DE10014980A1

DE10014980A1 - Vorrichtung zurm Ermitteln der Position eines Objektes

Info

Publication number: DE10014980A1
Application number: DE10014980A
Authority: DE
Inventors: Peter Thierbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-03-25
Filing date: 2000-03-25
Publication date: 2001-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der Position eines Objektes mit Mitteln (10, 14) zum Erzeugen eines Magnetfeldes und mit Mitteln (16, 22) zum Beeinflussen des Magnetfeldes, indem die Mittel (16, 22) zum Beeinflussen und die Mittel (10, 14) zum Erzeugen relativ zueinander bewegbar sind, wobei Änderungen des Magnetfeldes durch einen Magnetfeldsensor (12) nachweisbar sind und die Kennlinie des Magnetfeldsensors (12) durch die geometrische Gestalt der Mittel zum Beeinflussen (16, 22) festlegbar ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der Position eines Objektes mit Mitteln zum Erzeugen eines Ma gnetfeldes und mit Mitteln zum Beeinflussen des Magnetfel des, indem die Mittel zum Beeinflussen und die Mittel zum Erzeugen relativ zueinander bewegbar sind.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 512 282 B1 bekannt. Hier ist ein Winkelaufnehmer zur berührungsfreien Bestimmung der Drehung einer Welle offen bart. Das Magnetfeld wird durch eine Spulenanordnung er zeugt, welche auf einem Stator angeordnet ist. Durch die Drehung eines Rotors ändern sich die Induktivitäten der Spu len. Somit läßt sich über die Induktivitätsänderung die Än derung der Winkelstellung ermitteln. Im Zusammenhang mit der Vorrichtung des Standes der Technik ist bereits erkannt wor den, daß eine geeignete Formgebung des Rotors einen positi ven Einfluß auf das Meßsignal haben kann. Beispielsweise wird vorgeschlagen, daß der Rotor Bereiche mit konstant an steigendem Radius hat, zum Beispiel entsprechend einer ar chimedischen Spirale.

Bei einem anderen Meßprinzip, welches über die Beeinflussung des Magnetfeldes arbeitet, wird nicht die Induktivitätsände rung einer Spulenanordnung ausgenutzt; vielmehr wird die Veränderung eines von einem Permanentmagneten erzeugten Ma gnetfeldes durch einen Magnetfeldsensor, zum Beispiel durch ein Hall-Element, gemessen.

Um möglichst zuverlässige Meßergebnisse zu erhalten, soll eine Meßanordnung möglichst im linearen Bereich betrieben werden. Bei den Winkelaufnehmern des Standes der Technik en det dieser näherungsweise lineare Bereich bei etwa 180°. Weiterhin ist festzustellen, daß die abstandssensitiven Ver fahren im Hinblick auf Störgrößen, die in Sensierrichtung liegen, empfindlich sind. Bei einer Winkelmessung verursacht beispielsweise ein radiales Spiel ein entsprechendes Störsi gnal. Bei Wegsensierungen, das heißt bei Ermittlung der Po sition eines Objektes, welches eine Translationsbewegung ausführt, zeigen der Abstand des Magneten zum Magnetfeldsen sor einen stark nicht-linearen Zusammenhang. Daher können Wegsensierungen nur in einem relativ kleinen Meßbereich durchgeführt werden. Zusätzlich ist festzustellen, daß bei großen Wegen und somit großen Abständen zwischen dem Magnet feldsensor und dem bewegbaren Objekt die Signalausbeute sehr gering ist.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung baut gemäß Anspruch 1 auf der gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch auf, daß Änderungen des Magnetfeldes durch einen Magnetfeldsensor nachweisbar sind und daß die Kennlinie des Magnetfeldsensors durch die geometrische Ge stalt der Mittel zum Beeinflussen festlegbar ist. Es hat sich herausgestellt, daß insbesondere beim Nachweis der Po sitionsänderung und somit der Magnetfeldänderung durch einen Magnetfeldsensor die geometrische Gestalt der Mittel zum Be einflussen des Magnetfeldes einen starken Einfluß auf die Kennlinie der Anordnung nimmt. Durch geeignete Wahl der geo metrischen Gestalt ist es so möglich, daß bei Winkelsensie rungen der Meßbereich deutlich über 180° erweitert werden kann; dies geschieht über eine Linearisierung des funktiona len Zusammenhangs zwischen Winkel und Ausgangssignal durch entsprechende Gestaltung der Geometrie. Bei einer Wegsensie rung ist durch entsprechende Gestaltung der Geometrie des sich bewegenden Objektes der Meßbereich in weiten Grenzen wählbar.

Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor ein Hall-Element. Hall-Elemente haben sich bei der Messung von Magnetfeldern bewährt, insbesondere aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit. Die geeignete geometrische Gestaltung hat hier einen starken Einfluß auf die Kennlinie.

Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Erzeugen eines Magnet feldes einen Magneten und einen weichmagnetischen Rück schlußbügel, wobei der Magnet und der Magnetfeldsensor an entgegengesetzten Enden des Rückschlußbügels angeordnet sind. Die Mittel zum Beeinflussen des Magnetfeldes können somit zwischen den Enden des Rückschlußbügels angeordnet werden und durch ihre Bewegung in effizienter Weise den Luftspalt und somit die magnetische Flußdichte beeinflussen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel zum Beeinflussen des Magnetfeldes als weichmagnetischer Rotor ausgelegt, wobei sich der Radius des Rotors in Umfangsrich tung verändert. Ordnet man diesen Rotor zwischen den Enden des Rückschlußbügels an, wobei ein Ende den Magneten und das andere Ende den Magnetfeldsensor trägt, so ändern sich die Luftspalte an beiden Enden des Rückschlußbügels mit der Dre hung des Rotors. Bei geeigneter Formgebung der Außenlinie des Rotors kann über einen großen Winkelbereich ein nahezu linearer Kennlinienverlauf erzeugt werden.

Dabei ist besonders bevorzugt, wenn sich der Radius R des Rotors gemäß der Gleichung

ändert, wobei
R0 der minimale Radius ist,
α der Drehwinkel gemessen zum Ort des minimalen Radius R0 ist,
K eine Konstante ist und
x eine Konstante < 1 ist.

Mit einem solchen Radiusverlauf, welcher eine spiralförmige Umfangslinie bedeutet, kann in guter Näherung eine lineare Kennlinie erzeugt werden.

Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, wenn die Mittel zum Be einflussen des Magnetfeldes als Rotor ausgelegt sind, wobei sich die Dicke eines sich axial erstreckenden weichmagneti schen Kragens in Umfangsrichtung verändert. Dieser Kragen kann zum Beispiel zwischen die Enden eines U-förmig geboge nen Rückschlußbügels ragen, auf dessen Innenseiten der Ma gnetfeldsensor bzw. der Magnet an entgegengesetzten Enden sitzen. Durch Drehung des Rotors wird der Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor beeinflußt, so daß der Magnetfeldsensor ein Signal in Abhängigkeit der Winkelstel lung ausgibt. Durch einen geeigneten funktionalen Zusammen hang zwischen der Dicke des Kragens und der Winkelstellung läßt sich die Kennlinie wiederum nahezu linear gestalten, was zu einem großen Winkelmeßbereich führt.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Mittel zum Be einflussen des Magnetfeldes als weichmagnetischer Stab aus gelegt, dem eine Translationsbewegung zuführbar ist, wobei sich die Abmessung des Stabes senkrecht zur Bewegungsrich tung ändert. Die Erfindung dient also nicht nur zum Messen von Winkelstellungen, sondern auch zum Messen von linearen Bewegungen. Es können sehr große Wege sensiert werden, da nur die Änderung der Abmessung des Stabes funktional von Be deutung ist. Durch entsprechende Festlegung der Kontur kann eine Linearisierung oder ein Kennlinienverlauf entsprechend den Anforderungen realisiert werden.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich der Kennlinienverlauf durch die geometrische Ge staltung von Mitteln zum Beeinflussen eines Magnetfeldes in der Weise festlegen läßt, daß der Meßbereich der Anordnung erheblich vergrößert wird. Beispielsweise kann der Kennlini enverlauf linearisiert werden; durch andere Formgebung kann aber gegebenenfalls auch ein nicht-linearer Kennlinienver lauf erzeugt werden, falls dies erwünscht ist. Die Erfindung eignet sich gleichermaßen zur Messung von Winkelstellungen als auch zur Messung von linearen Bewegungen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeich nung anhand von Ausführungsformen beispielhaft dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer ersten Rotorstellung;

