DE3925745C2 - Hall-Effekt-Sensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hall-Effekt-Sensoranordnung, um­ fassend ein Hall-Effekt-Sensorelement, das in einer Magnetanordnung mit einer Magnetpoleinheit angeordnet ist und der Magnetpoleinheit mit einem vorgegebenen Abstand unter Bildung eines Luftspaltes zwischen ihnen gegenüberliegt; einen Sensorrahmen, der einen der Magnetpoleinheit gegenüber­ liegenden Hohlraum aufweist, welcher ein Füllmaterial enthält und das Sensorelement in dem Hohlraum aufnimmt; und eine an dem Sensorrahmen angebrachte Platte, an der das Sensorelement gehaltert ist. Derartige Hall-Effekt-Sensoranordnungen eignen sich insbesondere zur Verwendung in einem Drehstellungsdetek­ tor für einen Verbrennungsmotor.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht im Schnitt des Hauptteiles einer herkömmlichen Hall-Effekt-Sensoranordnung, die in einem Drehwinkel-Stellungsdetektor für einen Verbren­ nungsmotor verwendet wird. Man erkennt, daß das unter Aus­ nutzung des Hall-Effektes arbeitende Sensorelement 1 in einem geformten Sensorrahmen 2 gehalten ist. In einem Spalt oder Hohlraum 2a, der zwischen dem Sensorrahmen 2 und dem Sensor­ element 1 ausgebildet ist, ist ein weiches Füllmaterial 3, z. B. ein Gelmaterial, in Form von Silikongel eingefüllt, um das Sensorelement 1 gegenüber mechanischen Kräften, die auf das Sensorelement 1 wirken, und gegen korrosive Gase zu schützen.

Während das Sensorelement 1 eine erforderliche Schaltung oder dergleichen für seine entsprechende Sensorfunktion enthält, beispielsweise in Form einer Hybrid-IC-Schaltung, erscheint deren nähere Erläuterung entbehrlich, da das Sensorelement jedes herkömmliche, im Handel erhältliche Sensorelement sein kann. Man erkennt weiterhin, daß ein Magnet 4 in einer magne­ tischen Mittelachse A des Sensorelementes 1 angeordnet ist, wobei ein Magnetspalt B zwischen dem Magneten 4 und dem Sen­ sorelement 1 ausgebildet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das von dem Sensorelement 1 benötigt wird.

Bei der oben beschriebenen Sensoranordnung herkömmlicher Bau­ art kann eine nicht-dargestellte magnetische Flußsperre verwen­ det werden, die an einem beweglichen Teil angebracht ist, so daß sie sich in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 durch den Magnetspalt B zwischen dem Magneten 4 und dem Sensorelement 1 bewegt. Dadurch kann eine Drehstellung, ein Drehwinkel, eine Verschiebung, usw. abgetastet werden, und zwar durch die gemessene Änderung des Wertes des Magnet­ flusses, der durch das unter Ausnutzung des Hall-Effektes arbeitende Sensorelement 1 hindurchgeht. Die oben beschriebe­ ne Sensoranordnung kann in vorteilhafter Weise in einem Zünd­ verteiler für einen Verbrennungsmotor verwendet werden, und zwar als Drehwinkeldetektor für eine Kurbelwelle eines Motors.

Bei der oben beschriebenen Hall-Effekt-Sensoranordnung her­ kömmlicher Bauart ist das Sensorelement 1 an seiner der Pol­ fläche 4a des Magneten 4 gegenüberliegenden Seitenfläche 1a von einer geformten, aus Kunstharz bestehenden Wand 2b des Sensorrahmens 2 abgestützt und bedeckt, wobei diese Wand 2b eine relativ große Wandstärke t hat. Diese Wandstärke t muß wegen der erforderlichen Festigkeit der Wand 2b relativ groß sein, so daß der Abstand L1 zwischen der Polfläche 4a des Magneten 4 und der Seitenfläche 1a des Sensorelementes 1 un­ vermeidlicherweise groß wird, was zu einer geringen und schlechten Signalgenauigkeit führt.

