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Dokumentenidentifikation DE102006025429A1 06.12.2007
Titel Linearer magnetischer Positionsaufnehmer mit verbesserter Linearität der Ausgangskennlinie
Anmelder Tyco Electronics AMP GmbH, 64625 Bensheim, DE
Erfinder Wolf, Marco, 76879 Hochstadt, DE
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 31.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006025429
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse G01B 7/02(2006.01)A, F, I, 20060531, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01L 9/14(2006.01)A, L, I, 20060531, B, H, DE   G01L 1/12(2006.01)A, L, I, 20060531, B, H, DE   F16K 37/00(2006.01)A, L, I, 20060531, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf berührungslose Positionsaufnehmer, insbesondere auf einen linearen magnetischen Positionsaufnehmer, mit einer Feldsonde zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines magnetischen Indikatorelements mit Bezug auf diese Feldsonde. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Vakuumaktuator mit einer flexiblen Membran, die zwischen zwei Druckreservoirs angeordnet ist und deren Position von einem berührungslosen Positionsaufnehmer überwacht wird. Um einen einfach und robust aufgebauten linearen magnetischen Positionsaufnehmer, der eine verbesserte Linearität seiner Ausgangskennlinie aufweist, anzugeben, ist das Indikatorelement (102) durch einen im Wesentlichen rohrförmigen Permanentmagneten, der in einer Richtung entlang einer Längsachse des Rohrs beweglich ist, gebildet und der Positionsaufnehmer weist mindestens zwei ferromagnetische Flussleitkörper (112, 114) auf, die entlang der Längsachse im Inneren des rohrförmigen Permanentmagneten (102) angeordnet sind und einen Luftspalt (110) definieren, in welchem die Feldsonde (108) angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf berührungslose Positionsaufnehmer, insbesondere auf einen linearen magnetischen Positionsaufnehmer mit einer Feldsonde zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines magnetischen Indikatorelements mit Bezug auf diese Feldsonde. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Vakuumaktuator mit einer flexiblen Membran, die zwischen zwei Druckreservoirs angeordnet ist und deren Position von einem berührungslosen Positionsaufnehmer überwacht wird.

Berührungslose magnetische Positionsaufnehmer, insbesondere solche für die Detektion einer Linearbewegung, finden insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik zunehmend Anwendung. Dabei basiert das Grundprinzip darin, mit Hilfe einer magnetischen Feldsonde, beispielsweise eines Hallelements, die Änderung des Magnetfelds zu messen, die auftritt, wenn ein mobiles magnetisches Indikatorelement seine geometrische Lage in Bezug auf die Feldsonde ändert. Das Indikatorelement ist mit dem Objekt, dessen Positionsänderung erfasst werden soll, verbunden und die Feldsonde liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das leicht weiterverarbeitet werden kann.

Insbesondere im Zusammenhang mit der Betätigung von Lüfterklappen, Bremsbetätigung oder verschiedenen Ventilen, werden in der Automobiltechnik heutzutage so genannte Vakuumaktuatoren eingesetzt. Dabei arbeitet ein solcher Vakuumaktuator auf dem Prinzip, dass eine flexible Membran zwei Druckreservoirs voneinander trennt und durch eine Reduzierung des Drucks auf einer Seite gegenüber dem Druck auf der anderen Seite die Membran in Richtung des niedrigeren Drucks ausgelenkt wird. Die Überwachung im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises geschieht über die Messung der tatsächlich erfolgten Membranauslenkung durch einen berührungslosen Positionsaufnehmer.

Im Zusammenhang mit herkömmlichen linearen magnetischen Positionsaufnehmern besteht aber bei den bekannten Anordnungen das Problem, dass zum einen die Ausgangskennlinie, d. h. das durch die Positionsänderung verursachte Ausgangssignal in Abhängigkeit von der relativen Positionsänderung aus einer Nulllage heraus, eine zu geringe Linearität aufweist. Anordnungen, deren elektrisches Ausgangssignal eine verbesserte Linearität hat, besitzen dagegen den Nachteil, dass sie sehr aufwendig in der Herstellung und nicht robust und stabil genug im Betrieb, insbesondere bei einem Einsatz im Kraftfahrzeug, sind.

