DE112010000835B4

DE112010000835B4 - Drehlagesensor

Info

Publication number: DE112010000835B4
Application number: DE112010000835.3T
Authority: DE
Inventors: Kevin Wolschlager; Robert Newman; Kim Cook
Original assignee: CTS Corp
Current assignee: CTS Corp
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP5409814B2; US20100207616A1; CN102326053B; US8692544B2; US20130241539A1; KR20110121706A; JP2014055966A; DE112010000835T5; CN102326053A; US9297637B2; US20140152296A1; JP2012518172A; WO2010096365A1; US8450999B2

Abstract

Sensoranordnung zum Erfassen der Lage eines beweglichen Gegenstandes, mit:
einem Gehäuse (22), das einen ersten und einen zweiten Hohlraum (32, 42) eingrenzt;
einer Wand (35), welche den ersten und den zweiten Hohlraum (32, 42) trennt;
einem Rotor (80) in dem ersten Hohlraum (32), wobei der Rotor (80) eine Längsachse aufweist und eine Bohrung (92) und eine gegenüber der Bohrung (92) und der Längsachse versetzte und mit Abstand angeordnete Tasche (88) eingrenzt und wobei der Rotor (80) mit dem beweglichen Gegenstand koppelbar ist;
einem Magneten (100) in der Tasche (88) in dem Rotor (80), wobei der Magnet (100) ein magnetisches Feld erzeugen kann; und
einem Sensor (29) in dem zweiten Hohlraum (42), wobei der Sensor (29) und der Rotor (80) relativ zueinander beweglich sind und der Sensor (29) dazu eingerichtet ist, das Magnetfeld zu erfassen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Lage des Magneten (100) und die Lage des beweglichen Gegenstandes angibt.

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität des Anmeldetags und der Offenbarung der U.S.-Provisional-Anmeldung Nr. 61/207,755, die am 17. Februar 2009 eingereicht wurde. Auf diese Schrift sowie alle darin zitierten Schriften wird ausdrücklich Bezug genommen.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein Positions- oder Lagesensoren und spezieller einen Sensor, der ein Hall-Effekt-Bauteil verwendet, um ein Signal zu erzeugen, das Lageinformationen angibt.
Hintergrund der Erfindung
Lagesensoren werden dazu verwendet, die Lage oder Bewegung einer mechanischen Komponente elektronisch zu überwachen. Der Lagesensor erzeugt ein elektrisches Signal, das sich ändert, wenn sich die Lage der infrage stehenden Komponente ändert. Elektrische Lagesensoren sind in vielen Produkten enthalten. Lagesensoren erlauben es zum Beispiel, den Status verschiedener Fahrzeugkomponenten zu überwachen und elektronisch zu steuern.
Ein Lagesensor muss insofern präzise sein, als er auf der Grundlage der gemessenen Position ein geeignetes elektrisches Signal abgeben muss. Wenn er ungenau ist, könnte ein Lagesensor möglicherweise die richtige Auswertung und Steuerung der Lage der überwachten Komponente behindern.
Üblicherweise besteht auch die Anforderung, dass ein Lagesensor in seiner Messung angemessen präzise ist. Die bei der Messung einer Lage benötigte Präzision variiert jedoch offensichtlich abhängig von den genauen Umständen der Verwendung. Für einige Zwecke ist nur eine ungefähre Angabe der Lage notwendig; zum Beispiel eine Angabe, ob ein Ventil überwiegend offen oder überwiegend geschlossen ist. In anderen Anwendungen kann eine präzisere Angabe der Lage notwendig sein.
Ein Lagesensor sollte in Bezug auf die Umgebung, in der er eingesetzt wird, ausreichend beständig sein. Ein Lagesensor, der in einem Fahrzeugventil verwendet wird, kann beispielsweise dauerhafter Bewegung ausgesetzt sein, während das Fahrzeug in Betrieb ist. Ein solcher Lagesensor sollte aus mechanischen und elektronischen Komponenten aufgebaut sein, die es ermöglichen, dass der Sensor während seiner voraussichtlichen Lebensdauer genau und präzise bleibt, auch wenn er erheblichen mechanischen Schwingungen und thermischen Extremen und Gradienten ausgesetzt ist.
In der Vergangenheit waren Lagesensoren üblicherweise „Kontakt”-Sensoren. Ein Kontakt-Lagesensor benötigt einen physischen Kontakt, um ein elektrisches Signal zu erzeugen. Kontakt-Lagesensoren bestehen üblicherweise aus Potentiometern, die ein elektrisches Signal erzeugen, dass als eine Funktion der Lage der Komponente variiert. Kontakt-Lagesensoren sind im Allgemeinen genau und präzise. Die Abnutzung aufgrund des Kontaktes während der Bewegung des Kontakt-Lagesensors schränkt ihre Lebensdauer jedoch unglücklicherweise ein. Auch die Reibung aufgrund des Kontaktes kann den Betrieb der Komponente verschlechtern. Darüber hinaus kann das Eindringen von Wasser in einen potentiometrischen Sensor den Sensor unbrauchbar machen.
Ein wichtiger Fortschritt in der Sensortechnologie war die Entwicklung von berührungslosen Lagesensoren. Ein berührungsloser Lagesensor („NPS”; non contacting position sensor) erfordert keinen physischen Kontakt zwischen dem Signalerzeuger und dem Sensorelement. Vielmehr verwendet ein NPS Magnete zum Erzeugen magnetischer Felder, die als eine Funktion der Lage variieren, sowie Bauteile zum Erfassen der variierenden Magnetfelder, um die Lage der zu überwachenden Komponente zu messen. Häufig wird ein Hall-Effekt-Bauteil verwendet, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das abhängig von der Größe und der Polarität des auf das Bauteil auftreffenden Magnetflusses ist. Das Hall-Effekt-Bauteil kann an der zu überwachenden Komponente physisch angebracht werden und bewegt sich dann relativ zu den stationären Magneten, wenn die Komponente sich bewegt. Umgekehrt kann das Hall-Effekt-Bauteil stationär sein, und die Magnete sind an der zu überwachenden Komponente angebracht. In beiden Fällen kann die Lage der zu überwachenden Komponente durch das elektrische Signal, welches das Hall-Effekt-Bauteil erzeugt, ermittelt werden.
Die Verwendung eines NPS hat mehrere klare Vorteile gegenüber der Verwendung eines Kontakt-Lagesensors. Da ein NPS keinen physischen Kontakt zwischen dem Signalerzeuger und dem Sensorelement erfordert, gibt es während des Betriebs weniger physische Abnutzung, woraus sich eine erhöhte Beständigkeit des Sensors ergibt. Die Verwendung eines NPS ist auch deshalb vorteilhaft, weil das Ausbleiben jeglichen physischen Kontakts zwischen den überwachten Gegenständen und dem Sensor selbst zu einer verringerten Hemmung führt.
Während die Verwendung eines NPS mehrere Vorteile hat, gibt es auch einige Nachteile, die überwenden werden müssen, um in vielen Anwendungen einen NPS als einen zufriedenstellenden Lagesensor einzusetzen. Magnetische Unregelmäßigkeiten oder Mangelhaftigkeiten können die Präzision und Genauigkeit eines NPS beeinträchtigen. Die Genauigkeit und Präzision eines NPS kann auch durch die vielen mechanischen Vibrationen und Störungen beeinflusst werden, die der Sensor erfahren kann. Da es keinen physischen Kontakt zwischen dem zu überwachenden Gegenstand und dem Sensor gibt, ist es auch möglich, dass die Ausrichtung zwischen diesen durch Vibrationen und Störungen verloren geht. Eine Fehlausrichtung kann dazu führen, dass ein an einer bestimmten Stelle gemessenes magnetisches Feld nicht so ist, wie es bei der ursprünglichen Ausrichtung wäre. Da das gemessene magnetische Feld von dem gemessenen magnetischen Feld bei richtiger Ausrichtung abweichen kann, kann die wahrgenommene Lage ungenau sein. Die Linearität der magnetischen Feldstärke und das resultierende Signal sind ebenfalls von Interesse.