Eine Hall-Effekt-Sensoranordnung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der US-PS 42 35 213 bekannt. Dort ist ein Gehäuse vorgesehen, welches auf einer Basisplatte zwei hochstehende, gegenüberliegende Kammern aufweist, in denen einerseits die Magnetpoleinheit und andererseits die Sensoran­ ordnung untergebracht sind. Dazwischen ist ein Luftspalt aus­ gebildet, durch den sich die Flügel einer Rotoranordnung bewe­ gen sollen. Auf diese Weise wird das von der Magnetpoleinheit erzeugte Magnetfeld verändert, das von einem Hall-Effekt-Sen­ sorelement gemessen wird, welches unter einer Messingkappe auf einer Schaltungsplatte montiert ist.

Bei dieser herkömmlichen Anordnung gemäß der US-PS 42 35 213 ist zu diesem Zweck ein Magnetfluß-Konzentrator vorgesehen, der in eine Kammer bzw. einen Hohlraum in dem Gehäuse einge­ baut ist. Dieser Hohlraum wird von einer Gußmasse gebildet, die einen C-förmigen Hohlraum für den Magnetfluß-Konzentrator freiläßt. Das Sensorelement selbst ist auf einer Schaltungs­ platte aus Keramikmaterial ausgebildet, wobei zusätzlich auf dieser Schaltungsplatte verschiedene Leiter und Schaltungsele­ mente sowie Anschlußfahnen angeordnet bzw. angelötet sind, damit sich daran Anschlußdrähte anlöten lassen.

Da solche Hall-Effekt-Sensoranordnungen unter anderem für Kraftfahrzeuge vorgesehen sind, um beispielsweise bei einem Drehstellungsdetektor Anwendung zu finden, müssen solche An­ ordnungen ein erhebliches Maß an Stabilität aufweisen, damit sie den Bedingungen der Praxis gewachsen sind. Bei der Anord­ nung gemäß der US-PS 42 35 213 muß daher die Schaltungsplatte als Träger des Hall-Effekt-Sensorelementes eine entsprechende Stabilität aufweisen, was sich zwangsläufig in einer erhebli­ chen Dicke der schaltungsplatte aus Keramikmaterial auswirkt. Anderenfalls besteht nämlich die Gefahr, daß eine solche Schaltungsplatte aufgrund der Vielzahl von Erschütterungen im Betrieb nach relativ kurzer Zeit ausfällt oder bricht, da Ke­ ramikmaterial relativ spröde ist.

Bei der Anordnung gemäß der US-PS 42 35 213 sitzt die Schal­ tungsplatte auf der Vergußmasse, ist also nicht in das Mate­ rial des Sensorrahmens eingebettet. Von der Schaltungsplatte wird dabei keine Dichtigkeitsfunktion ausgeübt, denn die dort beschriebene Anordnung enthält keine abdichtenden Materialien. Der Hohlraum in dem Gehäuse wird nämlich von dem erwähnten Ma­ gnetfluß-Konzentrator besetzt. Die Einhaltung eines minimalen Abstandes zwischen der Magnetpoleinheit einerseits und dem Hall-Effekt-Sensorelement andererseits, damit eine ausrei­ chende Meßgenauigkeit und Meßempfindlichkeit erzielt wird, ist dort nicht berücksichtigt. Dies ist dort auch nicht erforder­ lich, weil ein Magnetfluß-Konzentrator zum Einsatz gelangt. Aus diesem Grunde ist der Umstand nicht weiter berücksichtigt, daß mit zunehmendem Abstand vom Magnetpol eine erhebliche Streuung des Magnetfeldes auftreten kann.

Eine weitere Unzulänglichkeit der Anordnung gemäß der US-PS 42 35 213 besteht darin, daß zur Montage eine Vielzahl von Einzelteilen in dem Gehäuse montiert und justiert werden muß, bevor die entsprechenden Teile mit einem geeigneten Gieß­ material eingegossen werden können, nachdem eine Spalt-Lehre sowie ein Schwammgummiteil entfernt worden sind.