Demzufolge besteht das Bedürfnis nach einem einfach und robust aufgebauten linearen magnetischen Positionsaufnehmer, der eine verbesserte Linearität seiner Ausgangskennlinie aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, bei einem linearen magnetischen Positionsaufnehmer mit einer Feldsonde zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines beweglichen magnetischen Indikatorelements als Indikatorelement einen im Wesentlichen rohrförmigen Permanentmagneten, der in einer Richtung entlang einer Längsachse des Rohrs beweglich ist, zu verwenden. Mindestens zwei ferromagnetische Flussleitkörper sind entlang der Längsachse im Inneren des rohrförmigen Permanentmagneten angeordnet und definieren einen Luftspalt, in welchem die Feldsonde angeordnet ist.

Dadurch, dass ein beweglicher rohrförmiger Permanentmagnet als Indikatorelement eingesetzt wird, ist die Herstellung und Montage des erfindungsgemäßen Positionsaufnehmers besonders einfach. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Anordnung unempfindlich gegen radiale Toleranz, Verkippen und Taumelbewegungen des Magneten. Die Anordnung der Feldsonde in einem Luftspalt zwischen zwei ferromagnetischen Flussleitkörpern im Inneren des rohrförmigen beweglichen Permanentmagneten ermöglicht eine sehr weitgehend lineare Abhängigkeit zwischen dem erzeugten und messbaren Magnetfeld und der Auslenkung des Indikatorelements.

Die prinzipimmanente Linearität erlaubt es, auf in der Signalverarbeitung angesiedelte aufwendige Linearisierungstechniken zu verzichten, und somit wird die Genauigkeit eines solchen Positionsaufnehmers erhöht und seine Herstellungskosten werden reduziert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hat das Indikatorelement die Gestalt eines Hohlzylinders. Dies stellt eine herstellungstechnisch einfache Form dar und ermöglicht ein rotationssymmetrisches Magnetfeld, das möglichst wenig von Toleranzschwankungen abhängt.

Magnetisiert man das Indikatorelement in einer Richtung quer zu der Längsachse und damit quer zur Bewegungsrichtung, kann in vorteilhafter Weise im Zusammenspiel mit der Führung des magnetischen Flusses durch die Flussleitkörper eine lineare Änderung der Flussdichte in der Feldsonde bei axialer Bewegungsrichtung des Magneten erreicht werden. Dabei ist es unerheblich, wie die Polrichtung gewählt wird.

Für eine optimale Führung der Magnetfeldlinien in der Gesamtanordnung sollten das Außenprofil der Flussleitkörper und das Innenprofil des Indikatorelements in ihrem Querschnitt zueinander korrespondieren. Im Falle eines hohlzylindrischen Permanentmagneten weisen die Flussleitkörper demnach eine zylinderförmige Gestalt auf und sind konzentrisch im Inneren des Permanentmagneten angeordnet. Selbstverständlich können aber auch beliebige anders geformte Querschnitte verwendet werden.

Je nach Anwendung kann die Nullposition des Permanentmagneten mit Bezug auf die Feldsonde in weitem Rahmen beliebig gewählt werden. Um eine größtmögliche Sensitivität in zwei Auslenkungsrichtungen zu erreichen, wird die Position der Feldsonde in vorteilhafter Weise in der Mitte der Gesamtlänge des rohrförmigen Permanentmagneten festgelegt.

Eine optimale Führung des Magnetfeldes erreicht man, indem die Längenabmessungen des beweglichen Permanentmagneten und der die Feldsonde umgebenden Flussleitkörper so gewählt werden, dass die gesamte Weglänge der beiden Flussleitkörper länger ist als die Länge des Permanentmagneten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Feldsonde um ein Hallelement. Die Verwendung eines Hallelements bietet den Vorteil, dass Hallelemente sehr empfindlich auf Änderungen des magnetischen Flusses ansprechen und somit bereits kleine Bewegungen des Indikatorelements erfasst werden können. Die Kennlinie des eigentlichen Hallsensors, d. h. die Abhängigkeit des elektrischen Ausgangssignals von der auftretenden B-Feldänderung, lässt sich auf sehr einfache Weise durch Anpassung der elektrischen Hallsensorbeschaltung oder durch Programmierung der Auswerteelektronik an die vorgegebenen Anforderungen anpassen.

Als Feldsonde können in der erfindungsgemäßen Anordnung beliebige bekannte Hallelemente auf der Basis von Indiumantimonid, Indiumarsenid oder Galliumarsenid verwendet werden. Aufgrund des geringen Temperaturkoeffizienten und des geringen Widerstandes, ist ein Hallsensor auf der Basis von Indiumarsenid vorteilhaft. Beispielsweise können so genannte Transversalsensoren eingesetzt werden, bei denen ein Hallplättchen so in einem flachen quaderförmigen Gehäuse angeordnet ist, dass ein B-Feld senkrecht zu den beiden großen Gehäuseflächen gemessen wird. Die erfindungsgemäße Anordnung kann aber auf andere Formen und Materialien ebenfalls angewendet werden.

