WO2006117293A1 - Magnetoelastischer drucksensor - Google Patents

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WO2006117293A1
WO2006117293A1 PCT/EP2006/061676 EP2006061676W WO2006117293A1 WO 2006117293 A1 WO2006117293 A1 WO 2006117293A1 EP 2006061676 W EP2006061676 W EP 2006061676W WO 2006117293 A1 WO2006117293 A1 WO 2006117293A1
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WO
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pressure sensor
magnetoelastic
deformation body
coil
sensor according
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/061676
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Zahout-Heil
Original Assignee
Continental Teves Ag & Co.Ohg
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Teves Ag & Co.Ohg filed Critical Continental Teves Ag & Co.Ohg
Publication of WO2006117293A1 publication Critical patent/WO2006117293A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/14—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by electromagnetic elements
    • G01L23/145—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by electromagnetic elements by magnetostrictive elements

Definitions

  • the invention relates to a magnetoelastic pressure sensor for measuring hydraulic pressures in motor vehicle brake systems according to the preamble of claim 1.
  • ABS anti-lock braking system
  • ESP electronic stability program
  • the document EP 0 450 933 A1 discloses a pressure sensor which comprises a thin layer of an amorphous magnet alloy with a magnetoelastic property.
  • the pressure sensor is made in one piece and elaborately formed.
  • a pressure sensor according to the magnetoelastic (magnetostrictive) principle is known, wherein the structure described there has a very complex deformation body and a very complex sensor part. The latter is powered by a connection cable.
  • a sensor which is arranged at an injection power of a direct-injection internal combustion engine leading to an injection valve is known from WO 02/066809 A2.
  • US Pat. No. 6,393,921 B1 discloses a magnetoelastic sensor arrangement.
  • JP 2005-280536 A discloses a device for controlling the brake fluid pressure for vehicles.
  • a fluid pressure detection means which comprises a magnetostrictive element and a detection coil arranged on the circumference of the magnetostrictive element, wherein the magnetostrictive element and the detection coil are arranged in a hydraulic block and the detection coil is connected via a pin with the control electronics.
  • the object of the invention is to provide a pressure sensor for measuring hydraulic pressures in motor vehicle brake systems, which has a modular, contactless structure.
  • the invention is based on the idea to exploit the magnetoelastic effect for detecting a pressure, wherein the measured value (pressure) is transmitted without contact or contactless to an evaluation.
  • the pressure-induced mechanical stress in a deformation body is evaluated by a magnetoelastic material, which changes its permeability as a function of the mechanical stress.
  • the deformation body may consist of a magnetoelastic material or be coated with a magnetoelastic material or it is located in the interior of the deformation body, a magnetoelastic sensor element.
  • the change of the permeability is evaluated with a detection means which is either a coil or a Hall element with a magnetic field generating means.
  • the pressure sensor is designed in two or more parts, wherein in each case at least one part is arranged in or on an electronic control unit (ECU) and in or on a hydraulic control unit (HCU) of the control unit of a motor vehicle brake system.
  • ECU electronice control unit
  • HCU hydraulic control unit
  • At least one coil or the Hall sensor is arranged in or on the ECU.
  • At least the deformation body is arranged in or on the HCU.
  • a magnetic coupling between the deforming body and the coil or Hall sensor is created by the assembly of ECU and HCU, which makes it possible to measure the pressure-proportional change in the permeability of the deforming body by means of the coil or the Hall sensor.
  • the deformation body is formed dome-shaped for stabilization.
  • the deformation body has a stiffened cover on one of its surfaces, which prevents excessive deformation of the deformation body.
  • the flux guide and the coil of the pressure sensor according to the invention are preferably arranged outside of the deformation body.
  • a reference coil is arranged outside of the deformation body. Particularly preferably, this is arranged in a non-pressure-dependent deforming region of the deformation body or of the sensor element. With the help of the reference coil Manufacturing and installation tolerances and temperature influences can be compensated.
  • the flux guide and the coil of the pressure sensor according to the invention are arranged within the deformation body.
  • the magnetic field for evaluating the pressure-induced change in the magnetic resistance of the deformation body by a permanent magnet or other means having a magnetic field is caused.
  • the magnetic field is caused by a coil. This is particularly preferably driven by an AC voltage. This results in a symmetrical modulation of the Hall sensor, which can be easier to suppress interference signals.
  • An advantage of the pressure sensor according to the invention is its simple geometry and its division into two, which allows a separate arrangement, assembly and manufacture of the two items.
  • the contactless transmission of the measured value is dependent on the deformation body acted upon by the pressure to be measured, which is e.g. in the HCU, to the detection means for sensing a pressure-induced permeability change which is e.g. located in the ECU is advantageous.
