DE4411758B4

DE4411758B4 - Vorrichtung zur Erkennung einer mechanischen Berührung zweier Bauteile, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4411758B4
Application number: DE19944411758
Authority: DE
Inventors: Peter Wiese
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2014-04-07
Also published as: DE4411758A1

Abstract

Vorrichtung zur Erkennung einer mechanischen Berührung zweier Baugruppen, wovon mindestens eine beweglich gegenüber der anderen angeordnet ist, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem in einem Magnetfeld liegenden magnetfeldabhängigen Sensor, welcher die durch die Annäherung oder Berührung der Baugruppen hervorgerufene Änderung des magnetischen Flusses in ein elektrisches Signal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß jede der durch einen Luftspalt (27) getrennten Baugruppen (21) gegenüberliegend mindestens einen Bereich aus weichmagnetischem Material (22) aufweist, welcher einen weichmagnetischen Betätiger (23) trägt, wobei. das Magnetfeld mit seiner Magnetisierungsachse in der Verbindungslinie der Baugruppen (21) liegt und bei Annäherung oder Berührung der weichmagnetischen Betätiger (23) durch den im Luftspalt (27) angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor (24) eine starke Veränderung des magnetischen Widerstandes sensierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung einer mechanischen Berührung zweier Baugruppen, wovon mindestens eine beweglich gegenüber der anderen gestaltet ist, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem in einem Magnetfeld liegenden magnetfeldabhängigen Sensor, welcher die durch die Annäherung oder Berührung der Baugruppen hervorgerufene Änderung des magnetischen Flusses in ein elektrisches Signal umwandelt.

Bei vielen mechanischen Einrichtungen tritt das Problem auf, eine mechanische Berührung bzw. Mitnahme zuverlässig zu erkennen. Solange eines der zu überwachenden Teile ortsfest ist, werden üblicherweise Mikroschalter eingesetzt. Da die Mikroschalter in der Regel nicht zur Kraftübertragung geeignet sind, muß sichergestellt werden, daß vor Erreichen des schalterinternen Anschlages der äußere Anschlag wirksam wird, was aufgrund der Toleranzkette meist eine Schaltpunktjustage notwendig macht. Nachteilig wirken sich hier außerdem Probleme im Bezug auf den Verschleiß und die Erhöhung des Kontaktwiderstandes über die Lebensdauer des Mikroschalters aus.

Derartige Mikroschalter werden in Kraftfahrzeugen bei Lastverstelleinrichtungen eingesetzt. Diese Schalter dienen z. B. als Sicherheitsschalter, um festzustellen, ob ein von einem Sollwertgeber ausgesandtes Signal von einem Stellglied richtig nachvollzogen wird. Beim Sicherheitskontakt werden deshalb Mitnehmer eingesetzt, die bei Fehlverhalten des Stellgliedes den Mikroschalter Öffnen.

Eine weitere Anwendung besteht darin, zu erkennen, wann der Fahrer die Drosselklappe übernimmt. Ist dies der Fall wird die Leerlaufregelfunktion deaktiviert.

Die beschriebene Mitnahmeerkennung macht eine bewegliche Spannungsversorgung des Mikroschalters notwendig. Dazu sind entweder Schleifkontakte wie bei einem Potentiometer oder hochflexible Litzen einsetzbar. Neben der Verschmutzung des elektrischen Kontaktes ergibt sich hier noch zusätzlich als Nachteil der mechanische Verschleiß der beweglichen Zuleitungen.

Aus der GB 1 215 114 ist eine elektrische Schaltvorrichtung bekannt, bei der ein magnetischer Schaltkreis durch ein Paar im wesentlichen paralleler Glieder aus einem ferromagnetischen Material gebildet sind, die an einem Ende durch ein Glied aus ähnlichem oder demselben Material miteinander verbunden sind. Dieses letztgenannte Glied trägt eine Erregerwicklung. In einem Luftspalt zwischen den beiden parallelen Gliedern ist eine Anzahl von Paaren von Wicklungen angeordnet, wobei die beiden in entgegengesetzte Richtung gewickelten Wicklungen eines Paares in Reihe geschaltet sind. Fluchtend mit einer der Wicklungen ist ein Stab aus einem ferromagnetischen Material angeordnet, der durch eine Öffnung in dem einen der einander parallelen Glieder entgegen einer Federkraft zu dem anderen der parallelen Glieder hin verschiebbar und mit diesem anderen Glied in Kontakt bringbar ist.

