbelastet ist und mittels des
Betätigungsglieds (25) entgegen der Federbelastung
verschiebbar ist.
15. Linearsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der Linearsensor (10) ein den Träger (44) mit einer
in Richtung auf das Betätigungsglied (25) ausgerichte
ten Federkraft beaufschlagendes Federelement (50) um
faßt, das am Magneten (42) geführt ist.
16. Linearsensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Federelement als den Magneten (42) in Umfangs
richtung umgebende Schraubenfeder (50) ausgestaltet
ist.
17. Linearsensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Federelement (50) aus einem diamagne
tischen Material gefertigt ist.
18. Linearsensor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) vakuum
dicht verschließbar ist.
19. Linearsensor nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hallsensor (59) an
einer über eine flexible Leitung (61) mit einem
elektrischen Anschlußelement (63) des Linearsensors
(10) verbundene Leiterplatine (57) gehalten ist, die am
Träger (44) festgelegt ist.
20. Linearsensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterplatine (57) mit dem Träger (44) ther
misch verstemmt ist.
21. Linearsensor nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn
zeichnet, daß die flexible Leitung (61) aus einem
diamagnetischen Material gefertigt ist.
22. Fehlererkennungsschaltung zur Ausgabe eines definierten
Spannungssignals bei Unterbrechung einer Masseverbin
dung eines Hallsensors, insbesondere für einen Linear
sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fehlererkennungsschaltung (75)
einen zwischen einer Versorgungsleitung (65) und einer
Ausgangsleitung (67) des Hallsensors (59) geschalteten
veränderbaren Widerstand (73) umfaßt, der bei Unterbre
chung der Masseverbindung (66) des Hallsensors (59)
einen niederohmigen Zustand einnimmt.
23. Fehlererkennungsschaltung nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand (73)
von einem Gleichspannungswandler (69) ansteuerbar ist,
der zwischen die Versorgungsleitung (65) und die Masse
verbindung (66) des Hallsensors (59) geschaltet ist.
24. Fehlererkennungsschaltung nach Anspruch 22 oder 23,
dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand
als in einen mikroelektronischen Schaltkreis integrier
bares Halbleiterbauelement (73) ausgestaltet ist.
25. Fehlererkennungsschaltung nach Anspruch 22, 23 oder 24,
dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand
als Feldeffekttransistor (73) ausgebildet ist.
26. Fehlererkennungsschaltung nach einem der Ansprüche 22
bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare
Widerstand (73) als MOS-Feldeffekttransistor ausgebil
det ist.
27. Fehlererkennungsschaltung nach einem der Ansprüche 22
bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare
Widerstand als n-Kanal Depletion MOS-Feldeffekttran
sistor (73) ausgestaltet ist.
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Owner name: HELAG-ELECTRONIC GMBH, 72202 NAGOLD, DE |
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Effective date: 20140603 |