DE102005001751A1

DE102005001751A1 - Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung einer Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102005001751A1
Application number: DE102005001751A
Authority: DE
Inventors: Steffen Medebach; Thomas Schmidt; Jürgen ZIPP
Original assignee: Kuester Automotive Control Systems GmbH
Current assignee: Kuester Automotive Control Systems GmbH
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung einer Antriebseinrichtung, insbesondere für Fensterheber, Scheibenwischer oder dergleichen Einrichtungen in Kraftfahrzeugen, mit einem Signalerzeugungselement (1), welches verteilt um eine Drehachse (2) der Antriebseinrichtung wenigstens zwei Sektoren (3) unterschiedlicher magnetischer Polarität aufweist, und mit wenigstens einem das Magnetfeld des Signalerzeugungselementes (1) erfassenden Sensorelement (4; 5), wobei die Flächennormale (16) der sensitiven Fläche (8; 9) des Sensorelementes (4; 5) vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Drehachse (2) ausgerichtet ist und bei der Drehbewegung der Antriebseinrichtung das Signalerzeugungselement (1) und das Sensorelement (4; 5) eine Relativbewegung zueinander ausführen. Es ist vorgesehen, dass die Sektoren (3) des Signalerzeugungselementes (1) in Richtung der Drehachse (2) jeweils wenigstens zwei Abschnitte (6, 7) unterschiedlicher Polarität aufweisen (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung einer Antriebseinrichtung, insbesondere für Fensterheber, Scheibenwischer, elektrische Feststellbremsen oder dergleichen Einrichtungen in Kraftfahrzeugen, mit einem Signalerzeugungselement, welches verteilt um eine Drehachse der Antriebseinrichtung wenigstens zwei Sektoren unterschiedlicher magnetischer Polarität aufweist, und mit wenigstens einem das Magnetfeld des Signalerzeugungselementes erfassenden Sensorelement, wobei die Flächenormale der sensitiven Fläche des Sensorelements vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Drehachse ausgerichtet ist und bei der Drehbewegung der Antriebseinrichtung die Sektoren des Signalerzeugungselementes und das Sensorelement eine Relativbewegung zueinander ausführen.

Eine Vorrichtung der hier angesprochenen Art ist beispielsweise aus der DE 101 30 130 A1 bekannt, welche der Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals für einen Elektromotor, beispielsweise in einem Lenksystem eines Fahrzeugs, dient. Dabei ist drehfest mit der Rotorwelle des Elektromotors ein Ringmagnet mit Magnetelementen unterschiedlicher Polarität verbunden. Als Sensorelement in axialem Abstand zum Ringmagnet ist an einer ortsfesten Trägereinrichtung eine Spule angeordnet. Durch die Drehbewegung mit der Rotorwelle wird in der Spule elektrischer Strom induziert und daraus ein Signal generiert, welches mit der Drehzahl der Rotorwelle korreliert.

Bei einer derartigen Vorrichtung wird mit zunehmendem Abstand des Sensorelementes von dem Ringmagneten das Magnetfeld schwächer und aufgrund der zunehmenden Inhomogenität noch weiter abgeschwächt, so dass der in der Sensorspule induzierte Strom an Stärke verliert. Bei größeren Abständen zwischen dem Sensorelement und dem Ringmagneten wird dieser Effekt bisher dadurch kompensiert, dass beispielsweise Sensorelemente beziehungsweise Messgeräte für den induzierten Strom mit einer höheren Empfindlichkeit oder Ringmagnete mit einem stärkeren Magnetfeld eingesetzt werden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei welcher auch in größerem axialen Abstand zwischen Sensorelement und Signalerzeugungselement noch ein auswertbares Signal erzeugt wird, ohne stärkere Magneten oder Messgeräte mit hoher Empfindlichkeit einzusetzen.