Aus der DE 30 18 787 A1 ist eine Zündeinrichtung für Brenn­ kraftmaschinen bekannt, bei der eine Hall-Effekt-Sensoranord­ nung verwendet wird. Dort ist ein erstes weichmagnetisches Leitstück mit einem Dauermagneten im Verteilergehäuse inte­ griert. Auf der gegenüberliegenden Seite ist in einem Gehäuse­ teil ein Hohlraum vorgesehen, der ein zweites weichmagneti­ sches Weichstück sowie eine vergossene Isoliermasse aufnimmt. Auf einem Vorsprung des zweiten weichmagnetischen Leitstückes ist ein Hall-Effekt-IC angeordnet, das auf einem Keramikträger befestigt ist, der seinerseits über Anschlußstücke in dem Ge­ häuse befestigt ist.

Bei dieser herkömmlichen Anordnung einer Hall-Effekt-Sensoran­ ordnung kommt es auch nicht auf einen möglichst minimalen Ab­ stand zwischen dem Dauermagneten und dem Sensorelement in Form des Hall-Effekt-IC an, denn dort sind Mittel zur Verstärkung des Magnetfeldes in Form der weichmagnetischen Leitstücke vor­ handen. Die Trägerplatte besteht dort aus Keramikmaterial, muß also wegen der erforderlichen Festigkeit und Stabilität eine entsprechende Materialdicke aufweisen, damit die erforderliche Stabilität im Betrieb bei einem Kraftfahrzeug gewährleistet ist. Bei dieser herkömmlichen Anordnung ist die Trägerplatte weder in den Sensorrahmen eingebettet noch hat sie eine Dich­ tungsfunktion für ein Füllmaterial. Vielmehr ist die Träger­ platte nur mit der Isoliermasse vergossen und auf diese Weise fixiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hall-Effekt- Sensoranordnung anzugeben, die sich mit kompakten Abmessungen herstellen läßt und die eine hohe Empfindlichkeit und gute Si­ gnalgenauigkeit liefert, ohne daß zu diesem Zweck zusätzliche Bauteile zur Verstärkung des Magnetfeldes erforderlich sind.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Hall-Effekt- Sensoranodnung so auszubilden, daß die Platte als dünne nicht­ magnetische Platte aus Metall oder Kunststoff ausgebildet ist, daß die Platte an ihrer Umfangskante derart in dem Sensorrah­ men eingebettet ist, daß sie den Hohlraum und ein in den Hohl­ raum eingefülltes weiches Füllmaterial dicht abschließt, wobei die Platte zugleich das Sensorelement in dem weichen Füllmate­ rial in dem Hohlraum haltert, derart, daß das Sensorelement der Magnetpoleinheit mit minimalem Abstand gegenüberliegt.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hall-Effekt-Sensoran­ ordnung ist vorgesehen, daß die dünne nicht-magnetische Platte aus einem rostfreiem Stahlblech besteht.

Mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Die Platte hat dabei eine Mehrfachfunktion, da sie das Hall-Effekt-Sensorelement trägt und zugleich für die gewünschte Dichtigkeit des Hohlraumes sorgt, in welchem sich zur optimalen Lagerung des Sensorele­ mentes ein weiches Füllmaterial befindet. Weiterhin sorgt diese Platte aufgrund ihrer Einbettung in den Sensorrahmen für eine leicht realisierbare, aber exakte Positionierung des Sen­ sorelementes in einem minimalen Abstand gegenüber der Magnet­ poleinheit, ohne daß komplizierte Montageschritte erforderlich sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht im Schnitt des Haupt­ teiles einer herkömmlichen Hall-Effekt-Sensoranordnung, beispielsweise zur Verwendung in einem Drehwinkel- Stellungsdetektor für einen Verbrennungsmotor; und in

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Hauptteiles einer erfindungsgemäßen Hall-Effekt-Sensoranordnung für den gleichen Zweck.

