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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur berührungslosen
Erfassung eines Drehwinkels mit einem Rotor, auf dem ein Magnet
mit radialem Abstand zu einer Drehachse angeordnet ist, und mit einem
magnetfeldempfindlichen Element zur Erzeugung eines Messsignals,
wobei das magnetfeldempfindliche Element und der Magnet so angeordnet sind,
dass sich während der Drehbewegung des Rotors der Magnet
auf einer Kreisbahn bewegt und das magnetfeldempfindliche Element
in Bezug zur Kreisbahn des Magneten tangential angeordnet ist, gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine
solche Messeinrichtung ist in verschiedenen Systemen des Fahrzeugbereichs
verwendbar, in denen Drehwinkel gemessen werden müssen,
wie beispielsweise in einem Drosselklappengeber, in einem Gaspedalwertgeber
in einem Pedalmodul, in einem Karosserieeinfederungsgeber oder in
einem Winkelaufnehmer eines Scheibenwischerantriebs.
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Eine
gattungsgemäße Messeinrichtung ist aus der
DE 197 53 776 A1 bekannt
und besteht aus einer aus weichmagnetischem Material bestehenden Trägerplatte,
die als Rotor um eine Drehachse dreht. In einer Ebene parallel zur
Trägerplatte sind zwei durch einen Schlitz getrennte Segmente
aus weichmagnetischem Material angeordnet, in welchem das magnetfeldempfindliche
Element angeordnet ist. Eines dieser Segmente trägt ein
Rückflussteil aus weichmagnetischem Werkstoff, um zusammen
mit den Segmenten den Magnetfluss zu führen, der von einem
auf der Trägerplatte angeordneten Magneten erzeugt wird.
Der Magnet ist in Richtung der Drehachse, d. h. axial polarisiert.
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Als
magnetfeldempfindliches Element kommen bei solchen Messeinrichtungen
vor allem Hall-Elemente zum Einsatz. Der Halleffekt gehört
zu den galvanomagnetischen Effekten und wird vor allem mittels dünner
Halbleiterplättchen ausgewertet. Wird ein solches stromdurchflossenes
Halbleiterplättchen senkrecht von einem Magnetfeld durchsetzt,
kann quer zur Stromrichtung eine zum Magnetfeld proportionale Spannung
abgegriffen werden. Im Falle von Silizium als Grundmaterial kann
man gleichzeitig eine Signalverarbeitungselektronik auf dem Halbleiterplättchen
integrieren, wodurch solche Sensoren sehr kostengünstig
werden. Solche integrierten Hall-IC's eignen sich vorwiegend für
die Messung von Winkeln und Wegen, indem sie die Änderung
der Feldrichtung des mit einem bewegten Rotor verbundenen Magneten
erfassen.
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Ein
Sensor mit solchen Hall-Elementen ist beispielsweise aus der
EP 1 182 461 A2 bekannt, wobei
ein Magnetfeldkonzentrator in seinem Umfeld den Verlauf der Feldlinien
des vom Magneten erzeugten Magnetfelds verändert und bewirkt,
dass die Feldlinien, welche bei Abwesenheit des Magnetfeldkonzentrators
parallel zur Oberfläche der Hallelemente verlaufen würden,
die Hall-Elemente annähernd senkrecht zu ihrer Oberfläche
durchdringen. Dabei bilden einander diametral gegenüberliegende Hall-Elemente
je ein Paar zur Erzeugung eines Ausgangssignals, dessen Stärke
von der Richtung des Magnetfelds abhängt, welches wiederum
durch die momentane Lage des Magneten definiert wird, der beispielsweise
mit einem Läufer eines Elektromotors drehfest verbunden
ist, so dass aufgrund des Ausgangssignals der Drehwinkel des Läufers
bestimmt werden kann.
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Solche
Hall-Elemente benötigen eine ausreichende Magnetfeldstärke,
damit ihre Auflösung ausreichend groß ist. Ebenso
wirkt sich eine große Magnetfeldstärke günstig
gegenüber Fremdfeldern und gegenüber der unvermeidbaren
Alterung aus. Darüber hinaus benötigen diese Sensoren
einen homogenen, magnetischen Winkelbereich, damit Neuteiltoleranzen
bzw. Toleranzen, welche im Betrieb entstehen, wie beispielsweise
Drehachsverlagerungen aufgrund von Verschleiß oder mechanischem
Spiel ausgeglichen werden können. Deshalb bauen die in
solchen Anwendungen verwendeten Magneten relativ groß.