Aus der DE 31 49 826 A1 ist ein Induktivgeber für Zündverteiler von Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem Rotorzacken ei nes von einer Zündverteilerwelle angetriebenen Rotors mit Statorzacken eines raumfesten Stators in Wirkverbindung gelangen, wodurch ein Magnetkreis geschlossen wird, der eine Spule einschließt an der Spannungsimpulse abnehmbar sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine zuverlässige Erkennung der Berührung zwischen mindestens zwei mechanischen Bauteilen ermöglicht und die dargestellten mechanischen Belastungen vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jede der durch einen Luftspalt getrennten Baugruppen gegenüberliegend mindestens einen Bereich aus weichmagnetischem Material aufweist, welcher wiederum einen weichmagnetischen Betätiger trägt, und das Magnetfeld mit seiner Magnetisierungsachse in der Verbindungslinie der Baugruppen liegt, wobei bei Annäherung oder Berührung der weichmagnetischen Betätiger durch den im Luftspalt angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor eine starke Veränderung des magnetischen Widerstandes sensierbar ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht in der zuverlässigen Erkennung der Berührung oder Mitnahme zwischen mindestens zwei mechanischen Teilen, wobei wahlweise eines der Teile ortsfest sein kann oder auch beide Teile relativ zueinander und gegenüber einem ortsfesten Teil bewegbar sein können.

Die Baugröße dieses kontaktlosen Schalters ist vergleichbar mit den sehr gebräuchlichen Mikroschaltern. Es entfällt die Notwendigkeit einer mechanischen Schaltpunktjustage. Ein Verschleiß der mechanisch beanspruchten Mitnehmer bleibt ohne Auswirkung auf die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Vorteilhafterweise sind die Baugruppen koaxial gelagert.

In einer Weiterbildung sind die zueinander gelagerten Baugruppen koaxial gelagerte Wellen, an deren Stirnseite jeweils ein Kreisring aus weichmagnetischem Material angeordnet ist, der den weichmagnetischen Betätiger trägt.

Aufgrund des kontaktlosen Prinzips entfallen hierbei konventionelle Schaltkontakte, sowie bewegte Schleifkontakte oder Litzen.

Da die Luftspaltinduktion überall gleich groß ist, ist eine Berührungs- oder Mitnahme in jeder beliebigen Winkelstellung möglich.

In einer Ausführung für rotatorische Anordnungen ist der weichmagnetische Betätiger durch eine Abwinklung eines radial über den Kreisring herausragenden Zapfens realisierbar.

Bei einer bevorzugten Anordnung sind die weichmagnetischen Betätiger und/oder erhabenen Bereiche, wie z. B. Durchprägungen ganz oder teilweise in Überdeckung mit dem gegenüberliegenden Kreisring angeordnet, so daß ein Teil des magnetischen Flusses über die Kopfseiten der Betätiger bzw. der erhabenen Bereiche zum gegenüberliegenden Kreisring fließt.

Um die Meßinduktion zu erhöhen, ohne daß stärkere Magnete eingesetzt werden müssen, ist der magnetfeldabhängige Sensor auf einem weichmagnetischen Träger montiert.

Zur Verbesserung des Offsets der Meßinduktion wird der magnetfeldabhängige Sensor über einen in seiner Umgebung angeordneten Vorspannmagneten mit einer Induktion beaufschlagt, welche der im Luftspalt auftretenden Induktion entgegengesetzt ist.

Vorteilhafterweise trägt der das Magnetfeld erzeugende Dauermagnet eine Spulenwicklung, die im Ausgangskreis des magnetfeldabhängigen Sensors liegt, und deren Wicklungssinn so gewählt ist, daß das Magnetfeld des Dauermagneten dem durch die stromdurchflossene Spulenwicklung erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist.

Dadurch kann die Meßinduktion bei Berührung bzw. Mitnahme zur Null werden bzw. sogar das Vorzeichen wechseln, was ein besseres Schaltverhalten des magnetfeldabhängigen Sensors zur Folge hat.