In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 5 eine nicht-magneti­ sche dünne Platte, die beispielsweise aus einem rostfreien Stahlblech bestehen kann. Die Platte 5 ist von dem Sensorrah­ men 2 an seiner Umfangskante abgestützt und gelagert, die in den Sensorrahmen 2 eingebettet ist, um das Sensorelement 1 dicht unterzubringen und zu verhindern, daß weiches Füllmate­ rial, beispielsweise Gelmaterial, zum Beispiel Silikongel­ material, austritt. Die übrigen Bezugszeichen und Symbole be­ zeichnen gleiche oder entsprechende Komponenten wie bei der herkömmlichen Sensoranordnung gemäß Fig. 1.

Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung die nicht-magnetische dünne Platte 5 verwendet wird, um das Sensorelement 1 zu hal­ tern und den Hohlraum 2a abzudecken, der mit dem weichen Füll­ material 3 gefüllt ist, ist die Wandstärke t2, welche der Wandstärke t der Wand 2b des Sensorrahmens 2 entspricht, wesentlich kleiner als die Wandstärke t bei der herkömmlichen Bauart.

Aus diesem Grunde kann der Abstand L2 zwischen der Polfläche 4a des Magneten 4 und der Seitenfläche 1a des Sensorelementes 1 wesentlich kleiner gemacht werden als der Abstand L1 zwi­ schen dem Magneten 4 und dem Sensorelement 1 herkömmlicher Bauart gemäß Fig. 1. Dadurch ist es möglich, die Signal­ genauigkeit des von einer solchen Anordnung erzeugten Signals wesentlich zu verbessern und zugleich die Sensoranordnung mit vergleichsweise kleinen und kompakten Abmessungen herzustellen.

Während vor stehend eine spezielle Ausführungsform beschrieben und dargestellt worden ist, können zahlreiche Modifizierungen im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden. Beispielsweise ist das Material der nicht-magnetischen dünnen Platte 5 keines­ falls auf rostfreien Stahl beschränkt. Die Platte 5 kann auch aus einem anderen nicht-magnetischen Metall oder aus Kunst­ stoff bestehen. Weiterhin ist das weiche Füllmaterial 3 nicht auf Silikongelmaterial beschränkt. Auch ist es ausreichend, wenn der Hohlraum 2a, in welchen das Füllmaterial 3 eingefüllt wird, zumindest in einem Bereich an der Seite des Sensorele­ mentes 1 vorgesehen ist, wobei er der Polfläche 4a des Magne­ ten 4 gegenüberliegt und sich senkrecht zu dem Magnetpfad er­ streckt.

Selbstverständlich ist die Hall-Effekt-Sensoranordnung nicht auf die Verwendung in einem Drehstellungsdetektor für einen Verbrennungsmotor beschränkt, sondern sie kann in vorteilhaf­ ter Weise für die verschiedensten Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise um Winkel zu messen.

Claims (3)

1. Hall-Effekt-Sensoranordnung, umfassend

• - ein Hall-Effekt-Sensorelement (1), das in einer Magnetanordnung mit einer Magnetpoleinheit (4) ange­ ordnet ist und der Magnetpoleinheit (4) mit einem vor­ gegebenen Abstand unter Bildung eines Luftspaltes zwi­ schen ihnen gegenüberliegt,
• - einen Sensorrahmen (2), der einen der Magnetpoleinheit (4) gegenüberliegenden Hohlraum (2a) aufweist, welcher ein Füllmaterial (3) enthält und das Sensorelement (1) in dem Hohlraum (2a) aufnimmt,
• - und eine an dem Sensorrahmen (2) angebrachte Platte (5), an der das Sensorelement (1) gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Platte (5) als dünne nicht-magnetische Platte (5) aus Metall oder Kunststoff ausgebildet ist,
daß die Platte (5) an ihrer Umfangskante derart in dem Sen­ sorrahmen (2) eingebettet ist, daß sie den Hohlraum (2a) und ein in den Hohlraum (2a) eingefülltes weiches Füllmaterial (3) dicht abschließt,
wobei die Platte (5) zugleich das Sensorelement (1) in dem weichen Füllmaterial (3) in dem Hohlraum (2a) haltert, derart, daß das Sensorelement (1) der Magnetpolein­ heit (4) mit minimalem Abstand (L2) gegenüberliegt.

2. Hall-Effekt-Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne nicht-magnetische Platte (5) aus einem rostfreien Stahlblech besteht.