  • FIG. 1b shows a pressure sensor with a deformation body, which is coated with a magnetoelastic material
  • FIG. 2a shows a pressure sensor with a magnetoelastic sensor element in the interior of a deformation body
  • FIG. 3 shows a pressure sensor with a coil arranged within a deformation body
  • FIG. 5 shows a first pressure sensor with a Hall sensor
  • FIG. 6 shows a second pressure sensor with a Hall sensor.
  • Fig. Ia shows a magnetoelastic pressure sensor which comprises a dome-like deformation body 10 made of a magnetoelastic material, a flux guide 20, and a outer coil 30 has.
  • a pressure p for example, a hydraulic pressure of a motor vehicle brake
  • the pressure p causes a mechanical stress in the deformation body 10, which leads to a permeability change of the magnetoelastic material of the deformation body 10.
  • the permeability change causes the change in the inductance of the outer coil 30, which is magnetically coupled by the flux guide 20 to the deformation body 10. This change in inductance can be detected and used to determine the pressure p.
  • FIG. 1 b shows a pressure sensor with a deformation element 11, in which case, in contrast to the deformation element 10 shown in FIG. 1 a, the deformation element 11 has a layer 40 of a magnetic material.
  • the rest of the structure corresponds to that of Fig. Ia.
  • FIG. 2a shows a pressure sensor with a magnetoelastic sensor element 50 in the interior of a deformation body 12.
  • the deformation body 12 has a stiffened cover instead of the dome-shaped expression according to FIG. 1, which is intended to prevent excessive deformation of the deformation body 12.
  • the pressure-induced deformation of the deformation body 12 ensures a proportional mechanical stress in the sensor element 50.
  • the further construction is identical to that described in FIG.
  • FIG. 2 b shows a pressure sensor with a magnetoelastic deformation element 13.
  • the deformation body 13 in this case has, as in Fig. 2a, a stiffened lid.
  • the deformation body 13 in its interior (also possible from the outside) supplemented by stiffening rings 60. These are supposed to produce a "bulbous" deformation of the prevent molding body 13, whereby a reduction of the radial stresses is achieved.
  • the further construction is analogous to the previous pressure sensors according to FIGS. 1 and 2a.
  • FIG. 3 shows a pressure sensor with a coil 30 arranged within a deformation body 14.
  • the pressure is introduced from the outside, i. the pressure p acts on the cover of the deformation body 14.
  • the deformation body 14 is provided with a layer 50 of magnetoelastic material.
  • FIG. 4 a shows a first pressure sensor with a reference coil 70.
  • the deformation body 15 is in this embodiment in the upper region where where the deformation body 15 is enclosed by the reference coil 70, made massive. This avoids that the deformation body 15 can deform in this area, so that the reference coil 70 always the constant, i. does not measure the pressure-dependent, inductance of the deformation body 15. Thus, manufacturing or installation tolerances and temperature influences can be compensated by this reference coil 70.
  • the further construction corresponds to that of FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4b shows a second pressure sensor with a reference coil 70.
  • the deformation element 16 in the region of the reference coil 70 is not solid, but it is by a web of the deformation body 16 in two areas, namely in a pressure-dependent area within the outer coil 30 and a pressure independent region within the reference coil 70, divided.
  • the further construction corresponds to that of FIG. 4a.
  • the pressure is determined by measuring the inductance. If one also measures the ohmic resistance of the outer coil 30, this is a measure of the temperature.
  • FIG. 5 shows a pressure sensor comprising a deformation body 17, a flux guide 20 (iron yoke), a Hall sensor 8 and a permanent magnet 9.
  • Fig. 5a the pressure sensor is shown in front view, in Fig. 5b in a three-dimensional view.
  • the deformation body 17 can be made of or coated with a magnetoelastic material or contain a magnetoelastic sensor element in the interior.
  • the permanent magnet 9 a magnetic flux is generated, which is guided by a flux guide 20 and passed through the deformation body 17. The magnetic flux is measured by the Hall sensor 8.
  • the pressure p causes a mechanical stress in the deformation body 17, which leads to a change in the permeability of the magnetoelastic material.
  • the permeability change leads to a change in the magnetic resistance of the deformation body 17 and thus to a change in the flow through the coupled Hall sensor 8.
  • the output voltage of the Hall sensor 8 is then a measure of the pressure to be measured p.