In einer weiteren Ausführung sind der Dauermagnet, der magnetfeldabhängige Sensor sowie der Betätiger auf unterschiedlichen Radien der Trägerscheibe der beweglichen Baugruppen angeordnet. Dadurch kann bei rotatorischen Anordnungen ein Winkelbereich von > 360° detektiert werden.

Eine kostengünstige Möglichkeit der Realisierung eines redundanten Systems ist möglich, wenn mehrere Sensoren über den Kreisringumfang verteilt angeordnet sind.

Das System ist auch unter schwierigen Bedingungen wie Schwingungen und erweiterten Temperaturbereichen von –40°C bis 140°C einsetzbar.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsmöglichkeiten zu. Einige davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 physikalisches Grundprinzip
2 Vorrichtung zur Erkennung der rotatorischen nahme zwischen zwei koaxialen Wellen,
3 Frontalansicht einer sich auf einer koaxialen Welle befindlichen Kreisscheibe
4 Reluktanzmodell
5 Vorrichtung zur Erkennung der rotatorischen Berührung zwischen zwei koaxialen Wellen mit Axialspielkompensation
6a bis 6c Kompensation der Induktionsänderung im Meßluftspalt beim Durchlaufen des Axialspiels
7a, 7b Auswirkung des Axialspiels (a) ohne, (b) mit Axialspielkompensation
8a bis 8c Anordnung zur Verringerung der Schalthysterese
9 Anordnung zur Offsetverschiebung der Meßinduktion.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, daß die magnetische Induktion, welche ein Permanent- oder ein Elektromagnet zwischen seinen Polschuhen erzeugt, durch einen magnetischen Nebenschluß gesteuert werden kann.
Der einfachste Fall eines nach diesem Prinzip arbeitenden Schalters ist in 1 dargestellt.
Auf den beiden Polflächen eines Magneten 11 sind weichmagnetische Polschuhe 12 aufgebracht, die senkrecht zur Magnetisierungsachse des Magneten 11 über diesen hinausragen. Die Fläche der Polschuhe 12 ist dabei größer als die beiden Polflächen des Magneten 11.
In dem sich ergebenden Luftspalt 15 befindet sich ein induktionsabhängiger Sensor 13. Dieser Sensor 13 kann ein Hall-Schalter, ein magneto-resistiver Geber wie z.B. Feldplatten oder auch ein Reedschalter sein.
Im weiteren wird als magnetfeldabhängiger Sensor 13 ein Hall-Schalter betrachtet, der mit seiner magnetfeldempfindlichen Ebene senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten 11 angeordnet ist.
An der Betätigungsseite sind die Stirnfläche der Polschuhe 12 so gestaltet, daß es möglich ist, mit einem z.B. quaderförmigen weichmagnetischen Betätiger 14 eine annähernd flächige Berührung zu erreichen.
Bei Abwesenheit des Betätigers 14 schließt sich der Fluß, der aus den Polflächen des Magneten 11 austritt, im wesentlichen über den Luftspalt 15 der beiden Polschuhe 12. Der Hall-Schalter 13 schaltet durch (1a).
Nähert man nun seitlich den weichmagnetischen Betätiger 14 an, so wird sich mit abnehmendem Abstand zwischen Betätiger 14 und Polschuh-Seitenflächen 12 ein zunehmender, aufgrund der verbleibenden Luftspalte 16 aber zunächst geringer Anteil des magnetischen Flusses über den Betätiger 14 schließen.
Im Moment der Berührung (1b) ändert sich der magnetische Widerstand des Systems sehr stark. Der Hauptfluß fließt nun über den Betätiger 14, mit der Folge, daß die Induktion zwischen den Polschuhen 12 zusammenbricht.