Einrichtungen des Standes der Technik erfordern ferner spezielle Elektronik, um temperaturabhängige Änderungen des Magnetfeldes zu berücksichtigen. Das von einem Magnet erzeugte Feld ändert sich mit der Temperatur, und der Sensor muss zwischen Änderungen der Temperatur und der Änderungen der Lage unterscheiden können.
Die EP 1 308 692 A1 offenbart einen Drehlagesensor mit einem Gehäuse, das einen Hohlraum zur Aufnahme eines Rotors eingrenzt. In dem Rotor ist eine Tasche zur Aufnahme eines Magneten ausgebildet. Ferner ist in einem Gehäusedeckel einen Sensor aufgenommen. In der EP 1 308 692 A1 werden als Magnetsensoren Hall-Elemente verwendet, die ein Signal erzeugen, das proportional zur magnetischen Feldstärke des in dem Deckel aufgenommenen Magneten ist. Die Richtung des Magnetfeldes wird von solchen Sensoren nicht erfasst.
Die US 5,270,645 A beschreibt einen Drehsensor zur Erfassung der Winkelposition eines Gegenstandes, wobei der Sensor einen Stator und einen Rotor umfasst, die relativ zueinander gedreht werden. Der Rotor umfasst einen Magnetfluss-Konzentrator zur Erzeugung eines Magnetfeldes, und der Stator umfasst einen Hall-Sensor zur Erfassung des resultierenden Magnetfeldes.
Abriss der Erfindung
Die Erfindung sieht eine Sensoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Sensoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 8 vor. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es ist ein Merkmal an der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung zum Erfassen der Lage eines mit einer Welle gekoppelten, beweglichen Objekts anzugeben, das in einer Ausführung einen Magneten aufweist, der mit der Welle des beweglichen Objekts außermittig gekoppelt ist. Die Welle und der Magnet können sich drehen, und der Magnet kann ein Magnetflussfeld erzeugen, dessen Richtung senkrecht zu wenigstens einer Oberflächen des Magnetes ist. Ein Sensor wird in dem Gehäuse in der Nähe des Magneten gehalten. Der Magnet und der Sensor sind relativ zueinander beweglich, und der Sensor kann die Richtung des Flussfeldes erfassen und ein elektrisches Signal erzeugen, dass die Richtung des Flussfeldes, die Lage der Welle und die Lage des mit der Welle gekoppelten, beweglichen Objekts angibt.
In einer Ausführung umfasst die Sensoranordnung ein Gehäuse, und ein Rotor in dem Gehäuse grenzt eine Bohrung ein, welche die Welle des beweglichen Objekts aufnehmen kann. Der Magnet liegt in einer Tasche in dem Rotor.
In einer Ausführung umfasst der Rotor einen Kragen, und die Tasche ist relativ zu dem Kragen versetzt. Der Rotor und der Sensor liegen in dem Gehäuse wenigstens teilweise übereinander. In einer Ausführung setzt der Kragen des Rotors in einem in dem Gehäuse ausgebildeten Kragen.
In einer Ausführung umfasst der Rotor ein Gehäuse, das den Kragen wenigstens teilweise umgibt, eine Tasche für den Magneten eingrenzt und wenigstens einen Schlitz eingrenzt, der das Gehäuse in einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufteilt, wobei der zweite Abschnitt sich abhängig von einer Temperaturänderung und unabhängig von dem ersten Abschnitt biegen kann.
In einer anderen Ausführung grenzt das Gehäuse einen ersten und einen zweiten Hohlraum ein, die durch eine Innenwand getrennt sind, und der Rotor und der Sensor liegen in dem ersten bzw. dem zweiten Hohlraum wenigstens teilweise übereinander und mit Abstand zueinander. Eine erste und eine zweite Platte bedecken den ersten bzw. den zweiten Hohlraum.
In einer Ausführung erstreckt sich die Welle in das Gehäuse und in die Bohrung und den Kragen des Rotors.
In einer Ausführung ist der Magnet halbkreisförmig, umfasst eine gerade Oberfläche, und die Richtung des Magnetfelds ist im wesentlichen senkrecht zu der geraden Oberfläche des Magneten.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführung der Erfindung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten Zeichnungen, die Teil der Offenbarung bilden, werden durchgehend gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Teile verwendet.
1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Drehlagesensor gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Unteransicht des Drehlagesensors der 1, wobei eine Welle der Komponente, deren Drehlage gemessen werden soll, in Explosionsdarstellung gezeigt ist;
3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Explosionsdarstellung des Drehlagesensors der 1 und 2;
4 zeigt eine vereinfachte horizontale Schnittdarstellung des Drehlagesensors der Erfindung, entlang der Link 4-4 in 1
5A–5C zeigen Flussdiagramme zur Darstellung des von dem Magneten des Drehlagesensors gemäß der Erfindung erzeugten Flusses bei drei unterschiedlichen Messwinkeln/Magnetpositionen;
6 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine andere Ausführung eines Drehlagesensors gemäß der Erfindung;
7 zeigt eine perspektivische Unteransicht des Drehlagesensors der 6;
8 zeigt eine vereinfachte perspektivische Explosionsdarstellung des Drehlagesensors der 6 und 7;
9 zeigt eine vergrößerte, teilweise aufgebrochene perspektivische Darstellung des Rotors und des zugehörigen Magnetgehäuses, wobei der Magnet darin überformt ist;
10 zeigt eine vereinfachte horizontale Schnittdarstellung des Drehlagesensors entlang der Link 10-10 in 6; und
11A–11C zeigen Flussdiagramme des von dem Magneten des Drehlagesensors der 6–10 erzeugten Flusses bei drei unterschiedlichen Messwinkeln/Magnetpositionen.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Eine erste Ausführungsform einer Drehlagesensoranordnung 20 gemäß der Erfindung ist in den 1 bis 4 gezeigt und umfasst unter anderem ein Gehäuse 22, einen Rotor 80, einen Magneten 100 (3) und eine Leiterplatten-Sensoranordnung 120 (3 und 4).
Das Gehäuse 22 hat eine Oberseite 25 und eine Unterseite 26, die einander gegenüber liegen, und grenzt einen im wesentlichen kreisförmigen Sockel- oder Rotorabschnitt 23 und einen im wesentlichen rechtwinkligen Sensorabschnitt 29, der mit dem Sockel- oder Rotorabschnitt 23 einheitlich ist und diesem gegenüber liegt, ein. Ein Verbinderabschnitt 24 (1 und 2) erstreckt sich von einer Seite des Sensorabschnitts 29 einheitlich nach Außen. Montageflansche oder -arme 27 und 28 sind an gegenüberliegenden diagonalen Ecken des Gehäuses 22 ausgebildet und stehen von diesem nach Außen vor. Der Arm 27 steht von einer Seite des Sensorabschnitts 29 nach Außen vor, und der Arm 38 steht von einer Seite des Rotorabschnitts 23 nach Außen vor. Das Gehäuse 22 kann mittels Spritzgießen aus Kunststoff hergestellt werden.