  • the advantage of the pressure sensor shown in Fig. 5 lies in the possibility of miniaturization of the system. By eliminating the coil (s) 30, 70 (see FIGS. 1 to 4), this exemplary sensor can be significantly smaller. In addition, the evaluation is simplified. It does not have to determine the inductance of the coil or consuming the coupling between two magnetic circuits, but rather it is possible to evaluate the analog signal of the Hall sensor. This is far less demanding from a metrological point of view. The output voltage of the Hall sensor is strictly proportional to the introduced into the deformation body 17 pressure p.
  • FIG. 6 shows a pressure sensor in which, in contrast to the pressure sensor shown in FIG. 5, the magnetic field is not generated by a permanent magnet 9 but by a coil 80.
  • the rest of the structure corresponds to that of FIG. 5.
  • the exemplary pressure sensor comprises in addition to the Hall sensor 8 again - as in Figures 1 to 4 - a coil, but this can be much smaller.
  • the advantage of this sensor is the possibility of symmetrical modulation of the Hall sensor 8 by exciting the coil 80 with an AC voltage. This makes it easier to suppress interference signals that are coupled from the outside.
  • a corresponding embodiment of a magnetoelastic pressure sensor without a flux guide is also conceivable.
  • a corresponding magnetoelastic pressure sensor then comprises a deformation body, a Hall sensor and a magnetic field generating means. The sensitivity of such a pressure sensor is then reduced compared to the embodiment with flux guide.
  • an electronic control unit / controller In modern automotive brake control units, an electronic control unit / controller (ECU) is usually manufactured independently of a hydraulic control unit (HCU). These two parts (ECU and HCU) become then combined to form a control unit, for example for an anti-lock braking system (ABS). Due to the construction shown in FIGS. 1, 2, 4, 5 and 6, the deformation body 10, 11, 12, 13, 15, 16, 17 can be independent of the other components (outer coil 30, possibly existing reference coil 70, Hall sensor 8 , Flux guide 20, permanent magnet 9 or coil 80) are mounted in the HCU, while the outer coil 30 and possibly the reference coil 70 or the Hall sensor 8 and the permanent magnet 9 or the coil 80 (similar to the coils for controlling switching valves) in the ECU.
  • the deformation body 10, 11, 12, 13, 15, 16, 17 can be independent of the other components (outer coil 30, possibly existing reference coil 70, Hall sensor 8 , Flux guide 20, permanent magnet 9 or coil 80) are mounted in the HCU, while the outer coil 30 and possibly the reference coil 70 or the Hall sensor 8 and the
  • Suitable magnetoelastic materials are ferromagnetic materials, in particular ferromagnetic metals (eg iron, cobalt, nickel (at room temperature) or lanthanides (at low temperatures)). Numerous alloys also show magnetoelastic behavior, eg metallic glasses, which often contain terbium. Also particularly suitable are nickel-iron alloys, such as Permenorm® (brand of Vacuumschmelze, Hanau), or cobalt-iron alloys, such as Vacoflux® and Vacodur® (brands of Vacuumschmelze, Hanau). Highly alloyed stainless steel connections can also be used. In addition, a large number of steels has a magnetoelastic effect, depending on the application, one or the other material is preferable.
  • ferromagnetic metals eg iron, cobalt, nickel (at room temperature) or lanthanides (at low temperatures)
  • Numerous alloys also show magnetoelastic behavior, eg metallic glasses, which often contain terbium.

Abstract

Magnetoelastischer Drucksensor, welcher zur Messung von Hydraulikdrücken in Kraftfahrzeugbremsanlagen geeignet ist, wobei der Drucksensor einen hohlen Verformungskörper (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17), ein Flussleitstück (20) und ein Detektionsmittel zum Sensieren einer druckinduzierten Permeabilitätsänderung umfasst, wobei der Verformungskörper aus einem magnetoelastischen Material besteht oder mit einem magnetoelastischen Material beschichtet ist oder wobei sich im Inneren des Verformungskörpers ein magnetoelastisches Sensorelement (50) befindet, wobei das Detektionsmittel: eine Spule (30) oder ein Hallsensor (8) und ein Magnetfelderzeugungsmittel ist, und wobei der Drucksensor zwei- oder mehrteilig ausgeführt ist, wobei zumindest ein Teil in oder an einer Elektronikeinheit und zumindest ein Teil in oder an einer Hydraulikeinheit einer Steuereinheit der Kraftfahrzeugbremsanlagen angeordnet ist und der Drucksensor bei einer Montage der Elektronikeinheit an der Hydraulikeinheit durch die sich zusammenfügenden Teile gebildet wird.

