DE3925745C2 - Hall-Effekt-Sensoranordnung - Google Patents
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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.
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.
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