Das Gehäuse 22 definiert zwei Abschnitte, Hohlräume oder Umfassungen. Spezieller grenzt der Sockelabschnitt 23 des Gehäuses 22 einen Rotorhohlraum 32 (3) ein, der den Rotor 80 aufnimmt, und der Sensorabschnitt 29 grenzt einen Sensor- oder Elektronikhohlraum 42 (4) ein, der die Schaltungsplattenanordnung 120 aufnimmt.
Der Rotorhohlraum 32 ist im wesentlichen zylindrisch und ist an der Seitenfläche 26 des Gehäuses angeordnet und gebildet. Der Sensorhohlraum 42 (4) ist im wesentlichen rechtwinklig und ist in der gegenüberliegenden Seitenfläche des Gehäuses 22 definiert, so dass die Hohlräume 32 und 42 derart angeordnet sind, dass sie einander auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 22 teilweise übereinander liegen.
Der Rotorhohlraum 32 (3 und 4) wird durch die Kombination einer kreisförmigen inneren vertikalen Umfangswand 34 und einer inneren horizontalen Wand oder Oberfläche 36 definiert. Die Wand 34 definiert einen äußeren Umfangsrand 40 auf der Oberfläche 26. Eine zylindrische Kragenwand 35, die eine zentrale Bohrung oder ein Durchgangsloch 37 eingrenzt, ist in der horizontalen Oberfläche 36 definiert und erstreckt sich von dieser in Richtung der Gehäuseoberfläche 25.
Der Sensorhohlraum 42 (4) wird durch die Kombination einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden, inneren vertikalen Seitenwand 44, der Kragenwand 35 und der inneren Bodenwand oder -fläche 48, die zur Seitenwand 44 senkrecht ist, definiert.
Die Seitenwand 44 definiert einen äußeren Umfangsrand 52 (4) auf der Oberseite 25. Eine im wesentlichen horizontale Trennwand 54 (4) ist in dem Inneren des Gehäuses 22 ausgebildet und trennt und isoliert zusammen mit der vertikalen Kragenwand 35 den Sensorhohlraum 42 von dem Rotorhohlraum 32. Die Trennwand 54 ist mit der Rotorhohlraumwand 34 und der Sensorhohlraumwand 44 einheitlich ausgebildet und im wesentlichen senkrecht zu diesen ausgerichtet. Die Bodenfläche 36 des Rotorhohlraums 32 liegt auf einer Seite der Trennwand 54, und die Bodenfläche 48 des Sensorhohlraums 42 liegt auf der anderen Seite der Trennwand 54.
Zwei ovale Öffnungen oder Durchgangslöcher 56 (1 bis 4) sind in den jeweiligen Flanschen 27 und 28 des Gehäuses 22 definiert und gehen durch diese hindurch. Ovale geschlossene Metalleinsätze 160 (1 bis 4) sind in den Öffnungen 56 durch Presspassung oder dergleichen montiert. Ein Befestigungselement (nicht gezeigt) ist dazu eingerichtet, durch jede der Öffnungen 56 und die Einsätze 160 hindurchzugehen und das Gehäuse 22 an einem anderen Gegenstand zu befestigen.
Der Verbinderabschnitt oder das Gehäuse 24 (2) erstreckt sich von einer der Seiten des Sensorgehäuseabschnitts 29 nach Außen. Ein Kabelstrang 66 ist mit dem Verbinderabschnitt 24 verbunden. Anschlüsse 150 (3) sind dazu eingerichtet, in dem Verbinderabschnitt 24 angeordnet zu werden, und passen zu dem Kabelstrang 66. Der Kabelstrang 66 verbindet die Sensoranordnung 20 elektrisch mit einem anderen elektrischen Schaltkreis.
Ein grundsätzlich runder Rotor 80 ist in den 2 bis 4 gezeigt und umfasst eine zentrale Platte oder Scheibe 82 mit einer horizontalen Oberseite 83, einer horizontalen Unterseite 84 und einer vertikalen, in Umfangsrichtung verlaufenden Außenseite oder Wand 85 zwischen diesen. Der Rotor 80 kann mittels Spritzgießen aus Plastik hergestellt sein.
Ein erster zylindrischer Kragen 87 erstreckt sich von dem Zentrum der Oberseite 83 der Scheibe 82 senkrecht nach Außen und definiert eine zentrale Wellenbohrung oder ein Durchgangsloch 92. Ein zweiter zylindrischer Kragen 93 erstreckt sich von dem Zentrum der Unterseite 84 der Scheibe 82 senkrecht nach Außen. Eine Wellenbohrung oder ein Durchgangsloch 92 erstreckt sich durch den Rotor 80 und spezieller nacheinander durch den Kragen 87, die Scheibe 82 und den Kragen 93.
Der Kragen 93 ist durch langgestreckte, im wesentlichen vertikale Schlitze 99 in vier Abschnitte oder Segmente 97 geteilt. Die Segmente 97 erstrecken sich mit Abstand und parallel zueinander in Umfangsrichtung um die Wand 93.
Eine außermittige oder außerhalb der Welle oder außerhalb der Achse liegende Magnetausnehmung oder Tasche 88 ist in der Scheibe 82 des Rotors 80 durch die Kombination aus einer inneren Seitenwand 39 und einer Bodenwand 90, die zu der Seitenwand 89 senkrecht ist, eingegrenzt. Die Magnettasche 88 ist in einem außermittigen Abschnitt der Scheibe 82 definiert, der zwischen der zentralen Bohrung 32 und der in Umfangsrichtung verlaufenden Außenwand 85 liegt. Ein Magnet 100 wird in der Tasche 88 aufgenommen und gelagert.
Eine Umgangsausnehmung 96 (4) ist in der Außenseite des Kragens 93 definiert und angeordnet. Ein Metallgriffring 98 (3 bis 4) umgibt den Kragen 93 und sitzt in der Ausnehmung 96 und kann eine Dichtung zwischen dem Rotor 80 und der Gehäusekragenwand 35 bereitstellen und ferner den Rotor 80 in einer senkrechten Beziehung zu dem Gehäuse 22 halten.
Die Bohrung 92 des Rotors 80 nimmt die Welle 170 des Objektes auf, dessen Drehlage gemessen werden soll. In der gezeigten Ausführung hat die Welle 170 ein Passmerkmal, wie zum Beispiel ein rechteckiges Ende 172 (2). Die Welle 170 hat auch ein gegenüberliegendes, zylindrisches Ende 171. Die Welle 170 erstreckt sich im Allgemeinen senkrecht zu und nach Außen von dem Gehäuse 22 und kann an jeder Art von Objekt befestigt werden, dessen Drehlage gemessen werden soll.
Das rechteckige Ende 172 der Welle 170 erstreckt sich durch die Rotorbohrung 92 und in das Innere des Kragens 93. Die Kompression und Biegung der Abschnitte 97 des Kragens 93 in Richtung nach Innen gegen die Außenfläche des rechteckigen Endes 172 der Welle 170 sichert die Welle 170 an dem Rotor 80.