Description

Magnetoelastischer Drucksensor
Die Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Drucksensor zur Messung von Hydraulikdrücken in Kraftfahrzeugbremsanlagen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Zum sicheren und komfortablen Betreiben moderner Kraftfahrzeuge ist es erforderlich, eine Vielzahl von verschiedenen Parametern sensorisch zu erfassen. Beispielsweise werden vielfach elektronisch geregelte Bremsanlagen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese weisen vermehrt sicherheitsrelevante Unterfunktionen, wie z.B. ein Antiblockiersystem (ABS) oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) auf. Zur Steuerung bzw. Regelung dieser Bremsanlagen ist es erforderlich, dass die Bremsdrücke bzw. die zu den Bremsdrücken proportionalen Drucksignale erfasst und verarbeitet werden.
Zur Messung eines Drucks sind zahlreiche Prinzipien bekannt. Meist führt der zu erfassende Druck bei einem Verformungskörper, welcher als Messelement verwendet wird, zu einer Gestaltsänderung (Verformung) oder zu einer Änderung der mechanischen Spannung. Die Änderung eines nachfolgenden Widerstandsnetzwerkes kann dann über einfache elektronische Schaltungen ausgewertet werden.
Aus der Schrift EP 0 450 933 Al geht ein Drucksensor hervor, welcher eine dünne Schicht aus einer amorphen Magnetlegierung mit magnetoelastischer Eigenschaft umfasst. Der Drucksensor ist einteilig ausgeführt und aufwändig ausgeformt . Ferner ist aus der DE 36 04 088 Al ein Drucksensor nach dem magnetoelastischen (magnetostriktiven) Prinzip bekannt, wobei der dort beschriebene Aufbau einen sehr aufwändigen Verformungskörper und ein sehr aufwändiges Sensorteil aufweist. Letzteres wird durch ein Anschlusskabel elektrisch versorgt.
Ein Sensor, der an einer zu einem Einspritzventil führenden Einspritzleistung einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine angeordnet ist, ist aus der WO 02/066809 A2 bekannt.
Aus der US 6,393,921 Bl geht eine magnetoelastische Sensoranordnung hervor.
Aus der im Jahre 1994 von Herrn Holger Kabelitz an der Technischen Universität Berlin im Fachbereich für Konstruktion und Fertigung verfassten Dissertation mit dem Titel „Entwicklung und Optimierung magnetoelastischer Sensoren und Aktuatoren" gehen bereits Messmethoden für die magnetischen Eigenschaften dünner Schichten und Folien hervor. Darüber hinaus werden für diese magnetoelastischen Materialien, die nur eine geometrische Strukturierung in nur einer Ebene zulassen, geeignete Bauformen für Sensoren und Aktuatoren vorgestellt.
Aus der JP 2005-280536 A geht eine Vorrichtung zur Regelung des Bremsflüssigkeitsdrucks für Fahrzeuge hervor. Diese umfasst ein Flüssigkeitsdruckerfassungsmittel, welches ein magnetostriktives Element und eine am Umfang des magnetostriktiven Elements angeordnete Erfassungsspule aufweist, wobei das magnetostriktive Element und die Erfassungsspule in einem Hydraulikblock angeordnet sind und die Erfassungs- spule über einen Anschlussstift mit der Regelelektronik verbunden wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor zur Messung von Hydraulikdrücken in Kraftfahrzeugbremsanlagen bereitzustellen, welcher einen modularen, kontaktlosen Aufbau aufweist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den magnetoelastischen Drucksensor nach Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den magnetoelastischen Effekt zur Erfassung eines Druckes auszunutzen, wobei der Messwert (Druck) berührungs- bzw. kontaktlos an eine Auswerteelektronik übertragen wird. Es wird die druckinduzierte mechanische Spannung in einem Verformungskörper durch ein magnetoelastisches Material ausgewertet, welches seine Permeabilität in Abhängigkeit von der mechanischen Spannung ändert. Dabei kann der Verformungskörper aus einem magnetoelastischen Material bestehen oder mit einem magnetoelastischen Material beschichtet sein oder es befindet sich im Inneren des Verformungskörpers ein magnetoelastisches Sensorelement. Die Änderung der Permeabilität wird mit einem Detektionsmittel, welches entweder eine Spule oder ein Hallelement mit einem Magnetfelderzeugungsmittel ist, ausgewertet. Der Drucksensor ist zwei- oder mehrteilig ausgeführt, wobei jeweils zumindest ein Teil in oder an einer elektronischen Kontrolleinheit (ECU) und in oder an einer hydraulischen Kontrolleinheit (HCU) der Steuereinheit einer Kraftfahrzeugbremsanlage angeordnet ist. Bei der Montage von ECU und HCU zu einer Steuereinheit entsteht so durch das Zusammenfügen der Teile der Drucksensor. - A -
Dabei ist es bevorzugt, dass zumindest eine Spule oder der Hallsensor in oder an der ECU angeordnet ist.