So bieten Hallelemente auf Siliziumbasis den Vorteil, dass sie sehr wirtschaftlich herstellbar sind und aufgrund ihrer Kompatibilität zu Standard-Herstellungsprozessen der Halbleitertechnologie, wie beispielsweise CMOS-Prozessen, auf einfache Weise eine Integration der Auswerteelektronik ermöglichen („intelligenter" Sensor).

Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionsaufnehmers kommen besonders dann zum Tragen, wenn der Positionsaufnehmer in einem Vakuumaktuator eingesetzt wird und das Indikatorelement mit einer flexiblen Membran, deren geometrische Lage sich in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen zwei Druckreservoirs einstellt, verbunden ist.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

1 eine perspektivische geschnittene Darstellung eines linearen magnetischen Positionsaufnehmers gemäß einer ersten Ausführungsform sowie eine schematische Darstellung der in Abhängigkeit von der Auslenkung des Permanentmagneten entstehenden B-Feldänderung;

2 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionsaufnehmer;

3 eine perspektivische geschnittene Darstellung eines linearen magnetischen Positionsaufnehmers gemäß der ersten Ausführungsform entlang der Schnittlinie A-A aus 2;

4 eine schematische Draufsicht auf einen hohlzylindrischen Permanentmagneten mit einer ersten magnetischen Polarisierung;

5 eine schematische Draufsicht auf einen hohlzylindrischen Permanentmagneten mit einer zweiten magnetischen Polarisierung;

6 eine schematische Darstellung des B-Feldes und der B-Feldänderung in Abhängigkeit von der Auslenkung des Permanentmagneten bei einem Positionsaufnehmer gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform.

1 zeigt in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Positionsaufnehmer 100 zusammen mit einer Darstellung des erzeugten B-Feldes in y-Richtung abhängig von der zu messenden Auslenkung y. Dabei umfasst der Positionsaufnehmer 100 als Indikatorelement 102 einen hohlzylindrischen Permanentmagneten. Wie schematisch angedeutet, ist der Permanentmagnet 102 radial magnetisiert und, wie durch die Auslenkungspfeile 104, 106 angedeutet, um eine Nulllage y0 linear verschieblich gelagert. Zur Detektion der auftretenden Magnetfeldänderungen ist als Feldsonde ein Hallelement 108 vorgesehen.

Das Hallelement befindet sich in einem Luftspalt 110, der zwischen zwei Flussleitkörpern 112, 114 definiert ist. Die Flussleitkörper 112, 114 sind aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt und haben die Gestalt von Zylindern. Sie sind, wie aus der Darstellung der nachfolgenden 2 ersichtlich, in radialer Richtung mittig in dem Permanentmagneten 102 angeordnet und definieren zwischen ihrer Manteloberfläche und der inneren Wandung des Permanentmagneten 102 einen weiteren Luftspalt 116. In der in 1 gezeigten Nulllage befindet sich der Permanentmagnet in einer Position, dass seine axiale Mitte mit dem Hallelement 108 zusammenfällt und das Flussleitelement 112 und das Flussleitelement 114 jeweils um den gleichen Abstand aus dem Permanentmagneten 102 herausragen.

Wird nun der Permanentmagnet 112 in Richtung 104 oder in Richtung 106 aus der Nulllage y0 ausgelenkt, so entsteht eine Änderung des Magnetfeldes in y-Richtung, die durch das Hallelement 108 erfasst werden kann. Wie aus der Skizze der 1 erkennbar, hängt die Änderung der y-Komponente des Magnetfeldes in einem vergleichsweise weiten Bereich exakt linear von der Auslenkung des Permanentmagneten 102 aus seiner Nulllage ab.

Auf aufwendige zusätzliche Linearisierungsmaßnahmen kann somit bei der erfindungsgemäßen Lösung verzichtet werden. Weiterhin lässt sich zeigen, dass die hier dargestellte Linearität der B-Feldänderung auch bei einem Verkippen des Permanentmagneten erhalten bleibt. Daher ist in vorteilhafter Weise der erfindungsgemäße Positionsaufnehmer 100 von Toleranzen und Positionsschwankungen, aber auch von der systembedingten Taumelbewegung des Permanentmagneten bei einer Verwendung in Vakuumaktuatoren unabhängig.