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 2 mit einer zweiten Rotorstellung;

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 4a und Fig. 4b zeigen die erfindungsgemäße Vorrich tung nach Fig. 3 mit Blick auf die in Fig. 3 mit A-A ge kennzeichnete Schnittebene, wobei die Fig. 4a und 4b un terschiedliche Rotorstellungen darstellen;

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung;

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung;

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung;

Fig. 8a und Fig. 8b zeigen die erfindungsgemäße Vorrich tung nach Fig. 7 mit Blick auf die in Fig. 7 mit A-A ge kennzeichnete Schnittebene, wobei die Fig. 8a und die Fig. 8b zwei unterschiedliche Translationsstellungen zeigen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer ersten Rotorstellung. Ein Magnet 10 und ein Magnetfeldsensor 12 sind an den entgegengesetzten Enden eines weichmagneti schen Rückschlußbügels 14 angeordnet. Zwischen den Enden des Rückschlußbügels 14 befindet sich ein weichmagnetischer Ro tor 16. Der Rotor hat eine Außenkontur f = f(α), insbesondere einen sich mit dem Winkel ändernden Radius. In der in Fig. 1 dargestellten Winkelstellung des Rotors 16 liegt zwischen dem Magnetfeldsensor 12 und dem Rotor 16 ein Luftspalt L1 vor; zwischen dem Magneten 10 und dem Rotor 16 befindet sich ein Luftspalt L2. Der wirksame Spalt L1 für die Berechnung des Sensorsignals ist strenggenommen unter Einbeziehung der Dicke des Magnetfeldsensors 12, beispielsweise eines Hall- Elementes, zu ermitteln.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 2 mit einer zweiten Rotorstellung. Der Rotor 16 ist bezüglich der Stellung aus Fig. 1 um einen Winkel α gedreht, so daß nunmehr die Spalte zwischen dem Magneten 10 und dem Rotor bzw. zwischen dem Magnetfeldsensor 12 und dem Rotor L2' bzw. L1' betragen. Folglich hat sich die Summe der Luftspalte ge ändert, was zu einer Erhöhung der Flußdichte und somit zu einer Erhöhung der Hall-Spannung des Magnetfeldsensors 12 führt. Nimmt man an, daß der Rotor in seiner Außenkontur ei ner mathematischen Spirale mit konstanter Steigung folgt und nimmt man ferner an, daß die Hall-Spannung umgekehrt propor tional zum Luftspalt zunimmt, so kann man näherungsweise den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Winkel α und der Aus gangsspannung wie folgt beschreiben:

wobei
R0 der minimale Radius ist,
α der Drehwinkel gemessen zum Ort des minimalen Radius R0 ist und
K eine Konstante ist.

Hieraus ergibt sich für die Längen der Luftspalte L1 bzw. L2:

wobei
A der Abstand der Rotationsachse des Rotors 16 zum Magnetfeldsensor ist, wie sich Fig. 1 entnehmen läßt.

Geht man davon aus, daß sich die Hall-Spannung U_H näherungs weise proportional zur Breite der Luftspalte verhält, so er gibt sich für diese:

Allgemein ergibt sich als Forderung für die Geometrie der Außenkontur:

wobei
B eine Konstante ist,
C eine Konstante ist und
C0 eine Konstante ist.

Die letzte Gleichung sagt aus, daß eine Funktion f(α) in der Weise zu bestimmen läßt, daß sich ein linearer funktionaler Zusammenhang C . α + C0 zwischen der Ausgangsspannung und dem Winkel α ergibt. Diese letzte Gleichung wird näherungsweise durch eine Spiralfunktion erfüllt, wenn man den Winkel α mit einem Exponenten x versieht, welcher kleiner ist als 1, al so:

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung. Ein Rotor 16 ist in zwei verschiedenen Stellungen dargestellt, einmal durch eine durchgezogene Linie und einmal durch eine unterbrochene Linie. Der Rotor 16 hat einen umlaufenden Kra gen 18, dessen Dicke sich in Umfangsrichtung ändert. Der Kragen 18 ragt in einen U-förmigen Rückschlußbügel 14. Auf grund der variablen Dicke des Kragens 18 ändert sich die Dicke des weichmagnetischen Materials, welches den Luftspalt in dem Rückschlußbügel beeinflußt. Wiederum ist die Funktion f = f(α) für die Kontur des Kragens so wählbar, daß sich ein erwünschter Kennlinienverlauf, beispielsweise ein linearer Verlauf, ergibt.