Ebenso ist es bevorzugt, dass zumindest der Verformungskörper in oder an der HCU angeordnet ist. Bei der Montage von ECU und HCU entsteht so durch das Zusammenfügen von ECU und HCU eine magnetische Kopplung zwischen Verformungskörper und Spule oder Hallsensor, die eine Messung der druckproportionalen Änderung der Permeabilität des Verformungskörpers mit Hilfe der Spule oder des Hallsensors ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verformungskörper zur Stabilisierung kuppeiförmig ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Verformungskörper an einer seiner Oberflächen einen versteiften Deckel auf, welcher eine übermäßige Verformung des Verformungskörpers verhindert.
Außerdem ist es bevorzugt, dass innerhalb und/oder außerhalb des Verformungskörpers mit diesem verbundene Versteifungsringe angeordnet sind, welche eine übermäßige „bauchige" Verformung des Verformungskörpers verhindern.
Das Flussleitstück und die Spule des erfindungsgemäßen Drucksensors sind bevorzugt außerhalb des Verformungskörpers angeordnet.
Dabei ist es auch bevorzugt, dass zusätzlich eine Referenzspule außerhalb des Verformungskörpers angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist diese in einem sich nicht druckabhängig verformenden Bereich des Verformungskörpers oder des Sensorelements angeordnet. Mit Hilfe der Referenzspule lassen sich Herstellungs- und Einbautoleranzen und Temperatureinflüsse kompensieren.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind das Flussleitstück und die Spule des erfindungsgemäßen Drucksensors innerhalb des Verformungskörpers angeordnet.
Bei einem magnetoelastischen Drucksensor mit Hallelement ist es bevorzugt, dass das Magnetfeld zur Auswertung der druckinduzierte Änderung des magnetischen Widerstandes des Verformungskörpers durch einen Permanentmagneten oder ein anderes Mittel, welches ein Magnetfeld besitzt, hervorgerufen wird.
Es ist aber auch bevorzugt, dass das Magnetfeld durch eine Spule hervorgerufen wird. Diese wird besonders bevorzugt durch eine Wechselspannung angesteuert. Dadurch kommt es zu einer symmetrischen Aussteuerung des Hallsensors, wodurch sich Störsignale leichter unterdrücken lassen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Drucksensors ist seine einfache Geometrie sowie seine Zweiteilung, welche eine getrennte Anordnung, Montage und Herstellung der beiden Einzelteile ermöglicht. Außerdem ist die berührungs- bzw. kontaktlose Übertragung des Messwertes von dem mit dem zu messenden Druck beaufschlagten Verformungskörper, welcher z.B. in der HCU angeordnet ist, zu dem Detektionsmittel zum Sensieren einer druckinduzierten Permeabilitätsänderung, welches z.B. in der ECU angeordnet ist, von Vorteil.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen magnetoelastischen Drucksensors ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren. Es zeigen :
Fig. Ia einen Drucksensor mit einem magnetoelastischen Verformungskörper,
Fig. Ib einen Drucksensor mit einem Verformungskörper, welcher mit einem magnetoelastischen Material beschichtet ist,
Fig. 2a einen Drucksensor mit einem magnetoelastischen Sensorelement im Inneren eines Verformungskörpers,
Fig. 2b einen Drucksensor mit einem verstärkten Verformungskörper,
Fig. 3 einen Drucksensor mit einer innerhalb eines Verformungskörpers angeordneten Spule,
Fig. 4a einen ersten Drucksensor mit einer Referenzspule,
Fig. 4b einen zweiten Drucksensor mit einer Referenzspule,
Fig. 5 einen ersten Drucksensor mit einem Hallsensor, und
Fig. 6 einen zweiten Drucksensor mit einem Hallsensor.
Fig. Ia zeigt einen magnetoelastischen Drucksensor, welcher einen kuppelartigen Verformungskörper 10 aus einem magnetoelastischen Material, ein Flussleitstück 20, und eine äußere Spule 30 aufweist. In den Verformungskörper 10 wird ein Druck p, z.B. ein Hydraulikdruck einer Kraftfahrzeugbremse, eingeleitet. Durch den Druck p wird eine mechanische Spannung im Verformungskörper 10 hervorgerufen, welche zu einer Permeabilitätsänderung des magnetoelastischen Materials des Verformungskörpers 10 führt. Die Permeabilitätsänderung bewirkt die Änderung der Induktivität der äußeren Spule 30, die durch das Flussleitstück 20 magnetisch an den Verformungskörper 10 angekoppelt ist. Diese Induktivitätsänderung kann nachgewiesen und zur Bestimmung des Druckes p herangezogen werden.
