MESSVORRICHTUNG ZUR MAGNETISCHEN WINKEL- UND/ODER WEGMESSUNG
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Winkel- und/ oder Wegmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Messvorrϊchtung zur Winkel- und/ oder Wegmessung für Stellelemente in Kraftfahrzeugen.
Die Winkelmessung, bzw. die Bestimmung einer Stellung einer Schwenkachse, ist bei Kraftfahrzeugelementen beispielsweise zur Steuerung von Drossel- oder Abgasklappen erforderlich. Hierbei muss die Stellung der Klappe exakt bestimmt werden. Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels, d. h. des Öffnungswinkels einer Drosselklappe, ist aus DE 199 03 490 bekannt. Hierbei ist die Drosselklappe mit einer Schwenkachse und über mehrere Zwischenelemente mit einem konzentrisch zur Schwenkachse angeordneten Ringmagnet verbunden. Der Ringmagnet wird beim Schwenken der Drosselklappe mitgedreht. In dem Gehäusedeckel sind zwei Magnetfeldsensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren, angeordnet.. Die beiden Sensoren sind außerhalb des Ringmagneten um 180 ° zueinander versetzt
angeordnet. Von den beiden Sensoren werden zwei winkelabhängige Signale erzeugt. Die von den beiden Sensoren erzeugten Feldabwicklungskurven sind im Wesentlichen sinusförmig, wobei die Kurven in einem Winkelbereich von ± 45° im Wesentlichen linear sind. Das Vorsehen eines Ringmagneten mit zwei außerhalb des Ringmagneten angeordneten Sensoren erfordert einen großen Bauraum. Dies ist insbesondere bei der Drehwinkelerfassung von Drossel- und Abgasklappen nachteilig, da diese in einem Bereich des Motors angeordnet sind, in dem wenig Platz vorhanden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zur Winkel- und/ oder Wegmessung zu schaffen, die einen kleinen Bauraum benötigt und kostengünstig herstellbar ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Messvorrichtung zur Winkel- und/ oder Wegmessung, die insbesondere für Stellelemente in Kraftfahrzeugen geeignet ist, weist ein Bewegungselement, wie ein Zahnrad oder einen Schlitten, auf. Mit dem Bewegungselement ist ein Magnetfelderzeuger verbunden. Dem Magnetfelderzeuger ist ein Magnetfeldsensor zugeordnet, der das von dem Magnetfelderzeuger erzeugte Magnetfeld aufnimmt, bzw. in Abhängigkeit des erfassten Magnetfeldes Signale erzeugt. Hierbei ändert sich durch die Relativbewegung zwischen dem Magnetfelderzeuger und dem Magnetfeldsensor das Magnetfeld, wobei in Abhängigkeit der Magnetfeldänderung ein Signal erzeugt wird. Das von dem Magnetfeldsensor erzeugte Signal wird an eine Auswerteeinrichtung übertragen. Hierbei kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise Teil einer Auswerte- und/ oder Steuerelektronik sein, wobei durch die Steuerelektronik beispielsweise das Kraftfahrzeugstellelement gesteuert wird.
Erfindungsgemäß weist der Magnetfelderzeuger mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Stiftmagnete auf. Die mindestens zwei
Stiftmagnete sind beispielsweise an einem verschwenkbaren
Bewegungselement in einem Winkel zueinander angeordnet. Ebenso können die Stiftmagnete an einem verschiebbaren Bewegungselement, wie einem Schlitten, in einem linearen Abstand zueinander angeordnet sein. Durch die beiden in einem Abstand zueinander angeordneten Stiftmagnete wird ein Magnetfeld erzeugt, wobei sich die Magnetfeldstärke je nach Lage der Stiftmagneten relativ zu dem Magnetfeldsensor ändert. Hierdurch kann die Lage des Bewegungselementes bestimmt werden. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass dem Sensor der Kurvenverlauf des Magnetfeldes in Abhängigkeit der Lage der Stiftmagnete bekannt ist, bzw. in der Auswerteeinheit hinterlegt ist, so dass hieraus die Stellung des Bewegungselementes abgeleitet werden kann. Vorzugsweise sind die Stiftmagnete insbesondere hinsichtlich ihrer Größe und Magnetstärke derart ausgewählt, dass in dem interessierenden Bewegungsbereich ein quasi lineares Magnetfeld zwischen den beiden Stiftmagneten besteht. Dies hat den Vorteil, dass das Hinterlegen bzw. Bestimmen der Magnetfeldkurve nicht erforderlich ist und somit ein einfach aufgebauter Magnetfeldsensor sowie eine entsprechend einfach aufgebaute Auswerteeinheϊt verwendet werden kann.