Die Induktion im Hall-Element 13 sinkt unter dessen Ausschaltpunkt und der Hall-Schalter 13 öffnet.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung wie sie z.B. für Lastverstelleinrichtungen in Brennkraftmaschinen einsetzbar ist. In diesen Lastverstelleinrichtungen sind als Sicherheitsschalter Mitnahme schalter vorgesehen, die signalisieren, ob ein Signal von einem Sollwertgeber (Gaspedal) von dem Stellglied (Drosselklappe) auch richtig nachvollzogen wird. Beim Sicherheitskontakt werden deshalb Mitnehmer eingesetzt, die bei Fehlverhalten des Stellgliedes den Schalter öffnen.
Eine weitere Anwendung besteht darin, zu erkennen, wann der Fahrer die Drosselklappe übernimmt. Ist dies der Fall, wird die Leerlaufregelfunktion deaktiviert. Zwei koaxial gelagerte Wellen 21 tragen auf ihrer jeweils zugewandten Stirnseite eine Trägerscheibe 20, auf welcher Kreisringe 22 aus Stahl angeordnet sind, die wiederum weichmagnetischen Mitnehmer 23 tragen. Zwischen Wellenaufnahme 29 und weichmagnetischem Kreisring 22 befindet sich ein Kreisring 30 aus unmagnetischem Werkstoff. Die beschriebene Trägerscheibe 20 ist in 3 dargestellt.
Es ist auch denkbar, daß der weichmagnetische Kreisring 22 direkt am Umfang der Stirnseite der Welle 21 selbst angeordnet ist. Dabei besteht die Welle 21 aus einem unmagnetischen Material.
Die Mitnehmer 23 können z.B. eine einfache Abwinklung eines radial über den weichmagnetischen Kreisring (22) herausragenden Zapfens sein (2).
Beide Wellen 21 sind in einem nicht dargestellten ortsfesten Gehäuse gelagert.
Die Trägerscheiben 20 stehen sich in einem solchen Abstand gegenüber, daß eine mechanische Mitnahme zwischen ihnen erfolgen kann, aber ein ausreichender Luftspalt 27 zwischen den Stirnflächen besteht.
In diesen Luftspalt 27 ragt der Hall-Sensor 24, der auf einem Träger 25 aus weichmagnetischem Material montiert ist und über diesen mit dem Gehäuse ortsfest verbunden ist.
Ebenfalls im Luftspalt 27 befindet sich ein Dauermagnet 26, dessen Magnetisierungsrichtung parallel zu den Achsen der beiden Wellen 21 verläuft.
Dieser Magnet 26 kann wahlweise auf einem der beiden weichmagnetischen Kreisringe 22 befestigt werden oder ortsfest mit dem Gehäuse verbunden sein.
Die beiden Kreisringe 22 bilden näherungsweise magnetische Äquipotentialflächen, so daß die Induktion im Luftspalt 27 zwischen beiden Trägerscheiben 20 für jede Winkelstellung näherungsweise gleich groß ist.
Berühren sich die Mitnehmer 23 nicht, fließt der Hauptfluß aus der ersten Polfläche des Magneten 26 über den Luftspalt 271 in den gegenüberliegenden ersten Kreisring 22, schließt sich von dort gleichmäßig über den Meßluftspalt 27 zum gegenüberliegenden zweiten Kreisring 22 und fließt in die zweite Polfläche des Permanentmagneten 26 hinein.
Bei "offenen" Mitnehmern 23 stellt sich eine Induktion ein, die den Hall-Sensor 24 sicher durchschaltet.
Verdreht man nun eine oder beide Wellen 21 bis sich die darauf gelagerten Mitnehmer 23 berühren, ergibt sich ein magnetischer Kurzschluß. Der Hauptfluß schließt sich jetzt nicht mehr über den Luftspalt 27 zwischen den beiden Kreisringen 22, sondern über die beiden Mitnehmer 23. Dadurch bricht die Induktion im Luftspalt 27 zwischen den beiden weichmagnetischen Kreisringen 22 zusammen, so daß sich der darin befindliche HALL-Sensor sicher ausschaltet.
