DE202007011371U1 - Vorrichtung zur Positionsbestimmung und Generierung von Signalen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Positionsbestimmung und Generierung von Signalen in Abhängigkeit von der Position eines geradlinig verschiebbaren Körpers, aufweisend
einen ein Magnetfeld erzeugenden Körper, der entlang einer Geraden zwischen zwei Endpositionen verschiebbar ist,
ein Magnetsensorelement zur Erfassung der Vektorkomponenten des vom Körper erzeugten Magnetfelds und
Mittel zur Bestimmung der Position des Körpers anhand der vom Magnetsensorelement erfassten Vektorkomponenten des Magnetfelds sowie zur Generierung eines Signals, wenn sich der Körper in einer zur Signalgenerierung vorgesehenen Position befindet.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung und Generierung von Signalen in Abhängigkeit von der Position eines geradlinig verschiebbaren Körpers.
• In vielen technischen Anwendungen ist es erforderlich, die Position eines Körpers zu bestimmen. Meist ist die Positionsbestimmung des Körpers Voraussetzung für eine selektive Durchführung von anschließenden Aktionen. So ist beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug mit manuellem Schaltgetriebe die Positionsbestimmung des Kupplungspedals wichtig für die Steuerung des Antriebstranges. Lediglich wenn das Kupplungspedal vollständig durchgetreten ist, soll der Motor des Kraftfahrzeugs bei einem eingelegten Gang gestartet oder bei bereits laufendem Motor ein anderer Gang eingelegt werden können. Hierfür wird üblicherweise die Position eines Kolbens in einem Geberzylinder bestimmt. Wenn der Kolben die Position bei einem vollständig durchgetretenen Kupplungspedal einnimmt, wird dies mittels eines Sensors, wie z. B. ein Hallsensor, erfasst und durch eine Auswerteschaltung signalisiert, woraufhin die Motorsteuerung ein Starten des Motors oder bei bereits laufendem Motor die Getriebesteuerung einen Wechsel des Ganges zulässt. Der Sensor ist meist in unmittelbarer Nähe zu der Position des Kolbens bei vollständig durchgetretenem Kupplungspedal angeordnet. Dies erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung des Kolbens.
• Oft ist es erforderlich, für mehr als eine Position zu bestimmen, ob ein Körper die Position einnimmt und dies dann zu signalisieren. So ist im Beispiel des Kupplungspedals auch dessen Position im nicht oder teilweise betätigten Zustand von Interesse, um beispielsweise eine automatische Geschwindigkeitsregelung (Tempomat) auszuschalten, wenn das Kupplungspedal zwar betätigt aber nicht notwendigerweise vollständig durchgetreten wird. In solchen Fällen wird im Stand der Technik ein weiterer Sensor verwendet, was zusätzliche Kosten und eine Erhöhung der Komplexität der Vorrichtung zur Folge hat.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die jeweils ein Signal generiert, wenn sich ein geradlinig verschiebbarer Körper in einer zur Signalgenerierung vorgesehenen Position befindet.
• Diese Aufgabe wird von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionsbestimmung und Generierung von Signalen gelöst.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionsbestimmung und Generierung von Signalen weist einen ein Magnetfeld erzeugenden Körper, der entlang einer Geraden zwischen zwei Endpositionen verschiebbar ist, ein Magnetsensorelement zur Erfassung der Vektorkomponenten des vom Körper erzeugten Magnetfelds und Mittel zur Bestimmung der Position des Körpers anhand der vom Magnetsensorelement erfassten Vektorkomponenten des Magnetfelds sowie zur Generierung eines Signals, wenn sich der Körper in einer zur Signalgenerierung vorgesehenen Position befindet, auf.
• Vorzugsweise weist der Körper einen Magneten zur Erzeugung des Magnetfelds auf, der in oder an dem Körper befestigt ist und sich somit mit dem Körper bewegt. Bevorzugterweise ist der Magnet ein Permanentmagnet, da die Versorgung eines sich bewegenden Elektromagneten mit elektrischer Energie aufwendig ist. Der Einsatz eines Elektromagneten ist jedoch auch möglich. Alternativ kann der Körper ganz oder teilweise aus einem magnetischen Material bestehen.
• Der Körper kann beispielsweise ein Kolben in einem Zylinder sein. Als weitere Beispiele sind alle in einer geraden Führung verschiebbar gelagerten Maschinenteile zu nennen.
• Das Magnetsensorelement ist vorzugsweise ein Hallsensor, der die Vektorkomponenten eines räumlichen Magnetfelds erfassen kann.
• Die Mittel zur Bestimmung der Position des Körpers sowie zur Generierung eines Signals weisen vorzugsweise eine elektronische Schaltung auf, die aus den vom Magnetsensorelement erfassten Vektorkomponenten des Magnetfelds den Winkel zwischen der Richtung des Magnetfeldvektors am Ort des Magnetsensorelements und der Geraden, entlang der sich der Körper bewegt, bestimmt. Jedem Wert des Winkels ist eine Position des Körpers auf der Geraden zugeordnet, so dass mittels der Winkelbestimmung die Position des Körpers bestimmbar ist.