Das Vorsehen von Stiftmagneten hat den Vorteil, dass es sich hierbei um kleine Bauteile handelt und die aus dem Stand der Technik bekannten kreisförmigen, insbesondere diametral magnetisϊerten Magnete entfallen können. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung erfordert somit nur einen kleinen Bauraum und ist sehr kostengünstig herstellbar.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist nur ein einziger Magnetfeldsensor vorgesehen. Hierdurch kann der Bauraum weiter reduziert und die Kosten der Messvorrichtung weiter verringert werden.
Bei dem Magnetfeldsensor handelt es sich vorzugsweise um einen Hall-Sensor, insbesondere einen stützstellenprogrammierbaren Hall-Sensor. Mit Hilfe von Hall-Sensoren kann das Magnetfeld exakt erfasst werden.
Vorzugsweise sind die Stiftmagnete derart ausgerichtet, dass ihre i\lord-Süd- Ausrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das zwischen den beiden Stiftmagneten bestehende Magnetfeld vom Magnetfeldsensor gut erfasst werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Drehwinkelerfassung für Drossel- und/ oder Abgasklappen in Kraftfahrzeugen. Hierbei ist eine Schwenkachse, die vorzugsweise unmittelbar mit der Klappe verbunden ist, vorgesehen. Zur Erfassung des Schwenkwinkels der Schwenkachse ist in einem Abstand zur Mittellinie der Schwenkachse der Magnetfelderzeuger in Form von mindestens zwei Stiftmagneten angeordnet. Hierbei sind die beiden Stiftmagnete vorzugsweise auf einer Kreislinie angeordnet. Benachbart zu den Stiftmagneten, bzw. zu dem von den Stiftmagneten erzeugten Magnetfeld, ist der Magnetfeldsensor angeordnet. Somit erfolgt durch Schwenken der Schwenkachse eine Relatϊvbewegung zwischen den Stiftmagneten und dem Magnetfeldsensor. Hierdurch ändert sich das Magnetfeld, das der Magnetfeldsensor aufnimmt. In Abhängigkeit der Magπetfeldänderung erzeugt, der Magnetfeldsensor ein winkelabhängiges Signal. Ggf. ist zur Bestimmung des exakten Winkels eine Auswerteeinheit erforderlich, die das Signal des Magnetfeldsensors entsprechend verarbeitet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor in einem derartigen, insbesondere axialen Abstand zu den Magnetfelderzeugern angeordnet, dass im Bereich des Magnetfeldsensors die Magnetfeldlinien der beiden Magnetfelderzeuger einen sanften Übergang zueinander aufweisen. Dieser erfindungsgemäßen bevorzugten Anordnung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Feldlinien bei einem geringen Abstand zueinander in einem
sehr spitzen Winkel zueinander verlaufen, d. h. keinen sanften Übergang bilden. Mit Erhöhung des axialen Abstandes wird der Übergang zwischen den Feldlinien sanfter, jedoch wird mit Vergrößerung des Abstandes die Feldstärke geringer. In Abhängigkeit der von dem Magneten erzeugten Magnetfeldstärke kann somit ein optimaler Abstand bestimmt werden, an dem insbesondere auch in Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors die Magnetfeldstärke noch ausreichend ist und somit ein möglichst sanfter Übergang der Magnetfeldlϊnien gegeben ist. Bei dem sanften Übergang handelt es sich insbesondere um einen Winkel zwischen den sich schneidenden Magnetfeldlinien der beiden Magnetfelder von mehr als 60°, insbesondere mehr als 90° und besonders bevorzugt mehr als 120°. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die von den beiden Magnetfelderzeugern erzeugten Magnetfelder von den Außenabmessungen, insbesondere dem Durchmesser der Magnetfelderzeuger, von dem Material und von deren axialer Ausdehnung abhängig ist. Die optimale Lage des Magnctfeldsensors im Bezug auf die Magnetfelderzeuger kann durch Versuche ermittelt werden. Hierbei wird der Magnetfeldsensor derart angeordnet, dass in dem interessierenden Winkelbereich ein im Wesentlichen linearer Verlauf der Magnetfeldlinie gegeben ist.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen :
Figur 1 : eine schematische Draufsicht einer Winkel- Messvorrichtung,
Figur 2 : eine schematische Seitenansicht entlang der Linie II-II in Figur 1,
Figur 3 - 5 : Diagramme der Magnetfeldstärke über dem Winkel bei unterschiedlichen Abständen von zwei Stiftmagneten und
Figur 6: eine schematische Darstellung der Anordnung eines Magnetfeldsensors relativ zu zwei Stiftmagneten.