Fig. 4a und Fig. 4b zeigen die erfindungsgemäße Vorrich tung nach Fig. 3 mit Blick auf die in Fig. 3 mit A-A ge kennzeichnete Schnittebene, wobei die Fig. 4a und 4b un terschiedliche Rotorstellungen darstellen.

In Fig. 4a ist die Stellung des Rotors 16 dargestellt, wel che der durchgezogenen Linie in Fig. 3 entspricht. Der Ro tor 16 weist einen unmagnetischen Körper 20 auf, an dem sich der weichmagnetische Kragen 18 anschließt. In dem Bereich, welcher in den Raum zwischen dem Magneten 10 und dem Magnet feldsensor 12 eindringt, welche endseitig innen an dem Rück schlußbügel 14 befestigt sind, weist der Kragen 18 eine Dic ke D1 auf. Hierdurch kommt es zwischen dem Magnetfeldsensor 12 und dem Kragen 18 zu einem Abstand La, und zwischen dem Kragen und dem Magneten kommt es zu einem Abstand L1.

In Fig. 4b ist der Rotor 16 um den in Fig. 3 mit α be zeichneten Winkel gedreht worden, so daß die Darstellung ge mäß Fig. 4b der unterbrochenen Linie in Fig. 3 entspricht. Da der zwischen dem Magneten 10 und dem Magnetfeldsensor 12 liegende Bereich des Kragens 18 nunmehr die wesentlich grö ßere Dicke D2 aufweist, haben sich die entsprechenden Luftspalte L1 zwischen Magnet 10 und Kragen 18 und La zwi schen Magnetfeldsensor 12 und Kragen 18 verringert. Folglich wird in der Situation gemäß Fig. 4b eine größere Hall- Spannung erzeugt als in der Situation gemäß Fig. 4a.

Wählt man nun die Dickenänderung des Kragens 18 in geeigne ter Weise als Funktion des Winkels α, so läßt sich wiederum der Kennlinienverlauf in gewünschter Weise beeinflussen, das heißt er läßt sich vorzugsweise linear wählen. Aufgrund des konstanten Gesamtluftspaltes wirkt sich ein radiales Spiel des Rotors nur wenig auf die Qualität des Meßergebnisses aus.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform wird die Er findung zur Messung einer Translationsbewegung verwendet. Zu diesem Zweck ist ein Stab 22 vorgesehen, welcher eine in Ab hängigkeit der Koordinate S veränderliche Dicke hat, allge mein gesprochen eine Außenkontur f = f(S) aufweist. Der Stab 22 ist in zwei verschiedenen Stellungen dargestellt, ver schoben um die Meßstrecke S₀. Ein Rückschlußbügel 14 mit an seinen Enden angebrachtem Magneten 10 und Magnetfeldsensor 12 ist der schrägen Seite des Stabes 22 zugewandt angeord net. Um der Schräge Rechnung zu tragen, sind die Kopfflächen von Magnet 10 und Magnetfeldsensor 12 um den Betrag A gegen einander versetzt. Verschiebt man nun den Stab 22 um die Meßstrecke S₀, so verändern sich die Luftspalte von L1 auf L1' bzw. von L2 auf L2'. Die Änderung der Luftspalte führen zu einer Flußänderung, was das Ausgangssignal des Magnet feldsensors 12 verändert. Im Fall einer Hall-Sonde ändert sich die Hall-Spannung. Durch geeignete Wahl der Außenkontur f = f(S) des Stabes 22 ist wiederum eine gewünschte Kennlinie realisierbar, welche vorzugsweise einen vom Weg S abhängigen linearen Verlauf hat.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung. Diese Ausführungsform ähnelt der Aus führungsform in Fig. 5, außer daß der Rückschlußbügel 14 mit Magnet 10 und Magnetfeldsensor 16 anders zu dem Stab 22 angeordnet ist. Nunmehr sind die Kopfflächen des Magneten 10 bzw. des Magnetfeldsensors 12 im wesentlichen parallel zu der schrägen Seite des Stabes 22 angeordnet.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung. Auch hier wird ein Stab 22 zur Messung einer Translationsstellung verwendet. In diesem Fall dringt der Stab 22 zwischen die Schenkel eines U-förmigen Rück schlußbügels 14, an deren Innenseite der Magnet 10 bzw. der Magnetfeldsensor 12 an entgegengesetzten Enden befestigt sind.