Wie in 3, 4 und 5 gezeigt, ist der Magnet 100 im wesentlichen halbkreisförmig oder mondförmig und kann in der Tasche 88, die in der Scheibe 82 des Rotors 80 ausgebildet ist, in Bezug auf die Bohrung 92 des Rotors 80 versetzt oder achsversetzt montiert werden und wird darin durch Wärme-Verstemmen (nicht gezeigt) oder alternativ im Presssitz in Position gehalten. In der gezeigten Ausführung hat die Tasche 88 im Allgemeinen dieselbe Form wie der Magnet 100. Der Magnet 100 ist ein Permanentmagnet, der derart polarisiert ist, dass er einen Nordpol 104 und einen Südpol 105 definiert (5A bis 5C). Der Magnet 100 kann aus mehreren verschiedenen magnetischen Materialien hergestellt sein, wie Ferrit oder Samariumcobalt oder Neodym-Eisen-Bor, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Der Magnet 100 definiert eine horizontale Oberseite 101, eine horizontale Unterseite 102, die zu der Oberseite 101 einen Abstand aufweist, ihr gegenüber liegt und parallel zu ihr ist; eine gekrümmte, halbkreisförmige, vertikale Seitenfläche 103; eine gerade vertikale Seitenfläche 106, die der halbkreisförmigen Fläche 103 gegenüber liegt; und ein Paar entgegengesetzter vertikaler Stirnflächen 107 und 109, die sich zwischen den Enden der Flächen 103 und 106 erstrecken.
Der Rotor 80 sitzt im Rotorhohlraum 32 und ist für eine Drehbewegung darin derart gelagert, dass der Kragen 93 des Rotors 80 sich durch die Öffnung 37 in dem Hohlraum 32 und in dem Kragen 35 in dem Gehäuse 22 hinein erstreckt und die Scheibe 82 des Rotors 80 in dem Rotorhohlraum 32 sitzt. Eine Deckplatte 110 (2 bis 4) ist über der Oberfläche 26 und dem Rand 40 des Gehäuses 22 angebracht, bedeckt den Hohlraum 32 und somit den darin aufgenommenen Rotor 80. Die Abdeckung 110 grenzt eine zentrale Öffnung 111 und Schraubenöffnung 112 in der Nähe des Umfangs ein. Ein ringförmiger Schlitz oder eine Ausnehmung 113 ist in der Abdeckung 110 definiert und umgibt die Öffnung 111 für die Welle mit Abstand. Eine Ring- oder Stirndichtung 114 ist in den Schlitz 113 im Presssitz eingebracht. Befestigungselemente oder Schrauben 115 erstrecken sich durch die jeweilige Öffnung 111, um die Abdeckung 110 an dem Gehäuse 22 zu befestigen. Die Stirndichtung 114 bildet eine Dichtung zu einer weiteren Montagefläche (nicht gezeigt), an der das Sensorgehäuse 22 montiert werden kann. Der Kragen 87 des Rotors 80 erstreckt sich durch die Öffnung 111 in der Platte 110.
3 und 4 zeigen eine Schaltungsplatten-Sensoranordnung 120, die in dem in dem Gehäuseabschnitt 29 definierten Sensorhohlraum 42 sitzt und angebracht ist und eine im wesentlichen rechteckige gedruckte Schaltungsplatte 122 mit einer Oberseite 124, einer Unterseite 125, welche gegen den Boden 125 der Trennwand 54 anliegt, und metallisierte Durchgangslöcher 130, die sich zwischen der Oberseite 124 und der Unterseite 125 erstrecken, aufweist. Die gedruckte Schaltungsplatte 122 kann eine herkömmliche gedruckte Schaltungsplatte aus einem FR4-Material sein.
Ein Sensor 121, wie zum Beispiel ein Magnetfeldsensor, ist auf der Oberseite 124 mittels herkömmlicher Elektronikmontagetechniken, wie Löten, montiert. Der Magnetfeldsensor 121 kann ein integrierter Hall-Effekt-Schaltkreis, Modellnummer MLX90316, der Melexis Corporation, Ieper, Belgien, sein, der dazu eingerichtet ist, sowohl den Betrag als auch die Richtung eines von den Magneten 100 erzeugten Magnetfeldes oder -flusses zu messen. Andere elektronische Komponenten 126 (4), einschließlich zum Beispiel Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten und andere Arten von Aufbereitungs-, Verstärkungs- und Filtereinrichtungen sind auf der Oberseite 124 mittels herkömmlicher Elektronikmontagetechniken montiert. Der Sensor 121 sitzt vorzugsweise auf der Platte 120 derart in dem Hohlraum 42, dass er über dem Magneten 100 in der Ausnehmung 88 des Rotors 80, der in dem Hohlraum 32 sitzt, liegt. Eine Vergussmasse 136 (4), wie zum Beispiel ein Silikongel, wird über die gedruckte Schaltungsplatte 122, den Sensor 121 und die weiteren Komponenten 126 auf der Oberfläche 124 aufgebracht, um die gedruckte Schaltungsplatte 122, den Sensor 121 und die Komponenten 126 gegenüber der äußeren Umgebung abzudichten.
Mehrere L-förmige, elektrisch leitende Metallanschlüsse 150 (3) erstrecken sich auch durch eine der Gehäusewände zwischen dem Verbinder 24 an einem Ende und der gedruckten Schaltungsplatte 122 an dem anderen Ende. Insbesondere hat der Anschluss 150 Enden 151 und 152, die um einen Winkel von im wesentlichen neunzig Grad relativ zueinander gebogen sind. Obwohl dies nicht im Einzelnen gezeigt oder beschrieben ist, wird man verstehen, dass die Anschlussenden 151 an entsprechende Durchgangslöcher 130 in der gedruckten Schaltungsplatte 122 gelötet sind und dass die Anschlussenden 152 sich aus dem Gehäuse 122 heraus und in den Verbinderabschnitt 24 erstrecken, wo sie mit dem Kabelstrang 66 verbunden werden.
Eine weitere Abdeckplatte 138 (1, 3 und 4) sitzt über dem Rand 52 des Gehäuseabschnitts 29, um den Hohlraum 42 und die gedruckte Schaltungsplatte 122 darin abzudecken. Die Abdeckplatte 138 ist an dem Rand 52 des Gehäuseabschnitts 29 des Gehäuses 22 mittels Befestigungselementen oder Schrauben 139 befestigt.
Die Drehlagesensor-Anordnung 20 wird dazu verwendet, die Position oder Lage eines sich drehenden oder beweglichen Gegenstands, wie einer Welle 170 zu bestimmen, die, wie oben beschrieben, ein erstes Ende 172 aufweist, das sich durch die Öffnung 111 in der Abdeckplatte 110 und durch die Bohrung 92 in dem Rotor 80 erstreckt, sowie ein gegenüberliegendes Ende 171, das mit einer großen Vielzahl von sich drehenden oder bewegenden Gegenständen verbunden werden kann, einschließlich zum Beispiel ein Fahrzeuggetriebe.
Wie in den 4 und 5A bis 5C gezeigt, drehen sich der Rotor 80 und der Magnet 100 relativ zu dem feststehenden Sensor 121, wenn sich die Welle 170 dreht, wobei der Sensor, wie oben beschrieben, mit Abstand zu und über den Magneten 100 liegt Die innere horizontale Gehäusewand 54 und die gedruckte Schaltungsplatte 122 trennen den Sensor 121 von dem Magneten 100. Der von dem Magneten 100 erzeugte Magnetfluss geht durch die innere Gehäusewand 54 und die gedruckte Schaltungsplatte 122, und der Betrag/die Stärke und die Richtung/die Polarität des Magnetflussfeldes wird von dem Sensor 121 erfasst. Insbesondere wird man verstehen, dass der Magnetfluss abhängig von der Position des Magneten 100 und der Position, bei der die Magnetparameter (Linien des Flusses) gemessen werden, in seinem Betrag/seiner Stärke und seiner Polarität/Richtung variieren kann.
