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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Erfassung der
Position eines beweglichen Bauteils, insbesondere eines Automobilbauteils,
mit zumindest einem Gebermagneten, der mit dem beweglichen Bauteil
verbunden und bewegbar ist, und zumindest einem Magnetfeldsensor,
mittels dem die Position des zumindest einen Gebermagneten über die
Messstrecke der Messvorrichtung erfassbar ist.
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Eine
derartige Messvorrichtung basiert auf einer Magnetsensortechnologie,
bei der die Position eines Gebermagneten in Bezug auf die bzw. innerhalb
der Messvorrichtung berechnet und als Ausgangssignal ausgegeben
wird. Als Gebermagneten können
z. B. Permanent- oder Elektromagnete zum Einsatz kommen.
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Insbesondere
im Automobilbereich kommen derartige Messvorrichtungen bzw. deren
Magnetsensoren in rauen Umgebungen zum Einsatz, wobei teilweise
Umgebungstemperaturen zu beherrschen sind, die zwischen –55 Grad
C und über
165 Grad C liegen.
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Als
Magnetfeldsensoren werden im Stand der Technik u. a. HALL-Sensoren eingesetzt.
Derartige HALL-Sensoren sind vergleichs weise kostengünstig, ausreichend
empfindlich und über
weite Temperaturbereiche qualifiziert.
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Bei
bekannten derartigen Messvorrichtungen werden Messstrecken zwischen
10 mm und 35 mm mittels zweier als Magnetfeldsensoren eingesetzter
HALL-Sensoren abgedeckt. Längere
Messstrecken erfordern eine Erhöhung
der Anzahl der HALL-Sensoren.
Durch diese Kaskadierung können quasi
beliebig lange Messstrecken abgedeckt werden.
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Eine
Reduzierung der für
die Ausgestaltung der aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen
erforderlichen Anzahl von HALL-Sensoren ist dadurch beschränkt, dass
die Flussdichte des Gebermagneten mit zunehmender Entfernung von diesem
Gebermagneten sehr stark abnimmt. In den Randbereichen des durch
den Gebermagneten gebildeten Magnetfeldes reichen die Flussdichte
desselben einerseits und die Empfindlichkeit der HALL-Sensoren andererseits
nicht mehr für
eine fehlerfreie Messung aus, da sich zu dem aufgrund des Magnetfeldes
auftretenden Signal noch das Rauschen der HALL-Sensoren und der
bei einer derartigen Messvorrichtung eingesetzten AD-Wandler addieren.
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Für den Automobilbereich
kommt hinzu, dass in einem erheblichen Ausmaß mit magnetischen Störfeldern
gerechnet werden muss, die insbesondere im Bereich von Motoren,
Ventilen, Zündspulen
und Aktuatoren auftreten.
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Da
derartige Messvorrichtungen häufig
in sicherheitsrelevante Fahrzeugsysteme eingebunden sind, wird für die Ausgestaltung
derartiger Messvorrichtungen eine hohe Störfestigkeit verlangt. Da deshalb
ein maximaler Abstand für
die unterschied lichen Magnetfeldsensoren der Messvorrichtung eingehalten
werden muss, wird für
aus dem Stand der Technik bekannte entsprechende Messvorrichtungen
eine vergleichsweise große
Anzahl von Magnetfeldsensoren eingesetzt. Nur hierdurch kann gewährleistet werden,
dass eine geforderte Messstreckenlänge mit dem notwendigen Störabstand
abgedeckt wird.
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In 1 ist
eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Messvorrichtung 1 gezeigt.
Die Position eines Gebermagneten 2 wird durch zwei Magnetfeldsensoren 3, 4 erfasst,
indem diese die Flussdichte des durch den Gebermagneten 2 erzeugten Magnetfeldes
messen. Das mittels der Magnetfeldsensoren 3 bzw. 4 erfasste
Messsignal ist kennzeichnend für
die Position des Gebermagneten 2 auf der Messstrecke der
Messvorrichtung 1.
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Ausgehend
von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zur Erfassung der Position
eines beweglichen Bauteils zu schaffen, bei der mit einer erheblich
geringeren Anzahl von Magnetfeldsensoren eine genauere und zuverlässigere Erfassung
der Position des beweglichen Bauteils möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Messvorrichtung einen Flusskonzentrator aufweist, der parallel
zur Messstrecke der Messvorrichtung angeordnet und aus einem Werkstoff
ausgebildet ist, dessen Permeabilität größer als „1” ist. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen
Flusskonzentrator wird die Flussdichte des durch den Gebermagneten
der Messvorrichtung erzeugten Feldes im Bereich des zumindest einen
Magnetfeldsensors beträchtlich
erhöht.
