DE10303363A1

DE10303363A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE10303363A1
Application number: DE2003103363
Authority: DE
Inventors: Stefan Roepke; Volker Bosch; Bernd Wirnitzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19
Also published as: WO2004070321A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur berührungslosen Positionserfassung eines Sollwertgebers, insbesondere eines Sollwertgebers in einem Schalter eines Elektrogeräts, mit einem Magnetfeldsensor und einem relativ zu diesem bewegbaren Magnetfelderzeuger, der eine räumlich veränderliche magnetische Flussdichte aufweist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor (14) ein, von der magnetischen Flussdichte des Magnetfelderzeugers (12) abhängiges Ausgangssignal liefert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Sensoranordnungen zur Positionserfassung von Sollwertgebern sind bekannt. Ein solcher Sollwertgeber kann bspw. ein Drehschalter sein, dessen aktuelle Schaltstellung erfasst werden soll. Zur Positionserfassung eines Sollwertgebers kann ein Potentiometer verwendet werden, das einen mit dem beweglichen Sollwertgeber verbundenen Schleifkontakt aufweist, der über einen Schleifring oder eine gerade Abtastfläche gleitet. Hiermit kann sowohl ein Sollwertgeber eines Drehschalters als auch eines Schiebeschalters eines Elektrogeräts oder dergleichen realisiert werden. Nachteilig an diesen Schleifkontakten ist insbesondere deren begrenzte Lebensdauer sowie eine Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund von Verschleiß nach länger andauerndem Betrieb.
Soll eine Positionserfassung eines Sollwertgebers auf berührungslosem Wege erfolgen, können beispielsweise optische Abtastverfahren Verwendung finden. Zur berührungslosen Positionserfassung eignen sich weiterhin Hall-Sensoren, die als Näherungsschalter ausgebildet sein können, so dass sie bei einer Variation eines Abstandes zu einem Magnetfelderzeuger bzw. bei einer bestimmten Magnetfeldstärke ein Signal liefern.
Vorteile der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur berührungslosen Positionserfassung eines Sollwertgebers weist einen Magnetfeldsensor und einen Magnetfelderzeuger auf, die relativ zueinander bewegbar sind. Der Magnetfelderzeuger liefert ein Magnetfeld mit einer räumlich variablen Magnetfeldstärke bzw. Flussdichte. Diese nimmt insbesondere mit zunehmendem Abstand vom Magnetfelderzeuger ab. Der Magnetfeldsensor kann somit ein von der magnetischen Flussdichte des Magnetfelderzeugers und damit vom Abstand zu diesem abhängiges Ausgangssignal liefern. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung eignet sich insbesondere als Sollwertgeber in einem Schalter eines Elektrogeräts o. dgl., wo er zur berührungslosen Erfassung einer Schalterstellung dienen kann. Vorteilhaft an der Anordnung ist u.a. die verschleißfreie und damit alterungsbeständige Abtastung der Stellgliedposition, die zudem mit hoher Exaktheit und Auflösung ermöglicht ist.
Der Magnetfeldsensor kann insbesondere ein Hallgeber sein, in dem eine Spannung erzeugt wird, die von der magnetischen Flussdichte abhängt, die ihn durchsetzt. Die erzeugte Spannung liefert somit unmittelbar einen Wert für die magnetische Flussdich te an der Sensorposition. Derartige Hallgeber sind sehr kompakt und liefern präzise Messwerte.