Das Reluktanzmodell für die Anordnung ist in Bild 4 dargestellt. Das Modell berücksichtigt die Potentialunterschiede, welche sich über den Kreisringumfang ergeben durch die Kettenschaltung von Eisen-Längswiderständen R₁ in Verbindung mit den Ableitwiderständen R_q des Meß-Luftspalts. Das Modell berücksichtigt auch den parasitären Fluß, der sich von den Kopfseiten der Mitnehmer 23 zum jeweils gegenüberliegenden Kreisring 22 ergibt, durch die Querwiderstände R_ms1 und R_ms2, wobei R_ms1 in dem Widerstand der Mitnehmer R_mit enthalten ist. Das Modell gilt in dieser Form für eine Winkelstellung, bei der das Hall-Element 24 und der erste Mitnehmer um 180° versetzt stehen, während der zweite Mitnehmer vom Hall-Element 24 bis zur Berührung des ersten Mitnehmers 23 bewegt wird, repräsentiert durch den Richtungspfeil "Position". Der Magnet, dessen Innenwiderstand mit R_mm dargestellt ist, befindet sich in räumlicher Nähe zum ersten Mitnehmer.
Dies stellt nur eine von vielen möglichen Anordn ungen dar, tatsächlich aber könnte der Hall-Schalter 24 (repräsentiert durch den Meßteil V(n_end) in jeder beliebigen Masche zwischen n = 1 und n = n_end angeordnet sein.
5 zeigt eine Axialspielkompensation zwischen den beiden Wellen 21 bzw. den Mitnehmern 23. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier der Hall-Sensor 24 nicht dargestellt.
Die Mitnehmer 23 werden ganz oder teilweise in Überdeckung mit dem gegenüberliegenden Kreisring 22 angeordnet, so daß ein Teil des magnetischen Flusses auch bei sich nicht berührenden Mitnehmern 23 über die Kopfseite 28 der Mitnehmer 23 zum gegenüberliegenden Kreisring 22 fließt, da der sich dort ergebende Luftspalt 272 wesentlich kleiner ist als der Meß-Luftspalt 27.
Die Induktionsänderung im Meß-Luftspalt 27 beim Durchlaufen des Axialspiels ist in den 6a bis 6c dargestellt.
6a zeigt die Magnetfeldverhältnisse bei einem konstanten Abstand zwischen den Trägerscheiben 20.
Bei Annäherung der beiden Kreisringe (6c) verkleinert sich der Meß-Luftspalt 27, wobei die Induktion im Luftspalt 272 stärker ansteigt als im Meß-Luftspalt 27. Umgekehrt sinkt die Luftspaltinduktion, wenn man die beiden weichmagnetischen Kreisringe 22 in axialer Richtung voneinander entfernt (6b).
Dies ist darauf zurückzuführen, daß infolge des Axialspiels bei Annäherung der beiden Kreisringe die relative Änderung des Luftspaltwiderstands für den Pfad "Kopfseite Mitnehmer zum gegenüberliegenden Kreisring" wesentlich höher als für den "Meß-Luftspalt" ist. Dies bedeutet eine zusätzliche Belastung für die Quelle (Theta), an deren Innenwiderstand damit ein größerer Spannungsabfall auftrifft. Umgekehrt sinkt der Quellenwiderstand wie auch die Belastung der Quelle (Theta), wenn sich die beiden Kreisringe voneinder entfernen.
Durch geeignete Dimensionierung läßt sich erreichen, daß die Induktion im Mcßluftspalt 27 annähernd konstant bleibt.
Auswirkungen des Axialspiels auf die Konstanz der Induktion im Mcßluftspalt 27 sind in 7 dargestellt.
Bild 7a zeigt die Luftspaltinduktion ohne Axialspielkompensation und Bild 7b mit Axialspielkompensation, wobei "x" die Länge des Mcßluftspaltes 27 und "delta" den Abstand "Kopfseite Mitnehmer zum gegenüberliegenden Kreisring" 272 kennzeichnet.
Es wird deutlich, daß sich auf Grund der vorgeschlagenen Anordnung die Axialspielabhängigkeit der Induktion im Mcßluftspalt 27 deutlich reduziert.