Der Sensor 121 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches sich abhängig von der Lage des Magneten 100 und der Lage der Welle 170 ändert. Wenn sich das von dem Magneten 100 erzeugte Magnetfeld (d. h. der Betrag/die Stärke und die Polarität/die Richtung) mit der Drehung der Welle 170 und des Rotors 80 ändert, ändert sich entsprechend das von dem Sensor 121 erzeugte elektrische Ausgangssignal, so dass die Lage der Welle 170 ermittelt oder bestätigt werden kann. Der Sensor 121 erfasst das sich ändernde Magnetfeld (d. h. den Betrag/die Stärke und die Polarität/Richtung) wenn sich der Magnet 100 dreht. In einer Ausführungsform ist das von dem Sensor 121 erzeugte elektrische Signal proportional zur Lage der Welle 170.
Die 5A bis 5C zeigen die Lage und Orientierung des Magnetfeldes/der Flusslinien 210 in einer horizontalen Ebene über dem Magnet 100, das über und durch den Magnetflusssensor 121 geht, bei drei unterschiedlichen Drehwinkeln oder Lagen von Welle und Magnet, nämlich null Grad (5A), fünfundvierzig Grad (5B) und neunzig Grad (5C).
Spezieller erzeugt der Magnet 100 Flusslinien 210, die von der oberen gekrümmten Nordpol-Oberfläche 103 des Magneten 100 in Richtung der gegenüberliegenden unteren, geraden Südpol-Oberfläche 105 des Magneten 100 zeigen und fließen, wobei die Flusslinien im wesentlichen gerade durch die Breite des Magneten und im wesentlichen senkrecht zu der Magnetoberfläche 105 verlaufen.
Bei dem Wellen- und Magnet-Drehwinkel oder -Lagewinkel von null Grad (5A) haben die Flusslinien oder Vektoren 210 Flussrichtungen, die im wesentlichen diagonal von der oberen linken Ecke zur unteren rechten Ecke des Magnetflusssensors 121 weisen, das heißt Flusslinien oder Vektoren, die mit einem Winkel von fünfundvierzig Grad relativ zu jeder der Seitenflächen des Sensors orientiert sind. Der Sensor 121 erfasst diese Richtung des Magnetfeldes 210 und erzeugt ein elektrisches Signal, das repräsentativ für die Flussrichtung, die Lage des Magneten 100, die Lage des Rotors 80, die Lage der Welle 170 und letztendlich die Lage des mit der Welle 170 gekoppelten Gegenstandes ist.
Bei einem Wellen- oder Magnet-Drehwinkel oder -Lagewinkel von fünfundvierzig Grad (5B) haben die Flusslinien oder Vektoren 210 Flussrichtungen, welche im wesentlichen gerade von der Oberseite zur Unterseite durch den Magnetflusssensor 121 weisen, das heißt die Flusslinien oder Vektoren sind parallel zu zwei der Seitenflächen des Sensors und senkrecht zu den anderen beiden Seitenflächen des Sensors gerichtet. Der Sensor 121 erfasst diese Richtung der Magnetfeldflusslinien 210 und erzeugt ein elektrisches Signal, das repräsentativ für die Richtung und somit für die Lage des Magneten 100 und der Welle 170 ist, wie oben beschrieben.
Bei einem Wellen- oder Magnet-Drehwinkel oder -Lagewinkel von neunzig Grad (5C) haben die Flusslinien oder Vektoren 210 eine Flussrichtung, die im wesentlichen diagonal von oberen rechten Ecke zu der unteren linken Ecke des Magnetflusssensors 121 weisen, das heißt die Flusslinien oder Vektoren sind unter einem Winkel von füfundvierzig Grad zu jeder der Seitenflächen des Sensors orientiert. Die Winkelrichtung und Orientierung der Flusslinien 210 in 5C ist der Winkelrichtung und Orientierung der Flusslinien 210 in 5A direkt entgegengesetzt.
Die vorliegende Erfindung hat mehrere Vorteile. Die Verwendung einer mittigen Bohrung 92, die sich durch den Rotor 80 erstreckt, und die Anordnung des Magneten 100 in dem Rotor 80 benachbart und außermittig zu der Welle 170 lassen zu, dass sich das Ende 172 der Welle 170 vollständig durch die Bohrung 92 und den Rotor 80 erstreckt, und ermöglichen es, dass die Sensoranordnung 20 in Anwendungen eingesetzt wird, in denen die Länge der Welle 170 in der Sensoranordnung untergebracht werden muss.
Zusätzlich ermöglicht die Montage des Rotors 80 und des Magneten 100 in einem Gehäuseabschnitt oder -hohlraum 32 getrennt von dem Hohlraum 42 für die elektronischen Komponenten (Hall-Effekt-Sensor) ein kompakteres Design so wie eine bessere Isolation, Schutz und Abdichtung der elektronischen Komponenten in dem Hohlraum 92 gegenüber den Bedingungen der äußeren Umgebung. Dadurch kann die Sensoranordnung 20 in schwierigeren Umgebungen mit hoher Wärme und Feuchtigkeit eingesetzt werden.
Die Verwendung des Hall-Effekt-Sensors in Form des integrierten Schaltkreises MLX90316 reduziert oder eliminiert ferner die Notwendigkeit einer Elektronik für die Temperaturkompensation, weil das MLX90316-Bauteil die Richtung der Magnetfeldvektoren in orthogonalen Achsen misst und diese Information zur Berechnung der Lage verwendet.
Die Halbkreis- oder Mondform des Magneten 100 sieht ferner die Erzeugung eines gleichmäßigen Flussfeldes durch den Magneten hindurch vor, dass zu jeder Zeit und unabhängig von dem Winkel oder der Lage des Magneten 100 ein Feld mit einer Richtung erzeugt, welche sich im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche 105 des Magneten 100 durch dessen Breite hindurch ausrichtet und erstreckt, um eine gleichmäßige Linearität des Ausgangssignals sicherzustellen und vorzusehen.
Die 6 bis 10 zeigen eine weitere Ausführung eines Drehlagesensors 300 gemäß der Erfindung, der unter anderem ein Gehäuse 322, einen Rotor 380, einen Magneten 400 und eine gedruckte Schaltungsplatten-Sensoranordnung 420 umfasst, wie unten mit weiteren Einzelheiten beschrieben ist.
Das Gehäuse 322 hat im Wesentlichen die Form eines halben Ovals, besteht aus Kunststoff und hat vertikale Umfangswände 324, die zwei gegenüberliegende, voneinander entfernte und im Wesentlichen parallele gerade Abschnitte 324a und 324b, einen gekrümmten Abschnitt 324c, der sich an deren Enden an die zwei geraden Abschnitte 324a und 324b anschließt, und einen geraden Abschnitt 324d, der dem gekrümmten Abschnitt 324c gegenüberliegt und an die gegenüberliegenden Enden der zwei geraden Abschnitte 324a und 324b anschließt, umfasst. Das Gehäuse 322 hat auch eine untere Fläche oder einen Boden 326, der in Verbindung mit der Wand 324 einen inneren Gehäusehohlraum 332 eingrenzt. Die Gehäusewand 324 definiert zusätzlich einen Umfangsrand 325 (8).