Als Magnetfelderzeuger kann insbesondere ein Permanentmagnet oder eine stromdurchflossene Spule eingesetzt werden. Sowohl ein Permanentmagnet als auch eine Spule liefern ein Magnetfeld, das einerseits von der geometrischen Form des Magnetfelderzeugers als auch von einem räumlichen Abstand zu diesem abhängt. Mit zunehmendem Abstand schwächt sich die Magnetfeldstärke bzw. die Flussdichte ab, so dass der Abstand als Maß für die Position des Sollwertgebers bzw. des Stellglieds verwendet werden kann.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das der Magnetfelderzeuger mit dem Sollwertgeber bzw. dem Stellglied gekoppelt und dass der Magnetfeldsensor bzw. der Hallgeber ortsfest angeordnet ist.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Magnetfelderzeuger ortsfest angeordnet und dass der Magnetfeldsensor bzw. der Hallgeber mit dem Sollwertgeber gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Abstand zwischen dem Magnetfelderzeuger und dem Magnetfeldsensor bzw. dem Hallgeber variabel, so dass die mit zunehmendem Abstand abnehmende Flussdichte als ein Maß für die Position des Sollwertgebers bzw. des Stellglieds verwendet werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Magnetfelderzeuger relativ zum ortsfesten Sensor drehbar sein, so dass die von der ge ometrischen Form des Magnetfelderzeugers abhängige Flussdichte zur Erzeugung eines variablen Sensorsignals genutzt werden kann. Hierbei steht der Effekt im Vordergrund, dass sich die Richtung des den Sensor durchsetzenden magnetischen Flusses ändert. Somit ändert sich auch die den Sensor senkrecht durchsetzende Komponente des Flusses und somit die vom Sensor erfasste Flussdichte.
Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung sieht eine Verschiebbarkeit des Magnetfelderzeugers bzw. des Permanentmagneten quer zum Magnetfeldsensor bzw. zum Hallsensor vor. Mit variablem Abstand des Magneten zum Hallgeber ändert sich die von diesem erfasste magnetische Flussdichte, wobei hier der Effekt im Vordergrund steht, dass sich die Richtung des den Sensor durchsetzenden magnetischen Flusses ändert. Somit ändert sich auch die den Sensor senkrecht durchsetzende Komponente des magnetischen Flusses und somit die vom Sensor erfasste Flussdichte.
Alternativ zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann auch der magnetische Fluss des ortsfesten oder bewegbaren Magnetfelderzeugers variiert werden, bspw. durch Verschiebung eines Eisen- oder Ferritelements innerhalb des magnetischen Kreises. Es kann auch eine Beeinflussung, d.h. eine Ablenkung und/oder Führung des magnetischen Flusses durch den Sensor oder am Sensor vorbei vorgesehen sein. Dies kann zweckmäßigerweise mittels eines Eisen- oder Ferritelements erfolgen.
Der Sollwertgeber bzw. das Stellglied kann bspw. ein Drehwertgeber oder ein Linearwertgeber sein. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung eignet sich somit für unterschiedliche Ausgestaltungen berührungslos abtastender Sollwertgeber.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Effekt des von einem Permanentmagneten oder einer Spule erzeugten Magnetfeldes, dessen Flussdichte mittels eines Sensors, insbesondere eines Hallsensors erfasst werden kann. Die den Sensor senkrecht bzw. in aktiver Richtung bzw. in Richtung seiner größten Empfindlichkeit durchsetzende Komponente der Flussdichte ändert sich je nach Stellung des Magneten bzw. der Spule und des Sensors zueinander sowie mit deren Abstand voneinander. Wenn im vorliegenden Zusammenhang von einer linearen Abhängigkeit des Hallsignals die Rede ist, ist damit nicht notwendigerweise der lineare Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte und Sensorausgangsspannung gemeint, sondern vielmehr der Sachverhalt, das die Sensorausgangsspannung mit zunehmender Flussdichte größer bzw. mit abnehmender Flussdichte kleiner wird. Dieser Effekt steht im Gegensatz zu sog. schaltenden Hallsensoren mit den zwei Ausgangssignalpegeln „1" und „0", die somit nicht als Dreh- oder Linearwertgeber eingesetzt werden können, sondern lediglich als berührungslose Schalter oder Grenzwertgeber o. dgl.