In Fig. Ib ist ein Drucksensor mit einem Verformungskörper 11 dargestellt, wobei hier, im Gegensatz zu dem in Fig. Ia gezeigten Verformungskörper 10, der Verformungskörper 11 eine Schicht 40 aus einem magnetischen Material aufweist. Der übrige Aufbau entspricht dem der Fig. Ia.
Fig. 2a zeigt einen Drucksensor mit einem magnetoelastischen Sensorelement 50 im Inneren eines Verformungskörpers 12. Der Verformungskörper 12 weist hierbei anstelle der kuppeiförmigen Ausprägung gemäß Fig. 1 einen versteiften Deckel auf, welcher eine übermäßige Verformung des Verformungskörpers 12 verhindern soll. Die druckinduzierte Verformung des Verformungskörpers 12 sorgt für eine proportionale mechanische Spannung im Sensorelement 50. Der weitere Aufbau ist identisch wie in der Fig. 1 beschrieben.
In Fig. 2b ist ein Drucksensor mit einem magnetoelastischen Verformungskörper 13 dargestellt. Der Verformungskörper 13 weist hierbei, wie in Fig. 2a, einen versteiften Deckel auf. Darüber hinaus ist der Verformungskörper 13 in seinem Inneren (auch von außen möglich) durch Versteifungsringe 60 ergänzt. Diese sollen eine „bauchige" Verformung des Ver- formungskörpers 13 verhindern, wodurch eine Reduzierung der radialen Spannungen erreicht wird. Der weitere Aufbau ist analog zu den vorherigen Drucksensoren gemäß Fig. 1 und 2a.
Fig. 3 zeigt einen Drucksensor mit einer innerhalb eines Verformungskörpers 14 angeordneten Spule 30. Die Druckeinleitung erfolgt hier von der Außenseite, d.h. der Druck p wirkt auf den Deckel des Verformungskörpers 14. Der Verformungskörper 14 ist mit einer Schicht 50 aus magnetoelastischem Material versehen.
In Fig. 4a ist ein erster Drucksensor mit einer Referenzspule 70 dargestellt. Der Verformungskörper 15 ist bei dieser Ausführungsform im oberen Bereich, da wo der Verformungskörper 15 von der Referenzspule 70 umschlossen wird, massiv ausgeführt. Hierdurch wird vermieden, dass sich der Verformungskörper 15 in diesem Bereich verformen kann, so dass die Referenzspule 70 immer die konstante, d.h. nicht die druckabhängige, Induktivität des Verformungskörpers 15 misst. Durch diese Referenzspule 70 lassen sich also Herstellungs- bzw. Einbautoleranzen und Temperatureinflüsse kompensieren. Der weitere Aufbau entspricht dem der Figuren 1 und 2.
Fig. 4b zeigt einen zweiten Drucksensor mit einer Referenzspule 70. Im Gegensatz zu Fig. 4a ist hier der Verformungskörper 16 im Bereich der Referenzspule 70 nicht massiv ausgeführt, sondern es ist durch einen Steg der Verformungskörper 16 in zwei Bereiche, nämlich in einen druckabhängigen Bereich innerhalb der äußeren Spule 30 und einen druckunabhängigen Bereich innerhalb der Referenzspule 70, unterteilt. Der weitere Aufbau entspricht dem der Fig. 4a. Wie bereits gesagt, wird der Druck durch Messung der Induktivität bestimmt. Misst man zusätzlich noch den ohmschen Widerstand der äußeren Spule 30, so ist dies ein Maß für die Temperatur.
Fig. 5 zeigt einen Drucksensor, welcher einen Verformungskörper 17, ein Flussleitstück 20 (Eisenrückschluss) , einen Hallsensor 8 und einen Permanentmagneten 9 umfasst. In Fig. 5a ist der Drucksensor in Frontansicht, in Fig. 5b in räumlicher Ansicht dargestellt. Der Verformungskörper 17 kann aus einem magnetoelastischen Material gefertigt sein oder mit einem solchen beschichtet sein oder ein magnetoelastisches Sensorelement im Inneren enthalten. Durch den Permanentmagneten 9 wird ein magnetischer Fluss erzeugt, welcher durch ein Flussleitstück 20 geführt und durch den Verformungskörper 17 geleitet wird. Der magnetische Fluss wird durch den Hallsensor 8 gemessen. Wird in den Verformungskörper 17 ein Hydraulikdruck einer Kraftfahrzeugbremse eingeleitet, so wird durch den Druck p eine mechanische Spannung im Verformungskörper 17 hervorgerufen, welche zu einer Permeabilitätsänderung des magnetoelastischen Materials führt. Die Permeabilitätsänderung führt zu einer Änderung des magnetischen Widerstandes des Verformungskörpers 17 und damit zu einer Änderung des Flusses durch den eingekoppelten Hallsensor 8. Die AusgangsSpannung des Hallsensors 8 ist dann ein Maß für den zu messenden Druck p.