Fig. 8a und Fig. 8b zeigen die erfindungsgemäße Vorrich tung nach Fig. 7 mit Blick auf die in Fig. 7 mit A-A ge kennzeichnete Schnittebene, wobei die Fig. 8a und die Fig. 8b zwei unterschiedliche Translationsstellungen zeigen. Hier sind die beiden Positionen des Stabes 22, welche in Fig. 7 mit durchgezogener Linie 22a bzw. mit unterbrochener Linie 22b dargestellt sind, im Hinblick auf die Anordnung des Sta bes 22 bezüglich des Magneten 10 und des Magnetfeldsensors 12 dargestellt. Der Stab 22 ist so geformt, daß der Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor 12 und dem Stab 22 bei dem Wert La konstant bleibt, unabhängig davon, ob sich die Dicke D1 (Fig. 8a) oder die Dicke D2 (Fig. 8b) in dem Zwischen raum zwischen Magnet 10 und Magnetfeldsensor 12 befindet. Der Abstand zwischen dem Stab 22 und dem Magneten 10 ändert sich jedoch bei einer Translation des Stabes 22, so daß aus dem Luftspalt L1 gemäß Fig. 8a ein schmalerer Luftspalt L2 gemäß Fig. 8b wird. Folglich ändert sich das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors; im Falle einer Hall-Sonde erhöht sich die Hall-Spannung. Analog zur Ausbildung nach der Fig. 4 wirkt sich hier eine Bewegung des Stabs 22 in Y-Richtung nicht störend auf das Meßsignal aus, da der das Meßsignal bestimmende Gesamtluftspalt konstant bleibt.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele ge mäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Mo difikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zum Ermitteln der Position eines Objektes mit Mitteln (10, 14) zum Erzeugen eines Magnetfeldes und mit Mitteln (16, 22) zum Beeinflussen des Magnetfeldes, indem die Mittel (16, 22) zum Beeinflussen und die Mittel (10, 14) zum Erzeugen relativ zueinander bewegbar sind, dadurch ge kennzeichnet, daß Änderungen des Magnetfeldes durch einen Magnetfeldsensor (12) nachweisbar sind und daß die Kennlinie des Magnetfeldsensors (12) durch die geometrische Gestalt der Mittel zum Beeinflussen (16, 22) festlegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor 12 ein Hall-Element ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Mittel (10, 14) zum Erzeugen eines Magnetfeldes einen Magneten (10) und einen weichmagnetischen Rückschluß bügel (14) umfassen, wobei der Magnet (10) und der Magnet feldsensor (12) an entgegengesetzten Enden des Rückschlußbü gels (12) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Mittel (16, 22) zum Beeinflus sen des Magnetfeldes als weichmagnetischer Rotor (16) ausge legt sind, wobei sich der Radius des Rotors (16) in Umfangs richtung verändert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Radius R des Rotors gemäß der Gleichung
ändert, wobei
R0 der minimale Radius ist,
α der Drehwinkel gemessen zum Ort des minimalen Radius R0 ist,
K eine Konstante ist und
x eine Konstante < 1 ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Mittel (16, 22) zum Beeinflus sen des Magnetfeldes als Rotor (16) ausgelegt sind, wobei sich die Dicke eines sich axial erstreckenden weichmagneti schen Kragens (18) in Umfangsrichtung verändert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel (16, 22) zum Beeinflussen des Magnetfeldes als weichmagnetischer Stab (22) ausgelegt sind, dem eine Translationsbewegung zuführbar ist, wobei sich die Abmessung des Stabes (22) senkrecht zur Bewegungsrichtung ändert.