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Manche
Anwendungen, beispielsweise als Drehwinkelgeber in Fahrpedalmoduln,
haben einen Verstellbereich von 10 bis 30 Grad Winkeldrehung. Bei
solchen Anwendungen verursachen bereits kleine Fehler im Bereich
von 0,1 Grad bis 0,3 Grad der Elektronik relativ große
Spannungsänderungen im Ausgangssignal.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, den Magnet in einer in Bezug
zur Drehachse senkrecht zur Radialrichtung angeordneten Ebene radial zu
magnetisieren oder zu polarisieren. Unter „radial magnetisiert
oder polarisiert" soll eine Magnetisierung des Magneten verstanden
werden, durch welche in der genannten Ebene gesehen Nord- und Südpol
des Magneten nebeneinander liegen und sich magnetische Feldlinien
ergeben, welche sich ausgehend von einem in der genannten Ebene
gelegenen, gedachten Zentrum senkrecht zu dieser Ebene fächerförmig
aufweiten.
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Dadurch
wird der magnetisch wirksame Raum der Magnetfeldlinien größer,
so dass nach Art einer magnetischen Übersetzung der vom
magnetfeldempfindlichen Element erfasste Drehwinkel um einen bestimmten
Faktor vergrößert wird, was den Vorteil mit sich
bringt, dass Drehwinkeländerungen des Rotors mit einer
höheren Genauigkeit erfasst werden und kleine Winkelfehler
der Sensorik einen nur geringen Einfluss auf das Messergebnis haben.
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Mit
anderen Worten wird der Betätigungswinkel der Drehbewegung
des Rotors gegenüber dem magnetfeldempfindlichen Element
durch einen Permanentmagneten, welcher in einer in Bezug zur Drehachse
senkrecht zur Radialrichtung angeordneten Ebene radial magnetisiert
oder polarisiert ist, für das magnetfeldempfindliche Element
magnetisch übersetzt.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch
1 angegebenen Erfindung möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet an einem radial äußeren
Umfang des Rotors angeordnet. Dann kann das magnetfeldempfindliche
Element in Bezug zur Kreisbahn des Magneten um ein Stück
weit nach radial außen versetzt angeordnet sein, wobei
der Abstand so klein zu wählen ist, dass das magnetfeldempfindliche
Element beim Passieren des Magneten vom Magnetfeld vollständig
erfasst werden kann. Hierzu sind das magnetfeldempfindliche Element
und der Magnet bestenfalls so anzuordnen, dass während
der Kreisbewegung des Magneten Drehlagen existieren, in welchen sich
das magnetfeldempfindliche Element und der Magnet zumindest teilweise überdecken.
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Besonders
bevorzugt ist der Magnet als Kreissegment oder Teil eines Kreisrings
ausgebildet, welches in der in Bezug zur Drehachse senkrecht zur Radialrichtung
angeordneten Ebene angeordnet ist. Alternativ könnte der
Magnet eine beliebige Form aufweisen und insbesondere rechteckförmig
ausgebildet sein.
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Der
genaue Aufbau der Messeinrichtung wird anhand der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels klar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines radial magnetisierten oder polarisierten
Magneten;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines als Kreissegment oder Teil eines
Kreisrings ausgebildeten Magneten, wie er in der Messeinrichtung von 1 verwendet
wird;
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4 eine
Ansicht entlang der Linie IV-IV von 1;
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5 eine
schematische Darstellung der Messeinrichtung von 1 im
Betrieb;
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6 eine
Draufsicht auf die Messeinrichtung von 5 entlang
der Linie VI-VI.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Das
in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel
einer Messeinrichtung 1 zur berührungslosen Erfassung
eines Drehwinkels wird beispielsweise zur Messung des Betätigungswinkels
eines aus Maßstabsgründen nicht gezeigten elektronischen
Fahrpedals eines Fahrpedalmoduls verwendet. Darüber hinaus
ist eine solche Messeinrichtung 1 in verschiedenen Systemen
verwendbar, in denen Drehwinkel gemessen werden müssen,
im Fahrzeugbereich beispielsweise in einem Drosselklappengeber,
in einem Gaspedalwertgeber in einem Pedalmodul, in einem Karosserieeinfederungsgeber oder
in einem Winkelaufnehmer eines Scheibenwischerantriebs.
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Die
Messeinrichtung 1 umfasst einen Rotor 2, beispielsweise
ein Formteil aus Kunststoff, das mit einem gegenüber einem
Lagerbock drehbar gelagerten Fahrpedal drehfest verbunden ist, auf
dem ein Magnet 4 mir radialem Abstand zu einer Drehachse 6 angeordnet
ist. Bei dem Magneten 4 handelt es sich vorzugsweise um
einen Permanentmagneten.