Eine kreisförmige Öffnung 334 (8 und 9) ist in dem Boden 326 des Gehäuses 322 bei einer Position definiert, die benachbart zu dem Gehäusewandabschnitt 324d ist und einen Abstand zu dieser aufweist. Die Öffnung 334 ist von einem Kragen 336 umgeben, der von dem Boden 326 in den Hohlraum 332 nach Außen vorsteht. Zwei zueinander mit Abstand angeordnete Pfosten oder Anschläge 336 und 338 stehen von dem Rand des Kragens 336 und der Innenfläche der Gehäusewand 324 nach Außen vor. Eine gekrümmte Wand 340 steht von dem Boden 326 des Gehäuses 322 benachbart und mit Abstand zu dem Kragen 336 nach Außen vor. Zwei gerade Wände 341 und 343 stehen ebenfalls von dem Boden 326 nach Außen vor. Die Wand 341 erstreckt sich zwischen dem Inneren des Gehäusewandabschnittes 324c und der Wand 341. Die Wand 343 erstreckt sich zwischen der Wand 340 und dem Kragen 336.
Ein abgewinkelter Montageflansch oder Bügel 342 steht von der Außenfläche des Wandabschnitts 324b des Gehäuses 322 nach Außen vor. Ein abgewinkelter Montageflansch oder Bügel 344 steht von der Außenfläche des Wandabschnitts 324a des Gehäuses 322 nach Außen vor. In der gezeigten Ausführung ist der Bügel 344 länger als der Bügel 342. Jeder der Bügel 342 und 344 definiert eine kreisförmige Öffnung oder ein Durchgangsloch 346, das einen kreisförmigen geschlossenen Einsatz 348 aufnimmt. Ein Befestigungselement (nicht gezeigt) kann sich durch jede der Öffnungen 346 und die zugehörigen Einsätze 348 erstrecken, um den Drehlagesensor 300 an einer anderen Struktur anzubringen und zu befestigen.
Ein hohler Verbinderabschnitt 348 steht von der Außenseite des Wandabschnitts 324c des Gehäuses 322 nach Außen vor. Mehrere Verbinderanschlüsse 350 (8 und 9) erstrecken sich durch entsprechende Öffnungen 327, die in der Wand 324c des Gehäuses 322 ausgebildet sind, und in den Hohlraum 332 des Gehäuses 322 hinein.
Der Rotor 380 (6–10) umfasst einen langgestreckten, im Wesentlichen zylindrischen zentralen Kragen 382, der ein inneres, im Wesentlichen zylindrisches Durchgangsloch oder Öffnung 384 eingrenzt. Ein im Wesentlichen halbkreisförmiges oder mondförmiges Magnetgehäuse 386 ist mit einem unteren Teil der Außenfläche des Kragens 382 außermittig oder achsversetzt oder versetzt gekoppelt und erstreckt sich von dieser nach Außen.
Das Magnetgehäuse 386 umfasst eine horizontale obere Fläche 388 und eine horizontale untere Fläche 390, die zu der oberen Fläche 388 mit Abstand angeordnet und parallel ist, wobei die beiden Flächen gemeinsam ein Gehäuse 386 mit einem offenen inneren Hohlraum 392 (8) zwischen sich eingrenzen. Das Magnetgehäuse 386 und speziellere seine obere und seine untere Fläche 388 und 390 umfasst eine langgestreckte, halbkreisförmige äußere Umfangskante 389, die zu dem zentralen Kragen 382 mit Abstand angeordnet ist und der Krümmung und Form des zentralen Kragens folgt. Mehrere Pfosten 391 erstrecken sich zwischen dem Rand 389 der oberen Fläche 388 und dem Rand 389 der unteren Fläche 390 mit Abstand und im Wesentlichen parallel zu diesem.
Das Magnetgehäuse 386 und spezieller seine obere und seine untere Fläche 388 und 390 definiert ferner ein Paar diametral gegenüberliegender, im Wesentlichen tränenförmiger Schlitze 395 und 397, welche das Magnetgehäuse 386 eingrenzen und in einen zentralen Rundabschnitt 399, der mit der Außenseite des Kragens 382 gekoppelt ist und sich von dieser nach Außen erstreckt, und zwei diametral gegenüberliegende, gekrümmte langgestreckte Umfangsfinger- oder Flügelabschnitte 401 und 403, welche sich von gegenüberliegenden Seiten des Sockelabschnitts 399 einheitlich nach Außen erstrecken und teilweise durch den Außenrand 389 der oberen und der unteren Fläche 388 und 390 definiert sind, teilt. Jeder der Finger 401 und 403 krümmt sich in Richtung des Kragens 382 und kann aufgrund der Trennung von dem Sockelabschnitt 399 durch die jeweiligen Schlitze 395 und 397 abhängig von Änderungen der Temperatur in Richtung auf den Sockelabschnitt 399 oder weg von diesem gebogen oder geknickt werden, wie weiter unten im Einzelnen beschrieben ist. Die Finger 401 und 403 enden in jeweils vertikalen entfernten Endwänden 387a und 387b (8), die zusammen mit der oberen und der unteren Gehäusefläche 388 und 390 eine entfernte geschlossene Tasche 405 an dem Ende jedes der Finger 401 und 403 definieren.
Der Magnet 400 (8 und 9) ist im Wesentlichen halbkreisförmig oder mondförmig, besteht aus dem selben Material wie der Magnet 100 und umfasst gegenüberliegende, zueinander mit Abstand angeordnete und parallele Ober- und Unterseiten 402 und 404; eine erste gekrümmte Umfangsseitenwand 406, die sich im Wesentlichen senkrecht zwischen der Ober- und der Unterseite 402 und 404 erstreckt und den Nordpol des Magneten definiert; eine zweite gerade Umfangsseitenwand 408, die der ersten gekrümmten Seitenwand 406 gegenüberliegt und den Südpol des Magneten definiert; und dritte und vierte, diametral gegenüberliegende gerade Umfangsseitenflächen 410 und 412, die sich zwischen den Enden der gekrümmten Seitenfläche 406 und der geraden Seitenfläche 408 erstrecken.
Das Magnetgehäuse 386 besteht aus einem Kunststoffmaterial, mit dem der Magnet 400 umformt ist, wie in 9 gezeigt, wobei die Oberseite 388 des Magnetgehäuses 386 und spezieller die Oberseite seines Sockelabschnittes 399 gegen die Oberseite 402 des Magneten 400 anliegt; die Unterseite 390 des Magnetgehäuses 386 und spezieller die Unterseite des Sockelabschnittes 399 gegen die Unterseite 404 des Magneten 400 anliegt; die Pfosten 391 des Magnetgehäuses 386 gegen die Außenfläche der gekrümmten Umfangsfläche 406 des Magneten 400 anliegen; und die Enden 410 und 412 des Magneten 400 sich in die jeweilige Tasche 402 erstrecken und um diese herum geschlungen sind, wobei die Tasche an dem entfernten Ende jedes der zugehörigen flexiblen Finger 401 und 403 des Magnetgehäuses 386 definiert ist.
Erfindungsgemäß verhindert die Form und der flexible Aufbau und die Konfiguration des Magnetgehäuses 386, dass der das Magnetgehäuse 386 bildende Kunststoff reißt oder bricht, wenn er Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Insbesondere wird man verstehen, dass Magnetmaterialen üblicherweise sehr geringe Änderungen der Abmessungen über der Temperatur erfahren, während die zum Überformen verwendeten Kunststoffe üblicherweise (im Vergleich) größere Dimensionsänderungen über der Temperatur erfahren. Wenn daher der Magnet 400 mit einer vollständigen Abdeckung aus Kunststoffmaterial überformt und Temperaturspitzen oder einem Temperaturzyklus ausgesetzt würde, wie dies für Anwendungen im Automobilbereich gefordert wird, könnten die Änderungen der Abmessungen, die für den Magneten 400 klein und für das Kunststoffmaterial größer sind, zum Reißen oder Brechen des Kunststoffmaterials und somit zu einer Bewegung oder Verschiebung des damit überformten Magneten 400 führen. Die Bewegung oder Verschiebung des Magneten 400 ist natürlich unerwünscht, weil die Position des Magneten 400 dazu dient, die Lage der Welle 170 zu erfassen und zu messen.