Bei vielen Konstruktionen wird der axiale Abstand der beiden Kreisringe 22 deutlich größer sein als die Ausdehnung des HALL-Sensors 24 in Richtung seiner empfindlichen Achse. Dies läßt sich dafür ausnutzen, die Induktion im Hall-Sensor 24 zu erhöhen, ohne daß stärkere Magnete eingesetzt werden müssen.
Hierzu wird der Hall-Sensor 24 auf einem weichmagnetischen Träger montiert. Da sich die Induktion umgekehrt proportional zum Luftspalt 27 verhält, steigt die Meßinduktion hierdurch an. Hiermit läßt sich zum einen Magnetmaterial einsparen, zum anderen kann über ein einfach zu handhabendes mechanisches Maß (Dicke des weichmagnetischen Trägers) die Systemempfindlichkeit optimiert werden.
Gleichzeitig dient der Träger dazu, den Hall-Sensor sicher im Luftspalt zu positionieren.
Die verfügbaren Hall-Sensoren weisen eine Schalthysterese auf, d.h. Ein- und Ausschaltpunkt liegen bei unterschiedlichen Steuer-Flußdichten.
Da der Abfall der Induktion im Meß-Luftspalt 27 der hier beschriebenen Vorrichtung nur endlich steil ist, führt diese Induktionshysterese Δ B zu einer Weg/Winkelhysterese Δ X (8a).
Zur Lösung dieses Problems ist um den Permanentmagneten 26 eine Spulenwicklung 33 gewickelt. Diese Wicklung 33 liegt im Ausgangskreis des Hall-Schalters 24. Die Freilaufdiode D und der Widerstand R dienen nur zum Schutz des Hall-Schal ters 24 (8b). Bei Vorliegen einer Steuer-Induktion durch den Schalter von ≥ B_ein schaltet der Ausgangstransistor T durch, die Spulenwicklung 33 wird bestromt. Der Wicklungssinn der Spule 33 ist so gewählt, daß das sich ergebende Feld der Spule B_EM dem des Permanentmagneten B_PM entgegengesetzt ist. Spule 32 und Permanentmagnet 26 sind so aufeinander abgestimmt, daß das resultierende Feld, welches sich im Meß-Luftspalt 27 der oben beschriebenen Einrichtung einstellen würde, sicher unterhalb des Ausschaltwertes B_aus liegt, während sie ohne Spulenfeld deutlich über B_ein liegt.
Damit existieren zwei unterschiedliche Steuerkennlinien für den Hall-Schalter 24: eine auf niedrigem Induktionsniveau, wenn der Schalter durchgeschaltet hat, sowie eine auf höherem Niveau, wenn der Schalter 24 gesperrt hat.
Aus Bild 8c läßt sich erkennen, daß damit die Hysterese der Anordnung deutlich reduziert wird.
Bei dem hier beschriebenen Magnetschalter 24 kann eine Redundanz einfach dadurch erreicht werden, daß mehrere Schalter über den Kreisringumfang verteilt angeordnet werden. Da das Vorhandensein zusätzlicher Schalter praktisch keine Rückwirkung auf die Flußverteilung hat, kann so eine redundante Anordnung realisiert werden, ohne daß die Betätigungskräfte ansteigen bzw. ein stärkerer Magnet notwendig wird.
Will man den Aufwand für den Eisenkreis klein halten und zudem preiswerte Hall-Schalter 24 mit großen Toleranzen der Ein- und Ausschaltinduktion einsetzen, so kann es vorkommen, daß auf Grund des zu niedrigen Induktionshubes ein sicheres Schalten nicht möglich ist.
Mit Hilfe eines Vorspannmagneten wird der Hall-Schalter 24 mit einer Induktion beaufschlagt, die der im Luftspalt ent gegengesetzt ist. Die Überlagerung der beiden Felder bewirkt, daß sowohl die Induktion B_max wie auch B_mi _n um den Offsetbetrag abgesenkt werden. Auf diese Weise kann auch mit geringem Primärhub ein relativer Induktionshub (B_min – B_max)/B_max von bis 100 % und mehr erreicht werden.
Das Prinzip soll anhand von 9 erläutert werden Es zeigt:

y-Achse:: normierte Induktion
x-Achse:: normierter Weg bzw. Winkel
Bo:: Konstante
f(x): Funktion, welche die Ortsabhängigkeit der Induktion beschreibt

Alle Zahlenwerte sind nur beispielhaft zu verstehen!

(a): B(x) = 2*(Bo + x* f(x))
(b): B(x) = 2* f(x)
(c): obere Einschaltschwelle des Hall-Schalters
(d): untere Ausschaltschwelle des Hall-Schalters
(e): Hilfsoffset = –2* Bo
(f): B(x) = Bo + x* f(x)
(g): Schalthysterese, die sich für Funktion (b) ergibt

Gegeben ist eine Funktion nach (f) mit einem relativen Induktionshub von ca. –50 %. Da für x = 0 die Induktion oberhalb (d) liegt, funktioniert die Anordnung nicht (der Hall-Schalter bleibt auch für x = 0 eingeschaltet).
Diese Funktion wird im Beispiel um den Faktor 2 verstärkt (z. B. durch einen stärkeren Magneten), dies führt zu Funktion (a). Auch (a) ist noch nicht geeignet, den Hall-Schalter sicher ein- und wieder auszuschalten.
Durch Beaufschlagen mit dem konstanten Offset (e) wird (a) soweit verschoben, daß für x = 0 die sich ergebende Induktion sicher unter (d) liegt.
Es ergibt sich die Funktion (b), die sowohl (c) wie auch (d) schneidet und damit ein sicheres Ein- und Ausschalten des Hall-Schalters gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch bipolare Hall-Schaltertypen eingesetzt werden können, die preiswerter sind und eine geringere Temperaturdrift aufweisen als unipolare Typen. Hierzu wird ein Offsetwert eingestellt, dessen Betrag größer als B_mi _n des Primärhubes ist.
Der Vorspannmagnet kann direkt unter dem HALL-Schalter plaziert werden oder auch in geringem Abstand neben diesem auf dem weichmagnetischen Träger angeordnet sein.
Für das dargestellte Prinzip sind zahlreiche Anwendungen in der Steuer- und Regeltechnik denkbar.

Claims

Vorrichtung zur Erkennung einer mechanischen Berührung zweier Baugruppen, wovon mindestens eine beweglich gegenüber der anderen angeordnet ist, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem in einem Magnetfeld liegenden magnetfeldabhängigen Sensor, welcher die durch die Annäherung oder Berührung der Baugruppen hervorgerufene Änderung des magnetischen Flusses in ein elektrisches Signal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß jede der durch einen Luftspalt (27) getrennten Baugruppen (21) gegenüberliegend mindestens einen Bereich aus weichmagnetischem Material (22) aufweist, welcher einen weichmagnetischen Betätiger (23) trägt, wobei. das Magnetfeld mit seiner Magnetisierungsachse in der Verbindungslinie der Baugruppen (21) liegt und bei Annäherung oder Berührung der weichmagnetischen Betätiger (23) durch den im Luftspalt (27) angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor (24) eine starke Veränderung des magnetischen Widerstandes sensierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen (21) koaxial gelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen (21) koaxial gelagerte Wellen sind, an deren Stirnseite jeweils ein Kreisring (22) aus weichmagnetischem Material gelagert ist; welcher den weichmagnetischen Betätiger (23) trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Kreisring (22) auf einer Trägerscheibe (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Betätiger (23) durch eine Abwinklung eines radial über den Kreisring (22) hinausragenden Zapfens realisierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Betätiger (23) selbst und/oder erhabene Bereiche ganz oder teilweise in Überdeckung mit dem gegenüberliegenden Kreisring (22) angeordnet sind, so daß ein Teil des magnetischen Flusses über die Kopfseiten (28) der Betätiger (23) bzw. der erhabenen Bereiche zum gegenüberliegenden Kreisring (22) fließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (30) zwischen Wellenaufnahme (29) und dem weichmagnetischen Kreisring (22) mit unmagnetischem Werkstoff ausgefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Sensors (24) in seiner empfindlichen Achse kleiner als der axiale Abstand der Kreisringe (22) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Sensor (24) in den Luftspalt (27) zwischen den beweglichen Baugruppen (21) hineinragt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Sensor (24) über einen Träger (25) an einem ortsfesten Gehäuse befestigt ist, in welchem auch die beweglichen Baugruppen (21) gelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Sensor (24) auf einem weichmagnetischem Träger (25) montiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Sensor (24) auf einem Kreisring (22) montiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Sensor (24) über einen in seiner Umgebung angeordneten Vorspannmagneten (33) mit einer Induktion beaufschlagbar ist, welche der im Luftspalt (27) auftretenden Induktion entgegengerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch einen Dauermagneten (26) erzeugbar ist, welcher auf einer der Trägerscheiben (20) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (26) auf einem der Kreisringe (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (26) ortsfest mit dem Gehäuse verbunden ist und in den Luftspalt (27) hineinragt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (26) eine im Ausgangskreis des magnetfeldabhängigen Sensors (24) liegende Spulenwicklung (33) trägt, deren Wicklungssinn so gewählt ist, daß das Magnetfeld des Dauermagneten (61) dem durch die stromdurchflossene Spulenwicklung (33) erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Dauermagnet (26), der magnetfeldabhängige Sensor (24) und Betätiger (23) auf unterschiedlichen Radien der Trägerscheiben (20) der beweglichen Baugruppen (21) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren (24) über den Kreisringumfang verteilt angeordnet sind.