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Weiterhin
ist ein Stator 8 vorhanden, hier beispielsweise in Form
des Lagerbocks des Fahrpedals, welcher wenigstens ein magnetfeldempfindliches Element 10 zur
Erzeugung eines Messsignals trägt, wie beispielsweise eine
Feldplatte, einen Magnettransistor, eine Spule, ein magnetoresistives
Element oder ein Hall-Element. Mittels eines Steckers 11 mit Pins 13 ist
das wenigstens eine magnetfeldempfindliche Element 10 mit
einem hier nicht gezeigten Gegenstecker verbindbar, um die Messsignale
weiterzuleiten.
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Gemäß einer
weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform könnte
auch der Magnet 4 auf dem Stator 8 und das magnetfeldempfindliche
Element 10 auf dem Rotor 2 angeordnet sein. Die
Anordnung des Magneten 4 und des magnetfeldempfindlichen
Elements 10 auf dem Rotor 2 oder dem Stator 8 findet
beispielsweise abhängig von dem Aufwand für die
Stromversorgung des magnetfeldempfindlichen Elements 10 ab.
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Im
vorliegenden Fall werden bevorzugt ein oder mehrere verschaltete
Hall-Elemente 10 verwendet, die vorzugsweise in einem Halbleiterchip 12 aus Silizium
integriert sind, in welchem eine Signalverarbeitungselektronik realisiert
ist. Der Halbleiterchip 12 beinhaltet wenigstens einen
Magnetfeldkonzentrator. Die Hall-Elemente 10 sind empfindlich
auf die Komponente des Magnetfelds B, die senkrecht auf ihre Oberfläche
auftrifft, wie eingangs bereits diskutiert wurde. Der Magnetfeldkonzentrator
verändert in seinem Umfeld den Verlauf der Feldlinien des
vom Permanentmagneten 4 erzeugten Magnetfelds B und bewirkt,
dass die Feldlinien, welche bei Abwesenheit des Magnetfeldkonzentrators
parallel zur Oberfläche der Hall-Elemente 10 verlaufen würden,
die Hall-Elemente 10 annähernd senkrecht zu ihrer
Oberfläche durchdringen, also in einer Richtung, in welcher
diese empfindlich sind.
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Wie
aus 1 hervorgeht, sind die Hall-Elemente 10 und
der Permanentmagnet 4 so angeordnet, dass sich während
der Drehbewegung des Formteils 2 der Permanentmagnet 4 auf
einer Kreisbahn 14 bewegt und die Hall-Elemente 10 bzw.
der Halbleiterchip 12 in Bezug zur Kreisbahn 14 des
Permanentmagneten 4 tangential angeordnet sind, wobei die
Hall-Elemente 10 während der Kreisbewegung des
Permanentmagneten 4 die Änderung der Magnetfeldrichtung
messen.
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Gemäß der
bevorzugten Ausführungsform ist der Permanentmagnet 4 an
einem radial äußeren Umfang des Formteils 2 angeordnet,
wobei die stationären Hall-Elemente 10 in Bezug
zur Kreisbahn 14 des Permanetmagneten 4 um ein
Stück weit nach radial außen versetzt angeordnet
sind. Dabei ist der radiale Abstand zwischen den Hall-Elementen 10 und dem
Permanentmagneten 4 so klein zu wählen, dass die
Hall-Elemente 10 beim Passieren des Permanentmagneten 4 vom
Magnetfeld B vollständig erfasst werden können.
Hierzu sind die Hall-Elemente 10 und der Permanentmagnet 4 bestenfalls
so anzuordnen, dass während der Kreisbewegung des Permanentmagneten 4 Drehlagen
existieren, in welchen sich die Hall-Elemente 10 und der
Permanentmagnet 4 zumindest teilweise überdecken,
wie insbesondere 4 zeigt.
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Dann
erfassen die Hall-Elemente
10 die von der Drehlage abhängige
Feldstärke bzw. Feldrichtung des Magnetfelds B des mit
dem Fahrpedal drehfest verbundenen Permanentmagneten
4,
so dass aufgrund des Ausgangssignals der Hall-Elemente
10 der
momentane Drehwinkel β des Permanentmagneten
4 mit
Hilfe der Signalverarbeitungselektronik bestimmt werden kann. Da
der Permanentmagnet
4 drehfest mit dem Fahrpedal verbunden
ist, kann aus dem Ausgangssignal der Hall-Elemente
10 dessen Drehwinkelstellung
errechnet werden. Die Funktionsweise und Verschaltung solcher Hall-Elemente
10 mit Magnetfeldkonzentrator
ist beispielsweise in der
EP 1
182 461 A2 hinreichend beschrieben, weshalb hier nicht
weiter darauf eingegangen werden soll.