Eine Winkelmessvorrichtung, die beispielsweise zum Messen eines Drehwinkel einer Drosselklappe oder Abgasklappe geeignet ist, weist eine mit einem Stellmotor verbundene Welle 10 auf, die ein Zahnrad 12 trägt. Das Zahnrad 12 ist in klemmendem Eingriff mit einem Zahnrad 14, das mit einer Schwenkachse 16 verbunden ist. Die Schwenkachse 16 ist beispielsweise mit einer Achse der Klappen verbunden. Ebenso können die eine oder mehrere Klappen unmittelbar auf der Schwenkachse 16 vorgesehen sein.
Um einen Schwenkwinkel der Schwenkachse 16 und somit beispielsweise die Lage einer Klappe bestimmen zu können, sind mit dem Zahnrad 14, bei dem es sich um ein Bewegungselement handelt, als Magnetfelderzeuger zwei Stiftmagnete 18, 20 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Stiftmagnete 18, 20 auf einer gemeinsamen Kreislinie angeordnet und weisen einen Winkelabstand α zueinander auf. Die Stiftmagnete 18, 20 sind derart angeordnet, dass bei dem einem Stiftmagnet der Nordpol und bei dem anderen Stiftmagnet der Südpol in Richtung eines gegenüber den Stiftmagneten angeordneten Magnetfeldsensors 22 weist. Zwischen den beiden Stiftmagneten 18, 20 besteht somit ein Magnetfeld, das vom Magnetfeldsensor 22, z. B. einem Hall-Sensor erfasst wird. Über eine Leitung 24 ist der Magnetfeldsensor mit einer Auswerteeinheit 26, insbesondere einer Auswert- und/oder Steuerelektronik verbunden.
In den in den Figuren 3 - 5 dargestellten Diagrammen wurde der Verlauf der Magnetfeld kurve in Abhängigkeit des Winkels aufgenommen, wobei die beiden
Stiftmagnete 18, 20 in einem unterschiedlichen Winkel zueinander mit dem Zahnrad 14 verbunden waren.
Bei den Stiftmagneten handelt es sich um kreiszylinderförmige Stiftmagnefe mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 4 mm. Die Magnete waren axial magnetisiert. Aufliegend gemessen wiesen die Magnete eine Feldstärke von 250 mT auf. Als Material der Stiftmagnete ist insbesondere SmC 05/17 geeignet. Derartige Stiftmagnete wurden in allen drei nachfolgend aufgeführten Beispielen eingesetzt.
Bei der Figur 3 wurden die Stiftmagnete 18, 20 in einem Winkel α = 45° zueinander angeordnet.
Wie sich aus Figur 3 ergibt, verläuft die Magnetfeldkurve in dem Winkelbereich von ca. -82 mT bis +87 mT. Erfindungsgemäß kann dem Magnetfeldsensor bzw. der Auswerteeinrichtung die exakte Kurve 28 hinterlegt werden. In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung, die ausreichend ist, wenn der Drehwinkel nicht exakt bestimmt werden muss, kann die Kurve 28 zu einer Geraden 30 linearisiert werden. Wenngleich die Messung hierdurch eine gewisse Ungenauigkeit erfährt, weist dies den Vorteil auf, dass die Winkelbestimmung in Abhängigkeit des gemessenen Magnetfeldes erheblich einfacher ist.
Dem in Figur 4 dargestellten Diagramm liegt eine Untersuchung zu Grunde, bei der die beiden Stiftmagnete 18, 20 in einem Winkel - 35° zueinander angeordnet waren. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Abweichung zwischen der tatsächlich aufgenommenen Kurve 32 und der linearisierten Kurve 34 deutlich geringer, so dass bei einem Winkelbereich von 35° bereits bei einer relativ hohen Genauigkeit die linearisierte Kurve 34 hinterlegt werden kann.
Das in Figur 5 dargestellte Diagramm wurde auf Basis eines Winkelabstandes von = 23° ermittelt. Hierbei wurde festgestellt, dass der Unterschied
zwischen der tatsächlichen Magnetfeldkurve 36 und der linearisϊeiten Kurve 38 noch geringer ist, so dass bei einem derartigen Winkelbereich insbesondere bei Stellelementen in einem Kraftfahrzeug und der linearisierten Kurve ausgegangen werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei der insbesondere die in den Figuren 4 und 5 dargestellten Messergebnisse erzielt werden können, ist der Magnetfeldsensor 22 (Fig. 5) bezogen auf die beiden Stiftmagnete 18, 20 in einem axialen Abstand d von 5 - 10 mm angeordnet. Dies hat zur Folge, dass der Magnetfeldsensor in einem Bereich angeordnet ist, in dem zwischen den Magnetfeldlinien 40, 42 der beiden Stiftmagneten 18, 20 ein sanfter Übergang stattfindet. Insbesondere ist ein Winkel \\ in diesem Bereich eines sanften Übergangs größer als 60°, vorzugsweise größer als 90° und besonders bevorzugt größer als 120°.