Der Vorteil des in Fig. 5 dargestellten Drucksensors liegt in der Möglichkeit zur Miniaturisierung des Systems. Durch den Wegfall der Spule (n) 30, 70 (siehe Fig. 1 bis 4) kann dieser beispielgemäße Sensor deutlich kleiner werden. Zusätzlich wird die Auswertung vereinfacht. Es muss nicht die Induktivität der Spule oder aufwendig die Kopplung zwischen zwei magnetischen Kreisen bestimmt werden, sondern es kann das analoge Signal des Hallsensors ausgewertet werden. Dies ist aus messtechnischer Sicht weitaus weniger anspruchsvoll. Die AusgangsSpannung des Hallsensors ist streng proportional zu dem in den Verformungskörper 17 eingeleiteten Druck p.
In Fig. 6 ist ein Drucksensor dargestellt, bei welchem im Gegensatz zu dem in Fig. 5 gezeigten Drucksensor das Magnetfeld nicht durch einen Permanentmagneten 9 sondern durch eine Spule 80 erzeugt wird. Der übrige Aufbau entspricht dem der Fig. 5. Der beispielsgemäße Drucksensor umfasst zwar zusätzlich zum Hallsensor 8 wieder - wie in den Figuren 1 bis 4 - eine Spule, diese kann jedoch deutlich kleiner ausfallen. Der Vorteil dieses Sensors liegt in der Möglichkeit zur symmetrischen Aussteuerung des Hallsensors 8 durch Anregung der Spule 80 mit einer Wechselspannung. Dadurch lassen sich Störsignale, die von außen eingekoppelt werden, leichter unterdrücken.
Neben den in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen eines magnetoelastischen Drucksensors mit einem Flussleit- stück 20, einem Hallsensor 8 und einem Magnetfelderzeugungsmittel ist auch eine entsprechende Ausführungsform eines magnetoelastischen Drucksensors ohne Flussleitstück denkbar. Ein entsprechender magnetoelastischer Drucksensor umfasst dann einen Verformungskörper, einen Hallsensor und ein Magnetfelderzeugungsmittel. Die Empfindlichkeit eines solchen Drucksensors ist dann im Vergleich zur Ausführungsform mit Flussleitstück herabgesetzt.
Bei modernen Steuereinheiten für Kraftfahrzeugbremsanlagen wird ein/e elektronische/r Kontrolleinheit/Regler (ECU) meist unabhängig von einer hydraulischen Kontrolleinheit (HCU) hergestellt. Diese beiden Teile (ECU und HCU) werden anschließend zu einer Steuereinheit, beispielsweise für ein Anti-Blockier-System (ABS) zusammengefügt. Durch den in Fig. 1, 2, 4, 5 und 6 gezeigten Aufbau kann der Verformungskörper 10, 11, 12, 13, 15, 16, 17 unabhängig von den anderen Komponenten (äußere Spule 30, ggf. vorhandene Referenzspule 70, Hallsensor 8, Flussleitstück 20, Permanentmagnet 9 oder Spule 80) in der HCU montiert werden, während die äußere Spule 30 und ggf. die Referenzspule 70 oder der Hallsensor 8 und der Permanentmagnet 9 oder die Spule 80 (ähnlich wie bei den Spulen zur Ansteuerung von Schaltventilen) in der ECU angebracht wird. Bei der Endmontage entsteht durch das Zusammenfügen (Aufstecken über den Verformungskörper) eine magnetische Kopplung, die eine Messung der Induktivität des Verformungskörpers durch die Spule 30 und ggf. die Referenzspule 70 oder durch den Magnetfeldfluss durch den Hallsensor 8, welcher von dem Permanentmagneten oder einer Spule erzeugt wird, ermöglicht. Die druckproportionale Permeabilität des Verformungskörpers wird also mit Hilfe der übergestülpten Spule 30 oder des aufgesteckten Hallsensors 8 gemessen. Es erfolgt also eine drahtlose bzw. kontaktlose Übertragung des Druckwertes von der HCU zur ECU. Die elektrische Verbindung der äußeren Spule 30 und ggf. der Referenzspule 70 oder des Hallsensors 8 und ggf. der Spule 80 erfolgt innerhalb der ECU. Es ist also nicht mehr erforderlich, dass zur Messung des Hydraulikdrucks innerhalb der HCU eine elektrische Verbindung, z.B. über Federkontakte oder Steckverbindungen, zwischen der ECU und der HCU besteht.