Ursächlich
hierfür
ist, dass der aus dem eine vergleichsweise große Permea bilität aufweisenden
Werkstoff bestehende Flusskonzentrator dem durch den Gebermagneten erzeugten
magnetischen Fluss einen erheblich geringeren Widerstand entgegensetzt
als Luft. Die seitens des zumindest einen Magnetfeldsensors erfasste Messgröße wird
somit erheblich verstärkt
und trägt zu
einer erheblichen Verbesserung des Ausgangssignals des zumindest
einen Magnetfeldsensors bei. Wenn der Flusskonzentrator aus einem
ferromagnetischen Werkstoff ausgebildet ist, kann die in dem durch
den Gebermagneten erzeugten Magnetfeld herrschende Flussdichte im
Bereich der Magnetfeldsensoren sehr stark erhöht werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist
deren Flusskonzentrator aus einem Werkstoff ausgebildet, mittels
dem die Messstrecke bzw. der zumindest eine Magnetfeldsensor gegen
auf der anderen Seite des Flusskonzentrators angeordnete Störfelder
od. dgl. abgeschirmt ist. Hierdurch kann zumindest von der durch
den Flusskonzentrator abgedeckten Seite her ein Eindringen von Störfeldern
weitestgehend verhindert werden bzw. können derartige auf Störfelder
zurückgehende
Einflüsse
erheblich gedämpft
werden.
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Wenn
der Flusskonzentrator aus Stahl der Güte ST3 ausgestaltet ist, können Dämpfungen
derartiger Störungen
um einen Faktor 10 ohne weiteres erreicht werden.
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Zweckmäßigerweise
ist daher der Flusskonzentrator auf der der Messstrecke der Messvorrichtung
abgewandten Seite des zumindest einen Magnetfeldsensors angeordnet.
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Wenn
der Flusskonzentrator in einem solchen Abstand zu dem zumindest
einen Magnetfeldsensor angeordnet ist, dass Feldlinien des Magnetfeldes
des zumindest einen Gebermagneten im Bereich des zumindest einen
Magnetfeldsensors etwa senkrecht zur Längserstreckung des Flusskonzentrators
verlaufen, wird der weitere positive Effekt erreicht, dass ein höheres Ausgangssignal
der z. B. als HALL-Sensoren ausgebildeten Magnetfeldsensoren erreicht
wird, da derartige HALL-Sensoren in dieser Anordnung lediglich die
senkrecht zur Erstreckung des Flusskonzentrators angeordnete Komponente
der Flussdichte messen. Hierdurch kann der Störabstand der Messvorrichtung,
d. h. der Abstand, den die Magnetfeldsensoren einer derartigen Messvorrichtung
maximal aufweisen dürfen,
noch einmal erheblich erhöht
werden.
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Wenn
der Abstand zwischen dem Flusskonzentrator und dem zumindest einen
Magnetfeldsensor zwischen 0 und 40 mm variiert wird, kann aufgrund
dieser Variation des Abstandes gezielt Einfluss auf den Flussdichteverlauf über die
Messstrecke der Messvorrichtung genommen werden, wobei je nach Anforderungsprofil
an die Messvorrichtung der gewünschte
Abstand gewählt
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird durch
die Verwendung eines Flusskonzentrators in der Messvorrichtung sichergestellt,
dass insbesondere in den Randbereichen des durch den Gebermagneten
der Messvorrichtung erzeugten Magnetfeldes eines erheblich höhere Flussdichte
als beim Stand der Technik vorherrscht. Eine optimale Orientierung
der Feldlinien des durch den Gebermagneten erzeugten Magnetfeldes
ergibt sich, wenn der Flusskonzentrator sehr dicht zu den vorzugsweise
als HALL-Sensoren ausgebildeten Magnetfeldsensoren angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung können für jeden
Magnetfeldsensor derselben ein nur diesem zugeordneter separater
Flusskonzentrator vorgesehen sein. Hier lässt sich die Messvorrichtung
quasi beliebig so gestalten, dass für jeden Bereich der Messstrecke
die gewünschten
Ausgangssignale in der jeweils beliebig vorgebbaren Qualität zur Verfügung gestellt
werden, da durch die jeweils gezielte Ausgestaltung des jeweiligen
Flusskonzentrators der Flussdichteverlauf entlang der Messstrecke gezielt
optimiert werden kann.