Wenn zudem im vorliegenden Zusammenhang von einer berührungslosen Erfassung einer Stellbewegung die Rede ist, so bezieht sich das lediglich auf das Sensorprinzip. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass innerhalb der Sensoranordnung eine schleifende Berührung von Bauteilen möglich ist, ohne dass das Prinzip der berührungslosen Positionserfassung dadurch verletzt ist. So können im Sollwertgeber bspw. Kunststoffbuchsen o. dgl. vorgesehen sein, die berührend aufeinander gleiten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung und
2 bis 4 weitere alternative Varianten einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 verdeutlicht eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die ein linear bewegliches Stellglied bzw. einen linear beweglichen Sollwertgeber 10 sowie einen ortsfesten Magnetfeldsensor 14 umfasst. Der Sollwertgeber 10 kann bspw. ein Linearwertgeber eines Schalters oder Schiebers eines Elektrogeräts o. dgl. sein. Der Sollwertgeber 10 umfasst einen Magnetfelderzeuger 12, der im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Permanentmagnet 13 ist. Dieser erzeugt ein räumlich verteiltes und nicht konstantes Magnetfeld, dessen magnetische Flussdichte mittels der beispielhaft eingezeichneten Magnetfeldlinien 20 angedeutet ist.
Der Magnetfeldsensor 14 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Hallgeber 16, der eine veränderliche Ausgangsspannung liefert, die von der magnetischen Flussdichte des Magnetfelderzeugers 12 abhängt. Wird dieser in linearer Richtung zum Magnetfeldsensor 14 bzw. von diesem weg bewegt, so ändert sich das Sensorausgangssignal entsprechend. Der Hallgeber 16 liefert somit einen variablen Spannungswert, der vom Abstand des Permanentmagneten 13 zum Magnetfeldsensor 14 abhängt.
Die erste Variante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zeigt einen linear verschiebbaren Magnetfelderzeuger 12, der in Richtung auf einen Magnetfeldsensor 14 zu oder von diesem weg bewegt werden kann. Der Magnetfeldsensor 14 befindet sich hierbei auf der Achse der Verschiebebewegung, so dass der Hallgeber 16 unmittelbar die abstandsabhängige magnetische Flussdichte des Permanentmagneten detektieren kann.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bei welcher der Magnetfelderzeuger 12 des Sollwertgebers 10 quer zum Magnetfeldsensor 14 verschiebbar ist. Auch hier kann der Magnetfelderzeuger 12 insbesondere ein Permanentmagnet 13 sein. Der Magnetfeldsensor 14 umfasst auch hier vorzugsweise einen Hallgeber 16, der eine variable magnetische Flussdichte des Mag netfelderzeugers detektieren kann. Mit variablem Abstand des Magneten 13 zum Hallgeber 16 ändert sich zwangsläufig auch die von diesem erfasste magnetische Flussdichte. Allerdings steht hierbei der Effekt im Vordergrund, das sich die Richtung des den Sensor 14 durchsetzenden magnetischen Flusses ändert, wie dies anhand der gekrümmten Magnetfeldlinien 20 erkennbar ist. Somit ändert sich auch die den Sensor 14 senkrecht durchsetzende Komponente des magnetischen Flusses und somit die vom Sensor 14 bzw. vom Hallgeber 16 erfasste Flussdichte.
Alternativ zu den in 1 und 2 gezeigten Sensoranordnungen mit fest stehendem Magnetfeldsensor 14 und verschiebbarem Magnetfelderzeuger 12 kann auch eine umgekehrte Anordnung gewählt werden, bei welcher der Magnetfelderzeuger 12 ortsfest angeordnet und der Magnetfeldsensor 14 relativ zu diesem verschiebbar ist. In diesem Fall ist der Magnetfeldsensor 14 mit dem verschiebbaren Stellglied 10 gekoppelt.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bei welcher der Magnetfeldsensor 14 mit dem Hallgeber 16 wiederum ortsfest und der Magnetfelderzeuger 12 des Sollwertgebers 10 beweglich angeordnet ist. Allerdings ist hierbei der Sollwertgeber 10 bzw. das Stellglied drehbar und nicht verschiebbar angeordnet. Der Magnetfelderzeuger 12 bzw. der Permanentmagnet 13 kann hierbei in festem Abstand zum Magnetfeldsensor 14 um seine Achse rotieren, so dass sich die Magnetfeldlinien 20 und damit der am Magnetfeldsensor 14 erfasste magnetische Fluss jeweils ändert, je nachdem, welche Winkelstellung das Stellglied aktuell einnimmt.