• Wenn sich der Körper in einer Position befindet, für die die Generierung eines Signals vorgesehen ist, gibt die elektronische Schaltung vorzugsweise an einem dafür vorgesehenen Ausgang ein Signal aus. Die Positionen für die ein Signal generiert werden soll, sind vorzugsweise programmierbar und in einem Speicher der elektronischen Schaltung speicherbar. Alternativ können die Positionen bei der Auslegung und Herstellung der elektronischen Schaltung fest vorgegeben werden.
• Vorzugsweise sind das Magnetsensorelement sowie die Mittel zur Bestimmung der Position des Körpers sowie zur Generierung eines Signals in einer integrierten Schaltung ausgeführt, so dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung neben dem Körper lediglich aus einem elektronischen Bauteil besteht.
• Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
• Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
• 2 eine Detailansicht der Ausführungsform gemäß 1 bei zwei verschiedenen Positionen des Körpers.
• Aus der Abbildung gemäß 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich. In dieser Ausführungsform ist der Körper ein Kolben 2 mit einer Kolbenstange 5, der in einem Zylinder 3 entlang einer Geraden 4 verschiebbar ist. Der Zylinder 3 und die Kolbenstange 5 sind in der Abbildung nur teilweise dargestellt, so dass die beiden Endpositionen des Kolbens nicht zu sehen sind. Der Kolben 2 weist in seiner Umfangsseite eine umlaufende Nut 7 auf. In der Nut 7 ist ein Ringmagnet 8 so angeordnet, dass die Außenfläche des Ringmagneten 8 bündig mit der Außenfläche des Kolbens 2 abschließt und dass die sich zwischen dem Nordpol und dem Südpol des Ringmagneten 8 erstreckende Magnetfeldachse 9 parallel zu der Geraden 4 verläuft. An der Zylinderaußenwand 13 ist ein Hallsensor 14 mit nicht dargestellten Mitteln befestigt.
• Aus der Abbildung gemäß 2 ist eine Detailansicht der Ausführungsform gemäß 1 bei zwei verschiedenen Positionen des Kolbens ersichtlich. Von der Ausführungsform gemäß 1 ist lediglich die Zylinderaußenwand 13, der Hallsensor 14 und eine Querschnittsfläche des Ringmagneten 8 dargestellt. Der Verlauf des von dem Ringmagneten 8 erzeugten Magnetfelds ist durch eine einzelne eingezeichnete Magnetfeldlinie 16 angedeutet. In der Teilabbildung a) befindet sich der nicht dargestellte Kolben 2 und damit der Ringmagnet 8 in einer Position unterhalb des Hallsensors 14, während in der Teilabbildung b) der in 1 dargestellte Zustand, bei dem sich der Ringmagnet 8 in Höhe des Hallsensors 14 befindet, gezeigt ist. Gemäß Teilabbildung a) besitzt das durch den Magnetfeldvektor 17 dargestellte Magnetfeld am Ort des Hallsensors 14 zwei von Null verschiedene Magnetfeldkomponenten 18, 19, wobei die eine Magnetfeldkomponente 18 parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens 2 und die andere Magnetfeldkomponente 19 senkrecht dazu verläuft. Demgegenüber besteht gemäß Teilabbildung b) das durch den Magnetfeldvektor 20 dargestellte Magnetfeld am Ort des Hallsensors 14 lediglich aus einer zur Bewegungsrichtung des Kolbens 2 parallelen Magnetfeldkomponente 21, wenn sich der Ringmagnet 8 auf gleicher Höhe mit dem Hallsensor 14 befindet. Die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens 2 ist in diesem Fall gleich Null.
• Mittels der beiden Magnetfeldkomponenten 18, 19, 21 lässt durch einfache trigonometrische Berechnungen der Winkel des Magnetfeldvektors 17, 20 am Ort des Hallsensors 14 zu der Geraden 4 und damit die Position des Kolbens 2 bestimmen.
• Vorzugsweise befindet sich der Hallsensor 14 in der Mitte des Messbereichs, wobei der Messbereich durch die beiden Endpositionen des im Kolben 2 angeordneten Ringmagneten 8 definiert ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Erstreckung des Sensorbereichs geringer als der Messbereich sein kann.
• Der Hallsensor 14 weist vorzugsweise eine integrierte Auswerteschaltung auf, die programmierbar ist, wie beispielsweise beim Sensor MLX90333 der Firma Melexis. Nach entsprechender Kalibrierung der Kennlinien sind mit diesen Sensoren Verfahrwege des Kolbens 2 von mehreren Zentimetern bei einer Fehlerabweichung von weniger als 1,5 % erfassbar.
• Da sich bei Temperaturänderungen nur der Betrag aber nicht die Richtung des Magnetfeldvektors 17, 20 ändert, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung von Temperaturschwankungen nicht betroffen. Dieser Aspekt sowie die bauteilsparende und somit kompakte Bauweise zeichnen eine erfindungsgemäße Vorrichtung positiv gegenüber vergleichbaren Vorrichtungen aus dem Stand der Technik aus.