Erfindung und vorteilhafte Wirkungen

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sektoren des Signalerzeugungselementes in Richtung der Drehachse jeweils mindestens zwei Abschnitte unterschiedlicher Polarität aufweisen. Durch diese Maßnahme wird eine Verstärkung des Magnetfeldes in Richtung der Drehachse erreicht. Es ist dadurch möglich, auch in größerem Abstand zum Signalerzeugungselement ein auswertbares Sensorsignal zu erhalten, so dass auf zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise eine Erhöhung der Empfindlichkeit von Messgeräten beziehungsweise des Sensorelementes, verzichtet werden kann. Es ist dadurch die Vorrichtung auch unempfindlicher gegen Störungen von außen, welche beispielsweise die Homogenität des Magnetfeldes beeinflussen. Somit kann auf einfache Weise eine sichere Erfassung der Drehbewegung der Antriebseinrichtung, beispielsweise für einen Kraftfahrzeug-Scheibenwischer oder einen Fensterheber, gewährleistet werden.

Nach einer ersten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Abschnitte des Signalerzeugungselementes in axialer Richtung im wesentlichen gleiche Materialstärke aufweisen. Hierdurch kann das Signalerzeugungselement verfahrenstechnisch einfach hergestellt werden, da in diesem Fall zwei gleiche Magnetelemente verwendet werden können, welche mit jeweils entgegengesetzter Polarität, beispielsweise durch Verkleben, miteinander verbunden werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die sensitive Fläche wenigstens eines Sensorelementes in radialem Abstand zur Drehachse im wesentlichen mittig zur magnetfelderzeugenden Fläche des Signalerzeugungselementes angeordnet ist. Mittels dieser Lageanordnung ist erreicht, dass dort eine Signalerfassung vorgenommen wird, wo die Dichte der die Fläche des Sensorelementes senkrecht durchsetzenden Magnetfeldlinien am höchsten ist. Somit ist in dieser Lage eine besonders gute und sichere Signalerfassung gewährleistet, da der in dem Sensorelement induzierte Strom besonders hoch ist. Ein weiterer Vorteil dieser Lageanordnung der Sensorelemente besteht darin, dass eine Drehbewegung um einen bestimmten Winkel durch eine relativ einfache Positionierung der Sensorelemente detektiert werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der axiale Abstand zwischen der sensitiven Fläche des Sensorelementes und dem Signalerzeugungselement etwa zwischen 1 mm und 2 mm liegt. In diesem Bereich ist eine ausreichend genaue Positionierung des Sensorelementes in herstellungstechnisch vertretbarer Weise bei guter Signalstärke möglich.

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken sind zwei Sensorelemente vorgesehen, welche in einem Winkel β zueinander bezüglich der Drehachse der Antriebseinrichtung angeordnet sind mit β ≠ 360°/n, wobei n der Anzahl der Sektoren des Signalerzeugungselementes entspricht. Dadurch befindet sich das eine Sensorelement vollständig über einem Sektor des Signalerzeugungselements mit der einen magnetischen Polarität wenn das andere Sensorelement über einem Übergang zwischen zwei Sektoren mit unterschiedlicher Polarität liegt. Bei einer Drehbewegung der Antriebseinrichtung, also bei einer Relativbewegung zwischen den Sensorelementen und dem Signalerzeugungselement, werden durch die Sensorelemente dann zueinander phasenverschobene Signale generieren.

Durch diese Maßnahme lässt sich mittels der Sensorelemente nicht nur eine Winkelgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung an sich, sondern auch die Drehrichtung der Bewegung erfassen.

Eine Umkehr in der Drehrichtung kann beispielsweise daran erkannt werden, dass das eine Sensorelement vor und nach der Drehrichtungsumkehr einen Übergang zwischen zwei Sektoren unterschiedlicher Polarität passiert und dadurch zwei Sprünge im Signalverlauf generiert werden, während sich das andere Sensorelement nach wie vor vollständig über einem Sektor mit der einen Polarität befindet und das Signal während dieser Zeit unverändert bleibt.

Von Vorteil ist es dabei, wenn der Winkel zwischen den sensitiven Flächen der Sensorelemente im wesentlichen 90 Grad beträgt. Dadurch ist bei einem Signalerzeugungselement mit zwei Sektoren unterschiedlicher magnetischer Polarität eine herstellungstechnisch einfach zu realisierende Anordnung geschaffen, welche ein sicheres Erfassen der Drehrichtung gewährleistet.