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Wenn
der Flusskonzentrator geneigt zur Messstrecke der Messvorrichtung
bzw. zu der Linie, auf der die Magnetfeldsensoren angeordnet sind,
angeordnet ist, kann der Flussdichteverlauf des durch den Gebermagneten
erzeugten Magnetfeldes aufgrund der nicht parallelen Anordnung des
Flusskonzentrators flacher gestaltet werden. Bei dieser Ausführungsform
lässt sich
der begrenzte Dynamikumfang der den Magnetfeldsensoren nachgeschalteten Signalverarbeitung
gleichmäßiger nutzen.
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Bei
bestimmten Anforderungsprofilen an die erfindungsgemäße Messvorrichtung
ist es vorteilhaft, wenn die Messstrecke derselben zumindest teilweise von
dem zumindest einen Flusskonzentrator abgedeckt ist.
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Insbesondere
wenn es stark auf die Qualität der
Ausgangssignale an einem oder beiden Endabschnitten der Messstrecke
ankommt, ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Flusskonzentrator zumindest
einseitig der Messstrecke über
diese vorsteht.
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Als
Gebermagnete können
Permanent-, Elektromagnete oder Wechselstromspulen zum Einsatz kommen.
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Neben
den bereits als Magnetfeldsensoren einsetzbaren HALL-Sensoren können auch
Feldspulen als Magnetfeldsensor vorgesehen werden.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Erfassung der Position eines beweglichen Bauteils, insbesondere
eines Automobilbauteils, bei dem die Position zumindest eines mit
dem beweglichen Bauteil fest verbundenen Gebermagneten mittels zumindest
eines Magnetfeldsensors erfasst wird, werden die Feldlinien des
Magnetfelds des zumindest einen Gebermagneten mittels eines Flusskonzentrators verstärkt. Die
für den
zumindest einen Magnetfeldsensor zur Verfügung stehende Messgröße wird hierdurch
erheblich leichter und genauer erfassbar.
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Außerdem kann
die Messvorrichtung mittels des Flusskonzentrators vorteilhaft gegen
Störfelder etc.
abgeschirmt werden. Derartige Störfelder
treten insbesondere im Automobilbereich vergleichsweise häufig auf,
z. B. in der Nähe
von Motoren, Ventilen, Zündspulen
und Aktuatoren.
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Wenn
die Feldlinien des Magnetfeldes des zumindest einen Gebermagneten
im Bereich des zumindest einen Magnetfeldsensors so ausgerichtet werden,
dass das Ausgangssignal des zumindest einen Magnetfeldsensors optimiert
wird, kann die Qualität
der Ergebnisse der Weiterverarbeitung der Ausgangssignale des Magnetfeldsensors
erheblich verbessert werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Messvorrichtung zur Erfassung der Position
eines beweglichen Bauteils, wie sie etwa aus dem Stand der Technik
bekannt ist;
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2 eine
Prinzipdarstellung einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung
zur Erfassung der Position eines beweglichen Bauteils;
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3 eine
Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
zur Erfassung der Position eines beweglichen Bauteils; und
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4 eine
Darstellung der Flussdichte eines magnetischen Felds ohne und mit
Einsatz eines Flusskonzentrators.
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Eine
in 2 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 dient dazu,
die Position eines beweglichen Bauteils, insbesondere eines Automobilbauteils,
zu erfassen. Hierbei kann es sich um unterschiedlichste Bauteile,
z. B. um ein Gaspedal, um ein Motor-, ein Getriebeteil, Teile von
Stellmechanismen ud. dgl. handeln.
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Mittels
der Messvorrichtung 10 soll die jeweils aktuelle Position
des Bauteils möglichst
genau erfasst werden.
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Hierzu
ist ein Gebermagnet 11 vorgesehen, der fest an dem hinsichtlich
seiner Position zu erfassenden beweglichen Bau teil fixiert ist und
demgemäß die Bewegung
des beweglichen Bauteils mitmacht.
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Der
Gebermagnet 11 kann als Permanentmagnet, Elektromagnet
bzw. Wechselstromspule ausgebildet sein.
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Zu
der in 2 gezeigten Messvorrichtung gehören des
Weiteren zwei Magnetfeldsensoren 12, 13, die entlang
der mittels der Messvorrichtung 10 abgedeckten Messtrecke
angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren 12, 13 können als
HALL-Sensoren oder Feldspulen ausgebildet sein.
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Wenn
der Gebermagnet 11 in Bezug auf die Messstrecke bzw. auf
die fix in Bezug auf die Messstrecke der Messvorrichtung 10 angeordneten
Magnetfeldsensoren 12, 13 bewegt wird, ändert sich
das in 2 durch Linien angedeutete Magnetfeld des Gebermagneten 11.