Die gekrümmte Form des Magnetgehäuses 386 zusammen mit dem Einbau des Sockelabschnittes 399 und der Finger 401 und 403, die durch die jeweiligen Schlitze 395 und 397 getrennt sind, erzeugt ein Magnetgehäuse 386, bei dem die Finger 401 und 403 abhängig von Änderungen der Temperatur und als Folge von Dimensionsänderungen sowohl des Magneten 400 als auch des Gehäuses 386 sich unabhängig von dem Sockelabschnitt 399 biegen und knicken können, um Belastungen auf den Oberflächen 388 und 390 des Magnetgehäuses 386 zu minimieren, wodurch wiederum das Risiko, dass das Magnetgehäuse 386 reißt oder bricht, und somit das Risiko, dass sich der darin überformte Magnet 400 bewegt oder verschiebt, minimiert werden.
Die gedruckte Schaltungsplattenanordnung 420 (8 und 10) umfasst eine gedruckte Schaltungsplatte 422 mit einem im wesentlichen rechteckigen Anschluss oder Sockelabschnitt 424 und einem damit einheitlichen oberen Sensorabschnitt 426. Der Anschlussabschnitt 424 definiert mehrere zueinander mit Abstand angeordnete, kollineare metallisierte Anschlussaufnahmen oder -durchgangslöcher 428, und der Sensorabschnitt 426 umfasst einen Sensor 430, der auf seiner Oberseite sitzt und montiert ist. Ein Schlitz 432 ist in der Platte 422 zwischen den Anschluss- und Sensorabschnitten 424 und 426 definiert.
Obwohl dies nicht im Einzelnen gezeigt oder beschrieben ist, wird man verstehen, dass die gedruckte Schaltungsplattenanordnung 420 in dem Hohlraum 332 des Gehäuses 322 auf der Außenfläche des Bodens 326 des Gehäuses 322 derart sitzt, dass sie dem Kragen 336 benachbart ist, wobei das Ende des Anschlussabschnitts 424 der gedruckten Schaltungsplatte 422 zwischen den Gehäusewänden 340 und 341 eingekeilt ist und wobei der Sensorabschnitt 426 der gedruckten Schaltungsplatte 422 zwischen der Gehäusewand 430 und dem Kragen 436 eingekeilt ist. Die Enden der jeweiligen Anschlüsse 350 werden in entsprechenden, in der Platte 422 definierten Anschlussaufnahmen 428 aufgenommen.
Der Rotor 380 seinerseits sitzt, wie in den 8 und 10 gezeigt, derart in dem Hohlraum 332 des Gehäuses 322, dass der Boden des Kragens 382 des Rotors 380 oben auf dem Rand des in dem Hohlraum 332 gebildeten Kragens 336 sitzt und die in dem Kragen 336 in dem Gehäuse 322 gebildete Bohrung 334 zu der in dem Kragen 382 des Rotors 380 gebildeten Bohrung 334 ausgerichtet ist.
Die Unterseite 390 des Magnetgehäuses 386 des Rotors 380 sitzt ihrerseits benachbart zu dem oberen Randabschnitt der Wand 340 in dem Gehäusehohlraum 332 mit Abstand und parallel zu dem Boden 332 des Gehäuses 322 und mit Abstand und über dem Sensorabschnitt 422 der Plattenanordnung 420 und spezieller über und mit Abstand zu dem Sensor 430, der auf der Oberseite der Plattenanordnung 420 montiert ist.
Die Endanschlagsflächen oder Wände 387a und 387b am Ende jedes der Finger 401 und 403 des Magnetgehäuses 436 können mit den Anschlägen 336 und 338 in dem Gehäusehohlraum 332 in Kontakt und Anlage kommen, um die Drehung des Rotors 380 und spezieller des Magnetgehäuses 386 in dem Gehäusehohlraum 332 auf insgesamt neunzig Grad zu begrenzen.
Eine Abdeckplatte 450 (6, 8 und 10) sitzt auf dem Rand 325 der Wand 324 des Gehäuses 322, um den Hohlraum 332 und spezieller die darin untergebrachte Plattenanordnung 420 und den Rotor 380 abzudecken und einzuschließen. Die Kontur der Platte 450 ist im wesentlichen die eines halben Ovals und folgt im Allgemeinen der Halbovalform des Gehäuses 322. Die Platte 450 grenzt eine im wesentlichen kreisförmige Öffnung 452 ein und umfasst eine im wesentlichen kreisförmige vertikale Innenwand 454, welche die Öffnung 452 mit Abstand umgibt und eine Ausnehmung 456 in der Platte 450 um die Öffnung 452 herum definiert.
Die Platte 450 ist mit dem Gehäuse 322 derart gekoppelt, dass die Oberseite des Kragens 382 des Rotors 380 sich durch die Öffnung 452 der Platte 450 und in die Ausnehmung 456 hinein erstreckt. Ein Abdichtring 458 sitzt in der Ausnehmung 456 zwischen dem Kragen 382 des Rotors 380 und der Wand 454 der Abdeckplatte 450, um eine Abdichtung zwischen der Platte 450 und dem Rotor 380 vorzusehen.
Obwohl dies hier nicht im einzelnen gezeigt oder beschrieben ist, wird man verstehen, dass eine Welle, die der zuvor in Bezug auf den Drehlagesensor 20 beschriebenen und gezeigten Welle 170 ähnlich ist, sich in die Sensoranordnung 300 und spezieller durch die Öffnung 434 in dem Boden 326 des Gehäuses 322 und durch die Bohrung 384 in den Kragen 382 des Rotors 380 erstrecken kann.
Obwohl dies nicht mit weiteren Einzelheiten beschrieben ist, wird man ferner verstehen, dass die Sensoranordnung 300 im wesentlichen auf die selbe Weise arbeitet wie der Sensor 20 und die selben Vorteile bietet, die oben in Bezug auf die Sensoranordnung 20 beschrieben wurden, so dass auf die vorgebende Beschreibung des Betriebs und der Vorteile der Sensoranordnung 20 im Bezug auf die Sensoranordnung 300 Bezug genommen wird.
Insbesondere gilt, dass dann, wenn die Welle 170 dreht, auch der Rotor 380 und der Magnet 400 relativ zu dem stationären Sensor 430, der mit Abstand über den Magneten 400 liegt, drehen. Das von dem Magneten 400 erzeugte Magnetfeld und spezieller wenigstens die Richtung seines Magnetfeldes werden von dem Sensor 430 erfasst. Spezieller wird man verstehen, wie oben mit Bezug auf die Sensoranordnung 20 beschrieben ist, dass das Magnetfeld abhängig von der Lage und Position, bei der die Magnetparameter (Linien oder Fluss) gemessen werden, das Magnetfeld in Betrag/Stärke und Polarität/Richtung variieren kann.
Der Sensor 430 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das sich abhängig von der Lage des Magneten 400 ändert. Wenn das von dem Magneten 400 erzeugte Magnetfeld (d. h. sein Betrag und seine Polarität/Richtung) mit der Drehung der Welle 170 und des Rotors 480 variiert, ändert sich entsprechend das von dem Sensor 430 erzeugte elektrische Ausgangssignal, so dass die Lage der Welle 170 ermittelt oder bestätigt werden kann. Der Sensor 430 erfasst das sich ändernde magnetische Feld (den sich ändernden Betrag und die Polarität/Richtung), wenn der Magnet 400 gedreht wird.