Es ist vorgesehen, dass das Signalerzeugungselement drehfest mit einer Antriebswelle beispielsweise eines Motors der Antriebseinrichtung und das wenigstens ein Sensorelement ortsfest mit einem bezüglich der Antriebswelle drehfesten Bauteil verbunden ist. Hierdurch lässt sich die rotatorische Bewegung des Motors erfassen, so dass beispielsweise durch Zählen der beim Drehen der Antriebswelle vom Sensorelement innerhalb einer Zeiteinheit erzeugten Signale die Drehzahl der Antriebswelle bestimmbar ist. Als Signalerzeugungselement wird bevorzugt ein Ringmagnet oder eine Magnetscheibe verwendet. Hierdurch ist ein lagegenaues Fixieren an einer Antriebswelle durch Aufschieben des Ringmagneten auf die Antriebswelle insbesondere dann möglich, wenn der Innendurchmesser des Ringmagneten dem Durchmesser der Antriebswelle entspricht.

Mittels der Magnetscheibe ist ein kleinbauendes Signalerzeugungselement realisiert.

Von Vorteil ist es, wenn das Signalerzeugungselement ein Dauermagnet ist, da dadurch auf technisch einfache Weise ohne zusätzliche elektrische Versorgungseinrichtungen ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Vorzugsweise sollte der Dauermagnet von einer Ummantelung umgeben sein, um vor mechanischen Beschädigungen geschützt zu sein, welche zu größeren Inhomogenitäten des Magnetfeldes führen könnten. Die Ummantelung kann beispielsweise eine Kunststoffummantelung sein. Natürlich kann die Ummantelung auch aus einem anderen, das Magnetfeld nicht beeinflussenden Material hergestellt sein.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Sensorelement ein Hall-Sensor ist. Hierdurch ist eine Erfassung des Magnetfeldes des Signalerzeugungselementes auf einfache und kostengünstige Weise möglich.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Bauteile für den Betrieb der Vorrichtung in einem Temperaturbereich zwischen –40° C und 130° C ausgebildet sind. Dadurch ist erreicht, dass die Bauteile den üblicherweise im Betrieb der Antriebseinrichtung auftretenden Temperaturbelastungen standhalten. Solche Temperaturbelastungen können beispielsweise aus jahreszeitlichen Temperaturunterschieden oder aufgrund einer besonderen Einbausituation hervorgerufen sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt in einer Antriebsvorrichtung für Fensterheber, Scheibenwischer, elektrische Feststellbremsen oder dergleichen Einrichtungen in Kraftfahrzeugen, vorgesehen.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Sensorelement in perspektivischer Darstellung,
2 die Vorrichtung gemäß 1 als Schnittdarstellung und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Sensorelementen als Draufsicht.
1 und 2 zeigen – in schematischer Darstellung – eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung einer (nicht dargestellten) Antriebseinrichtung, wie sie beispielsweise in Fensterhebern, Scheibenwischern, Feststellbremsen, Schiebedächern oder dergleichen Einrichtungen in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Die Vorrichtung weist ein Signalerzeugungselement 1 auf, welches um eine Drehachse 2 der Antriebseinrichtung verteilt wenigstens zwei Sektoren 3 unterschiedlicher magnetischer Polarität hat. Die Vorrichtung weist ferner ein das Magnetfeld des Signalerzeugungselements 1 erfassendes Sensorelement 4 auf, wobei die Flächennormale 16 der sensitiven Fläche 8 des Sensorelementes 4 im wesentlichen parallel zur Drehachse 2 ausgerichtet ist und bei rotatorischer Bewegung der (nicht dargestellten) Antriebseinrichtung das Signalerzeugungselement 1 und das Sensorelement 4 eine Relativbewegung zueinander ausführen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als Signalerzeugungselement ein Ringmagnet 1 und als Sensorelement ein Hall-Sensor 4 vorgesehen.
Die sensitive Fläche 8 des Hall-Sensors 4 ist in radialem Abstand 13 zur Drehachse 2 mittig zur magnetfelderzeugenden Fläche des Ringmagneten 1 angeordnet, das heißt, der Hall-Sensor 4 befindet sich mittig zwischen dem Außenumfang 14 und dem Innenumfang 15 des Ringmagneten 1.
Der axiale Abstand 12 zwischen der sensitiven Fläche 8 des Hall-Sensors 4 und dem Ringmagneten 1 liegt bei Werten zwischen 1 mm und 2 mm, wobei er bei diesem Ausführungsbeispiel 1,5 mm beträgt.