Die auftretende Linearisierung der Kennlinie ist allein durch die geometrische Anordnung der Flussleitkörper 112, 114, die in ihrer Position fixiert sind, bedingt. Der Positionsaufnehmer 100 ist somit unempfindlich gegen radiale Toleranzen, Verkippung oder Taumelbewegungen des Magneten 102.

In den 2 und 3 ist nochmals die exakte Anordnung der Flussleitkörper 112, 114 in dem auch als ringförmig zu bezeichnenden, hohlzylindrischen Permanentmagneten 102 skizziert. In der Nulllage sind der bewegliche Permanentmagnet 102 und die Feldsonde 108 so zueinander ausgerichtet, dass sich die Feldsonde 108 sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung in der Mitte des Permanentmagneten 102 befindet.

In den 4 und 5 ist schematisch angedeutet, dass die radiale Magnetisierung des Permanentmagneten 102 beide Polaritäten haben kann. Die erfindungsgemäße Linearität der Magnetfeldänderung ist von der Polarität des Magneten unabhängig.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionsaufnehmers ist in 6 gezeigt. Hier ist als Feldsonde 108 ein Hallelement so angeordnet, dass das Magnetfeld quer zur Längsachse des Permanentmagneten 102 erfasst werden kann. Hierfür weist jeder der beiden Flussleitkörper 112, 114 jeweils eine Auskragung 116, 118 auf. Die beiden Auskragungen 116, 118, auch als Stöße zu bezeichnen, sind überlappend so angeordnet, dass sie das Magnetfeld Bx(y) in einer Richtung quer zur Längsachse des Magneten 102 zum Hallelement 108 führen. Auch bei dieser Anordnung lässt sich eine sehr weitgehende Linearität der Ausgangskennlinie, d. h. des messbaren B-Feldes in Abhängigkeit von der Auslenkung aus der Nulllage y0 feststellen.

Obwohl im vorangegangenen hauptsächlich so genannte transversale Hallelemente angenommen wurden, können selbstverständlich alle bekannten Formen und Größen von Hallsensoren, beispielsweise auch axial angeordnete Hallsensoren, verwendet werden.


Anspruch[de]
Linearer magnetischer Positionsaufnehmer mit einer Feldsonde (108) zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines magnetischen Indikatorelements (102) mit Bezug auf die Feldsonde (108),

wobei das Indikatorelement (102) durch einen im Wesentlichen rohrförmigen Permanentmagneten, der in einer Richtung entlang einer Längsachse des Rohrs beweglich ist, gebildet ist, und

wobei der Positionsaufnehmer mindestens zwei ferromagnetische Flussleitkörper (112, 114) aufweist, die entlang der Längsachse im Inneren des rohrförmigen Permanentmagneten (102) angeordnet sind und einen Luftspalt (110) definieren, in welchem die Feldsonde (108) angeordnet ist.
Positionsaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das Indikatorelement (102) die Gestalt eines Hohlzylinders hat. Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Indikatorelement (102) in einer Richtung quer zu der Längsachse magnetisiert ist. Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Außenprofil eines Querschnitts der Flussleitkörper (112, 114 ) einem Innenprofil eines Querschnitts des Indikatorelements (102) entspricht. Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Flussleitkörper (112, 114) eine zylinderförmige Gestalt haben. Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ausdehnung der Flussleitkörper (112, 114) entlang der Längsachse größer ist als eine Länge des Indikatorelements (102). Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Nulllage (y0) des Indikatorelements (102) so definiert ist, dass die Feldsonde (108) sich sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung in der Mitte des Indikatorelements befindet. Positionsaufnehmer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Feldsonde (108) durch ein Hallelement gebildet ist. Positionsaufnehmer nach Anspruch 8, wobei der Luftspalt (110) quer zu der Längsachse verläuft und das Hallelement (108) so in dem Luftspalt angeordnet ist, dass es ein Magnetfeld erfasst, dessen Feldlinien entlang der Längsachse verlaufen. Positionsaufnehmer nach Anspruch 8, wobei der Luftspalt (110) wenigstens teilweise entlang der Längsachse verläuft und das Hallelement so in dem Luftspalt angeordnet ist, dass es ein Magnetfeld erfasst, dessen Feldlinien quer zu der Längsachse verlaufen. Vakuumaktuator mit einer flexiblen Membran, die zwischen zwei Druckreservoirs angeordnet ist und deren geometrische Lage sich in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den beiden Druckreservoirs einstellt, wobei ein Positionsaufnehmer (100) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 die geometrische Lage der Membran erfasst.






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