Die in 3 gezeigte Sensoranordnung eignet sich insbesondere für einen Drehwertgeber eines Drehschalters o. dgl., der eine berührungslose Erfassung der Winkelstellung des Schalters ermöglicht. Auch hier kann in einer alternativen Ausbildung der Magnetfelderzeuger 12 ortsfest angeordnet und der Magnetfeldsensor 14 drehbar ausgebildet und mit dem Sollwertgeber 10 verbunden sein.
Eine Kombination der Messprinzipien kann darin bestehen, dass der Magnetfelderzeuger 12 sowohl linear verschiebbar als auch drehbar ist. Allerdings ist hierbei die Erfassung der aktuellen Position des Sollwertgebers 10 schwieriger, da der Hallgeber 16 lediglich eine resultierende magnetische Flussdichte zu erfassen vermag, die in diesem Fall von einer unterschiedlichen Winkelstellung des Magnetfelderzeugers 12 als auch von dessen variablem Abstand zum Magnetfeldsensor 14 herrühren kann.
4 zeigt schließlich eine alternative Ausbildung des Magnetfelderzeugers 12, der in diesem Fall keinen Permanentmagneten, sondern eine Spule 22 umfasst, die mittels Spannungsbeaufschlagung ein veränderliches Magnetfeld erzeugen kann. Dieses Magnetfeld ist darüber hinaus durch Verschiebung eines Flussleitelements veränderbar. Als derartiges Flussleitelement kommt bspw. ein verschiebbares Flussleitblech oder ein verschiebbarer Kern 24 in Frage. Der Kern 24 kann bspw. aus Eisen- oder Ferritmaterial bestehen. Dieses Flussleitelement sorgt für eine gewünschte Führung oder Ablenkung des magnetischen Flusses.
Bei der gezeigten Sensoranordnung kann wahlweise die Spule 22 und/oder der Kern 24 mit dem Sollwertgeber 10 verbunden sein, so dass das am Magnetfeldsensor 14 erfasste Sensorsignal von dessen Abstand oder Winkelstellung zum Sensor 14 abhängt.
Die in 4 gezeigte alternative Ausbildung des Magnetfelderzeugers 12 kann wahlweise für alle drei zuvor beschriebenen Varianten der Sensoranordnung verwendet werden.

Claims

Sensoranordnung zur berührungslosen Positionserfassung eines Sollwertgebers, insbesondere eines Sollwertgebers in einem Schalter eines Elektrogeräts, mit einem Magnetfeldsensor und einem relativ zu diesem bewegbaren Magnetfelderzeuger, der eine räumlich veränderliche magnetische Flussdichte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (14) ein, von der magnetischen Flussdichte des Magnetfelderzeugers (12) abhängiges Ausgangssignal liefert.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (14) ein, von der den Sensor (14) senkrecht bzw. in aktiver Richtung bzw. in Richtung seiner größten Empfindlichkeit durchsetzende Komponente der magnetischen Flussdichte des Magnetfelderzeugers (12) abhängiges Ausgangssignal liefert.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (14) ein Hallgeber (16) ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (12) ein Permanentmagnet (13) ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (12) eine Spule (22) ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (12) mit dem Sollwertgeber (10) gekoppelt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (14) bzw. der Hallgeber (16) ortsfest angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (14) bzw. der Hallgeber (16) mit dem Sollwertgeber (10) gekoppelt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (12) ortsfest angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem Magnetfelderzeuger (12) und dem Magnetfeldsensor (14) bzw. dem Hallgeber (16) variabel ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger (12) relativ zum ortsfesten Magnetfeldsensor (14) bzw. Hallgeber (16) drehbar ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Flussdichte des ortsfesten oder bewegbaren Magnetfelderzeugers (12) variabel ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sensor (14) in aktiver Richtung durchsetzende Komponente der magnetischen Flussdichte variabel ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Flussdichte des Magnetfelderzeugers (12) mittels eines relativ zu diesem bewegbaren Flussleitelements veränderbar ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Flussdichte des Magnetfelderzeugers (12) mittels eines relativ zu diesem bewegbaren Kerns (24), insbesondere eines Eisen- oder Ferritelements veränderbar ist.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertgeber (10) ein Drehwertgeber ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwertgeber (10) ein Linearwertgeber ist.