Bei dem in Fig. 3 abgebildeten Drucksensor ist eine elektrische Verbindung zwischen der Spule 30 und der ECU erforderlich. Diese Verbindung kann auf herkömmliche Weise (z.B. Federkontakte, Steckverbinder) hergestellt werden. Als magnetoelastische Materialien sind ferromagnetische Materialien, insbesondere ferromagnetische Metalle (z.B. Eisen, Kobalt, Nickel (bei Raumtemperatur) oder Lanthanoide (bei tiefen Temperaturen)), geeignet. Auch zahlreiche Legierungen zeigen ein magnetoelastisches Verhalten, z.B. metallische Gläser, die oftmals Terbium enthalten. Besonders geeignet sind auch Nickel-Eisen-Legierungen, wie beispielsweise Permenorm® (Marke der Firma Vacuumschmelze, Hanau) , oder Kobalt-Eisen-Legierungen, wie beispielsweise Vacoflux® und Vacodur® (Marken der Firma Vacuumschmelze, Hanau) . Auch hoch legierte Edelstahlverbindungen können verwendet werden. Darüber hinaus weist eine Großzahl von Stählen einen magnetoelastischen Effekt auf, wobei je nach Anwendung das ein oder andere Material zu bevorzugen ist.

Claims

Patentansprüche :
1. Magnetoelastischer Drucksensor, welcher zur Messung von Hydraulikdrücken in Kraftfahrzeugbremsanlagen geeignet ist, wobei der Drucksensor einen hohlen Verformungskörper (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17), ein Flussleit- stück (20) und ein Detektionsmittel zum Sensieren einer druckinduzierten Permeabilitätsänderung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper aus einem magnetoelastischen Material besteht oder mit einem magnetoelastischen Material beschichtet ist oder dass sich im Inneren des Verformungskörpers ein magnetoelastisches Sensorelement (50) befindet, dass das Detektionsmittel
- eine Spule (30) oder
- ein Hallsensor (8) und ein Magnetfelderzeugungsmittel ist, und dass der Drucksensor zwei- oder mehrteilig ausgeführt ist, wobei zumindest ein Teil in oder an einer Elektronikeinheit und zumindest ein Teil in oder an einer Hydraulikeinheit einer Steuereinheit der Kraftfahrzeugbremsanlagen angeordnet ist und der Drucksensor bei einer Montage der Elektronikeinheit an der Hydraulikeinheit durch die sich zusammenfügenden Teile gebildet wird.
2. Magnetoelastischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (12, 13, 14) an einer seiner Oberflächen einen versteiften Deckel aufweist, welcher eine übermäßige Verformung des Verformungskörpers verhindert.
3. Magnetoelastischer Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb und/oder außer- halb des Verformungskörpers mit diesem verbundene Versteifungsringe (60) angeordnet sind, welche eine übermäßige „bauchige" Verformung des Verformungskörpers verhindern.
4. Magnetoelastischer Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussleitstück (20) und die Spule (30) außerhalb des Verformungskörpers (10, 11, 12, 13, 15, 16) angeordnet sind.
5. Magnetoelastischer Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet:, dass das Flussleitstück (20) und die Spule (30) innerhalb des Verformungskörpers (14) angeordnet sind.
6. Magnetoelastischer Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Referenzspule (70) außerhalb des Verformungskörpers angeordnet ist.
7. Magnetoelastischer Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspule in einem sich nicht druckabhängig verformenden Bereich des Verformungskörpers oder des Sensorelements angeordnet ist.
8. Magnetoelastischer Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (10, 11) kuppeiförmig ausgebildet ist.
9. Magnetoelastischer Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfelderzeugungsmittel ein Permanentmagnet (9) ist.
10. Magnetoelastischer Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfelderzeugungsmittel eine, insbesondere mit einer Wechselspannung angesteuerte, Spule (80) ist.
11. Magnetoelastischer Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Drucksensors, welcher in oder an der E- lektronikeinheit angeordnet ist, zumindest eine Spule oder den Hallsensor umfasst.
12. Magnetoelastischer Drucksensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Drucksensors, welcher in oder an der Hydraulikeinheit angeordnet ist, zumindest den Verformungskörper umfasst.
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