Der Hall-Sensor 4 ist ortsfest an einem Gehäuse, einer Leiterplatte oder dergleichen die Drehbewegung nicht ausführenden Bauteil der Antriebseinrichtung fixiert und der Ringmagnet 1 drehfest mit einer (nicht dargestellten) Antriebswelle, beispielsweise eines Motors der Antriebseinrichtung, verbunden.
Bei Rotation des Ringmagneten 1 wird der mit der Flächennormalen 16 seiner sensitiven Fläche 8 im wesentlichen parallel zur Drehachse 2 ausgerichtete Hall-Sensor 4 jeweils von dem sich bezüglich der Polarität ändernden Magnetfeld des Ringmagneten 1 durchsetzt und von dem Hall-Sensor 4 als entsprechende Impulsfolge an eine (nicht dargestellte) Zähleinrichtung beziehungsweise Auswerteeinrichtung weitergeleitet.
Um die Stärke der Magnetfeldlinien im Bereich des Hall-Sensors 4 zu erhöhen, weisen die Sektoren 3 des Ringmagneten 1 in Richtung der Drehachse 2 jeweils zwei Abschnitte 6, 7 unterschiedlicher Polarität auf. Dadurch liefert der Hall-Sensor 4 ein stärkeres Signal, so dass eine verbesserte Erfassung der Rotationsbewegung gewährleistet werden kann. Die beiden Abschnitte 6, 7 weisen dabei vorliegend in axialer Richtung im wesentlichen gleiche Materialstärke auf.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem zwei Hall-Sensoren 4, 5 in einem Winkel β zueinander bezüglich der Drehachse 2 der Antriebseinrichtung angeordnet sind mit β ≠ 360°/n, wobei n der Anzahl der Sektoren 3 entspricht. Bauteile, welche zu den Bauteilen gemäß der 1 und 2 gleich sind, sind nachfolgend mit gleichen Bezugszeichen versehen; insofern wird auf die vorstehende Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
Der Ringmagnet 1 weist auch bei diesem Ausführungsbeispiel zwei unterschiedlich polarisierte Sektoren 3 auf, wobei jeder Sektor 3 in Richtung der Drehachse 2 wiederum zwei Abschnitte 6, 7 unterschiedlicher Polarität aufweist.
Die beiden Hall-Sensoren 4, 5 sind bezüglich der Drehachse 2 um den Winkel β versetzt zueinander angeordnet. Dadurch liegt in einer gegebenen Relativposition der Hall-Sensoren gegenüber dem Ringmagneten 1 der eine Hall-Sensor 4 vollständig über einem Sektor 3 mit der einen magnetischen Polarität des Ringmagneten 1 und der andere Hall-Sensor 5 über einem Übergang zwischen den beiden unterschiedliche Polarität aufweisenden Sektoren 3. Dadurch wird von dem über den Übergang zwischen den beiden Sektoren 3 liegenden Hall-Sensor 5 ein Signal in Form einer Sprungfunktion generiert. Dagegen bleibt das Signal des anderen Hall-Sensors 4 unverändert. Eine Änderung des Signales dieses Hall-Sensors 4 liegt erst vor, wenn durch die Drehbewegung der Antriebseinrichtung dieser Hall-Sensor 4 einen Übergang zwischen den beiden Sektoren 3 passiert. In diesem Fall befindet sich der andere Hall-Sensor 5 wiederum vollständig über einem Sektor 3, so dass das von ihm generierte Sensorsignal unverändert ist. Durch die Anordnung der beiden Hall-Sensoren 4, 5 in einem Winkel β zueinander bezüglich der Drehachse 2 wird also bei einer Drehbewegung des Ringmagneten 1 gegenüber den Hall-Sensoren 4, 5 von diesen jeweils ein Signalverlauf generiert, wobei beide Signalverläufe zueinander eine Phasenverschiebung aufweisen. Aufgrund dieser Phasenverschiebung ist neben der Erfassung der Drehbewegung der Antriebseinrichtung auch die Erfassung der Drehrichtung möglich. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Winkel β zwischen den Hall-Sensoren 4, 5 auf 90° gelegt, so dass eine Phasenverschiebung von 90° (elektrisch) erreicht wird.
Aufgrund des durch die beiden Abschnitte 6, 7, erzeugten besonders homogenen Magnetfeldes des Ringmagneten 1 ist eine exakte Einhaltung des gleichen axialen Abstandes 12 zwischen dem jeweiligen Hall-Sensor 4 beziehungsweise 5 und dem Ringmagnet 1 nicht notwendig, um eine ausreichende Signalstärke zwischen den von den Hall-Sensoren 4, 5 erzeugten Signalverläufen zur Erfassung der Drehrichtung ausreichend genau einhalten zu können. Die Positionierung der Hall-Sensoren 4, 5 lässt sich dadurch mit einer weniger aufwendigen Konstruktion als bisher realisieren.