Diese Veränderungen
des Magnetfeldes bzw. der Feldlinien werden von den Magnetfeldsensoren 12, 13 erfasst
und in entsprechende Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren 12, 13 umgesetzt.
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Wie
aus 2 hervorgeht, gehört zu der Messvorrichtung 10 ein
in der Figur unterhalb der beiden Magnetfeldsensoren 12, 13 sich
erstreckender Flusskonzentrator 14. Der Flusskonzentrator 14 ist aus
einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Stahl ST3 ausgebildet.
Da die magnetische Permeabilität
des den Flusskonzentrator 14 ausbildenden ferromagnetischen
Werkstoffs deutlich über „1” liegt, wird
die Flussdichte des vom Gebermagneten 11 im Bereich der
Magnetfeldsensoren 12, 13 erzeugten Magnetfeldes
erheblich erhöht.
Die Erhöhung
der Flussdichte kann durch entsprechende Bemessung des Abstandes
zwischen der die Magnetfeldsensoren 12, 13 verbindenden
Linie und dem sich im dargestellten Ausführungsbeispiel längs der
Messstrecke erstreckenden Flusskonzentrators 14 vorgegeben
werden. Hierdurch kann gezielt Einfluss auf den Verlauf der Flussdichte über die
Messstrecke der Messvorrichtung 10 genommen werden.
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Der
Abstand zwischen dem Flusskonzentrator 14 und der die beiden
Magnetfeldsensoren 12, 13 verbindenden Linie ist
bei der in 2 gezeigten Messvorrichtung 10 so
gewählt,
dass die Feldlinien des durch den Gebermagneten 11 erzeugten
magnetischen Feldes etwa parallel zu der in 2 angezeigten
Y-Achse verlaufen. Dies geschieht zwangsläufig in Nähe des Flusskonzentrators 14,
wenn dieser sich in Richtung der X-Achse erstreckt. Die in einem vergleichsweise
geringen Abstand zum Flusskonzentrator 14 angeordneten,
als HALL-Sensoren ausgebildeten
Magnetfeldsensoren 12, 13 messen in dieser Anordnung
nur die Y-Komponente der Flussdichte des magnetischen Feldes des
Gebermagneten 11. Durch diesen Effekt wird mittels der HALL-Sensoren
ein höheres
Ausgangssignal erzeugt. Der Abstand zwischen den Magnetfeldsensoren 12, 13 kann
somit im Vergleich zum Stand der Technik sehr groß gewählt werden.
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Des
Weiteren ist aus 2 ersichtlich, dass mittels
des Flusskonzentrators 14 die eigentliche Messvorrichtung 10 bzw.
deren Magnetfeldsensoren 12, 13 wirksam gegen
Störfelder,
Störkomponenten etc.
abgeschirmt werden können,
die – in 2 – unterhalb
des Flusskonzentrators 14 angeordnet sind. Bei der Ausgestaltung
des Flusskonzentrators 14 aus dem Stahlwerkstoff ST3 werden
derartige Störungen
um einen Faktor bis zu „10” gedämpft.
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Eine
in 3 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 unterscheidet
sich von der vorstehend anhand von 2 erläuterten
Ausführungsform
dadurch, dass der Flusskonzentrator 14 im Vergleich zu
der Verbindungslinie zwischen den Magnetfeldsensoren 12, 13 der
Messvorrichtung 10 geneigt angeordnet ist. Hierdurch kann
die seitens der Magnetfeldsensoren 12, 13 erfassbare
Flussdichte des durch den Gebermagneten 11 erzeugten magnetischen
Feldes je nach Anforderungsprofil an die Messvorrichtung 10 gestaltet,
z. B. hinsichtlich ihres Verlaufs flacher gestaltet werden. Der
begrenzte Dynamikumfang der Signalverarbeitung lässt sich dann gleichmäßiger nutzen.
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In 4 ist
zum Vergleich die seitens der Magnetfeldsensoren erfassbare Flussdichte
zum einen für
den Fall dargestellt, dass kein Flusskonzentrator 14 vorgesehen
ist, und zum anderen für
den Fall, dass – wie
bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 – ein Flusskonzentrator 14 Bestandteil der
Messvorrichtung 10 ist. Wie sich aus 4 ergibt,
ergibt sich mit dem Flusskonzentrator 14 eine beträchtlich
höhere
Flussdichte, die als Messgröße für die Magnetfeldsensoren
zur Verfügung
steht.