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Der
Permanentmagnet ist vorzugsweise als Kreissegment 4 oder
Teil eines Kreisrings ausgebildet, wie 3 zeigt. Das
Kreissegment 4 ist in einer in Bezug zur Drehachse 6 senkrecht
zur Radialrichtung angeordneten Ebene 16 angeordnet, genauer an
einer radial äußeren Stirnfläche des
Formteils. Alternativ könnte der Permanentmagnet 4 eine
beliebige Form aufweisen und insbesondere rechteckförmig ausgebildet
sein.
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Wesentlich
ist, dass der Permanentmagnet 4 in der in Bezug zur Drehachse 6 senkrecht
zur Radialrichtung angeordneten Ebene 16 radial magnetisiert
oder polarisiert ist. Dies bedeutet, dass ein Kreisring 18 gemäß 2,
aus welchem das Kreissegment 4 stammt, das hier den Permanentmagneten
bildet, durch eine Spule derart magnetisiert bzw. polarisiert wird,
dass ein radial innerer Ringabschnitt beispielsweise den Südpol
S und ein radial äußerer Ringabschnitt den Nordpol
N des Permanentmagneten 4 darstellt. Selbstverständlich
könnte die Magnetisierung bzw. die Polarisierung des Permanentmagneten 4 auch
derart erfolgen, dass der Südpol S am radial äußeren
Ringabschnitt und der Nordpol N am radial inneren Ringabschnitt
ausgebildet wird.
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Unter „radial
magnetisiert oder polarisiert" soll folglich eine Magnetisierung
des Permanentmagneten 4 verstanden werden, durch welche
in der genannten Ebene gesehen Nord- und Südpol N, S des Permanentmagneten 4 nebeneinander
liegen und sich magnetische Feldlinien ergeben, welche sich ausgehend
von einem in der genannten Ebene 16 gelegenen, gedachten
Zentrum 20 als Verlängerung der Magnetfeldlinien
senkrecht zu dieser Ebene 16 fächerförmig
aufweiten, wie insbesondere 2 und 3 veranschaulichen,
in welchen die Aufweitung in Richtung des Nordpols N erfolgt. Zwischen
den äußeren Magnetfeldlinien 22 des Magnetfelds
B des Kreissegments 4 bildet sich dann der magnetische Winkel α aus.
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Anschaulich
resultiert die trichter- oder fächerförmige Aufweitung
des Magnetfelds B ausgehend von dem außerhalb des Kreissegments 4 gelegenen
gedachten Zentrums 20 darin, dass die Magnetfeldlinien,
insbesondere die äußeren Magnetfeldlinien 22 gegenüber
der Kreisbahn 14 des Permanentmagneten 4 schrägwinklig
angeordnet sind (4). Dadurch werden die Hall-Elemente 10 beim Passieren
des Permanentmagneten 4 von dem schräg vorstehenden
Teil dieser äußeren Magnetfeldlinien 22 zuerst
erfasst, was bereits Ausgangssignale in den Hall-Elementen 10 erzeugt.
Gegenüber einer Lösung, bei welcher die Magnetfeldlinien
senkrecht zur Kreisbahn 14 des Permanentmagneten 4 ausgerichtet
wären, ergibt sich folglich ein größerer magnetisch
wirksamer Raum der Magnetfeldlinien, so dass nach Art einer magnetischen Übersetzung der
von den Hall-Elementen 10 erfasste Drehwinkel β um
einen bestimmten Faktor vergrößert wird.
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Wenn
beispielsweise der Winkel β der Drehbewegung des Formteils
2 gegenüber
den Hall-Elementen
10 zehn Grad und der Radius r zwischen dem
Kreissegment
4 und der Drehachse
2 vierzig Millimeter
beträgt, so errechnet sich die Länge b des Bogens
zwischen den Punkten C und D in
5 wie folgt:
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Wenn
der magnetische Winkel α = 90 Grad beträgt, so
ist die Übersetzung 9:1, d. h. die Hall-Elemente 10 erfassen
zwischen den Punkten C und D einen magnetischen Winkel α von
90 Grad bei einer Drehung des Formteils 2 von nur zehn
Grad, wie aus 5 und 6 anschaulich
hervorgeht.
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Mit
anderen Worten wird der Betätigungswinkel β der
Drehbewegung des Formteils 2 gegenüber den Hall-Elementen 10 durch
einen Permanentmagneten 4, welcher in einer in Bezug zur
Drehachse 6 senkrecht zur Radialrichtung angeordneten Ebene 16 radial
magnetisiert oder polarisiert ist, für die Hall-Elemente 10 magnetisch übersetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19753776
A1 [0003]
- - EP 1182461 A2 [0005, 0029]