1: Signalerzeugungselement, Ringmagnet
2: Drehachse
3: Sektoren
4: Sensorelement, Hall-Sensor
5: Sensorelement, Hall-Sensor
6: Abschnitt
7: Abschnitt
8: sensitive Fläche
9: sensitive Fläche
12: axialer Abstand
13: radialer Abstand
14: Außenumfang
15: Innenumfang
16: Flächennormale
β: Winkel

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung einer Antriebseinrichtung, insbesondere für Fensterheber, Scheibenwischer, elektrische Feststellbremsen oder dergleichen Einrichtungen in Kraftfahrzeugen, mit einem Signalerzeugungselement (1), welches, verteilt um eine Drehachse (2) der Antriebseinrichtung, wenigstens zwei Sektoren (3) unterschiedlicher magnetischer Polarität aufweist, und mit wenigstens einem das Magnetfeld des Signalerzeugungselementes (1) erfassenden Sensorelement (4; 5), wobei die Flächennormale (16) der sensitiven Fläche (8; 9) des Sensorelementes (4; 5), vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Drehachse (2) ausgerichtet ist, und bei der Drehbewegung der Antriebseinrichtung die Sektoren (3) des Signalerzeugungselementes (1) und das Sensorelement (4; 5) eine Relativbewegung zueinander ausführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (3) des Signalerzeugungselementes (1) in Richtung der Drehachse (2) jeweils wenigstens zwei Abschnitte (6, 7) unterschiedlicher Polarität aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (6, 7) des Signalerzeugungselementes (1) in axialer Richtung im wesentlichen gleiche Materialstärke aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Fläche (8; 9) wenigstens eines Sensorelementes (4; 5) in radialem Abstand (13) zur Drehachse (2) im wesentlichen mittig zur magnetfelderzeugenden Fläche des Signalerzeugungselementes (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand (12) zwischen der sensitiven Fläche (8; 9) des Sensorelementes (4; 5) und dem Signalerzeugungselement (1) etwa zwischen 1 mm und 2 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Sensorelemente (4, 5), welche in einem Winkel (β) zueinander bezüglich der Drehachse (2) der Antriebseinrichtung angeordnet sind mit β ≠ 360°/n, wobei n der Anzahl der Sektoren (3) des Signalerzeugungselementes (1) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) im wesentlichen 90 ° beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalerzeugungselement (1) drehfest mit einer Antriebswelle, beispielsweise eines Motors der Antriebseinrichtung und das wenigstens eine Sensorelement (4; 5) ortsfest mit einem bezüglich der Antriebswelle drehfesten Bauteil verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalerzeugungselement ein Ringmagnet (1) oder eine Magnetscheibe ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalerzeugungselement (1) ein Dauermagnet, vorzugsweise ein von einer Ummantelung umgebener Dauermagnet, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement ein Hall-Sensor (4; 5) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile für den Betrieb in einem Temperaturbereich zwischen 233 K und 403 K ausgebildet sind.
Antriebsvorrichtung für Fensterheber, Scheibenwischer, elektrische Feststellbremsen oder dergleichen Einrichtungen in Kraftfahrzeugen, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.