2

Kolben

3

Zylinder

4

Gerade

5

Kolbenstange

7

Nut

8

Ringmagnet

9

Magnetfeldachse

13

Zylinderaußenwand

14

Hallsensor

16

Magnetfeldlinie

17

Magnetfeldvektor

18

Magnetfeldkomponente

19

Magnetfeldkomponente

20

Magnetfeldvektor

21

Magnetfeldkomponente

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Positionsbestimmung und Generierung von Signalen in Abhängigkeit von der Position eines geradlinig verschiebbaren Körpers, aufweisend einen ein Magnetfeld erzeugenden Körper, der entlang einer Geraden zwischen zwei Endpositionen verschiebbar ist, ein Magnetsensorelement zur Erfassung der Vektorkomponenten des vom Körper erzeugten Magnetfelds und Mittel zur Bestimmung der Position des Körpers anhand der vom Magnetsensorelement erfassten Vektorkomponenten des Magnetfelds sowie zur Generierung eines Signals, wenn sich der Körper in einer zur Signalgenerierung vorgesehenen Position befindet.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Magnetsensorelement ein Hallsensor ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper ein Kolben in einem Zylinder ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper einen Magneten zur Erzeugung des Magnetfelds aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper ganz oder teilweise aus einem magnetischen Material besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetsensorelement und die Mittel zur Bestimmung der Position des Körpers sowie zur Generierung eines Signals in einer integrierten Schaltung ausgeführt sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetsensorelement mittig zwischen den zwei Endpositionen des ein Magnetfeld erzeugenden Körpers angeordnet ist.