Die 11A bis 11C zeigen die Position und Ausrichtung der Magnetfeld/Flusslinien 450 in einer horizontalen Ebene über dem Magneten 400, die über und durch den Magnetflusssensor 430 gehen, bei drei verschiedenen Drehwinkeln oder -lagen zwischen Welle und Magnet, nämlich bei null Grad (11A), fünfundvierzig (11B) und neunzig Grad (11C).
Spezieller erzeugt der Magnet 400 Flusslinien 450, die von der oberen gekrümmten Nordpol-Fläche 406 des Magneten 400 in Richtung und im wesentlichen gerade durch die Breite und die gegenüberliegende gerade Südpol-Bodenfläche 408 des Magneten 400 zeigen und fließen und im wesentlichen senkrecht zu der Fläche 408 gerichtet und orientiert sind.
Bei dem Dreh- oder Lagewinkel der Welle und des Magneten von null Grad (11A) haben die Flusslinien oder Vektoren 450 Flussrichtungen, die im wesentlichen diagonal von der oberen linken Ecke zur unteren rechten Ecke des Magnetflusssensors 430 gehen, d. h. die Flusslinien oder Vektoren sind unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad relativ zu jeder der Seitenflächen des Sensors ausgerichtet. Der Sensor 430 erfasst diese Richtung des Magnetfeldes 210 und erzeugt ein elektrisches Signal, das für diese Richtung und somit für die Lage des Magneten 400 und der Welle 170 repräsentativ ist.
Bei einem Dreh- oder Lagewinkel der Welle oder des Magneten von fünfundvierzig Grad (11B) haben die Flusslinien oder Vektoren 450 Flussrichtungen, die im wesentlichen gerade von der Oberseite zur Unterseite des Magnetflusssensors 430 weisen, d. h. die Flusslinien oder Vektoren sind parallel zu zwei Seitenflächen des Sensors und senkrecht zu den anderen zwei Seitenflächen des Sensors ausgerichtet. Der Sensor 430 erfasst diese Richtung des Magnetfeldes 210 und erzeugt ein elektrisches Signal, das repräsentativ für diese Richtung und somit für die Lage des Magneten 400 und der Welle 170 ist.
Bei einem Dreh- oder Lagewinkel der Welle oder des Magneten von neunzig Grad (11C) haben die Flusslinien oder Vektoren 450 Flussrichtungen, die im wesentlichen diagonal von der oberen rechten Ecke zur unteren linken Ecke des Magnetflusssensors 430 weisen, d. h. die Flusslinien oder Vektoren sind unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad relativ zu jeder der Sensorseitenflächen orientiert. Diese Winkelrichtung und Orientierung der Flusslinien 450 in 11C ist direkt entgegengesetzt zu der Winkelrichtung und Orientierung der Flusslinien 450 in 11A.
Während die Erfindung mit Bezug auf zwei Ausführungsformen offenbart wurde, wird der Fachmann verstehen, dass Änderungen in der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die beschriebenen Ausführungen sind in jeder Hinsicht nur als Erläuterung, nicht als beschränkend zu verstehen. Der Bereich der Erfindung wird daher durch die folgenden Ansprüche und nicht durch die vorgehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die innerhalb des Wortsinns und der Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen von diesem Bereich umfasst sein.

Claims

Sensoranordnung zum Erfassen der Lage eines beweglichen Gegenstandes, mit: einem Gehäuse (22), das einen ersten und einen zweiten Hohlraum (32, 42) eingrenzt; einer Wand (35), welche den ersten und den zweiten Hohlraum (32, 42) trennt; einem Rotor (80) in dem ersten Hohlraum (32), wobei der Rotor (80) eine Längsachse aufweist und eine Bohrung (92) und eine gegenüber der Bohrung (92) und der Längsachse versetzte und mit Abstand angeordnete Tasche (88) eingrenzt und wobei der Rotor (80) mit dem beweglichen Gegenstand koppelbar ist; einem Magneten (100) in der Tasche (88) in dem Rotor (80), wobei der Magnet (100) ein magnetisches Feld erzeugen kann; und einem Sensor (29) in dem zweiten Hohlraum (42), wobei der Sensor (29) und der Rotor (80) relativ zueinander beweglich sind und der Sensor (29) dazu eingerichtet ist, das Magnetfeld zu erfassen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Lage des Magneten (100) und die Lage des beweglichen Gegenstandes angibt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei eine Welle (170) sich in das Gehäuse (22) und die Bohrung (92) des Rotors (80) erstreckt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine erste und eine zweite Platte (110, 120) den ersten bzw. den zweiten Hohlraum (32, 42) abdecken.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Hohlraum (32, 34) wenigstens teilweise übereinander liegen und von gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (22) zugänglich sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das von dem Magneten (100) erzeugte Magnetfeld eine Flussrichtung hat, die senkrecht zu wenigstens einer der Seitenflächen des Magneten (100) ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, wobei der Magnet (100) wenigstens eine erste gekrümmte Seitenfläche (103) und wenigstens eine zweite gerade Seitenfläche (105) hat, die der ersten gekrümmte Seitenfläche (103) gegenüberliegt, und die Flussrichtung senkrecht zu der zweiten geraden Seitenfläche (105) ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 6, wobei der Magnet (100) im wesentlichen halbkreisförmig ist.
Sensoranordnung zum Erfassen der Lage eines beweglichen Gegenstandes, mit: einem Gehäuse (322), das einen inneren Hohlraum (332) eingrenzt und eine Wand (326) aufweist, die eine Öffnung (334) eingrenzt; einem Sensor (430) in dem Hohlraum (332); einem Rotor (380) in dem Hohlraum (332), wobei der Rotor (380) einen Kragen (382) und eine Tasche aufweist, der Kragen (382) zu der Öffnung (334) in der Wand (326) des Gehäuses (322) ausgerichtet ist und die Tasche (392) wenigstens teilweise über dem Sensor (430) liegt; einem Magneten (400) in der Tasche (392) des Rotors, wobei der Magnet (400) wenigstens eine erste gerade Seitenfläche (408) hat und ein Magnetfeld erzeugt, das sich durch und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der ersten geraden Seitenfläche (408) des Magneten (400) erstreckt, unabhängig von der Lage des Magneten (400), und wobei der Magnet (400) wenigstens teilweise über dem Sensor (430) liegt; und wobei der Magnet (400) und der Sensor (430) relativ zueinander beweglich sind und der Sensor (430) dazu eingerichtet ist, Betrag und Richtung des Magnetfelds zu erfassen und ein elektrisches Signal abhängig von dem von dem Sensor (430) erfassten Magnetfeld zu erzeugen.
Sensoranordnung nach Anspruch 8, mit einer Platte (450), die an dem Gehäuse (322) befestigt ist und den Hohlraum (332) überdeckt, wobei die Platte (450) eine Öffnung (452) eingrenzt, die zu dem Kragen (382) des Rotors (380) ausgerichtet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Gehäuse (322) einen inneren Kragen (336) eingrenzt und der Kragen (382) des Rotors (380) gegen den Kragen (336) in dem Gehäuse (322) anliegt und relativ zu diesem dreht.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Rotor (380) ein Gehäuse (386) aufweist, das den Kragen (382) wenigstens teilweise umgibt und die Tasche (392) für den Magneten (400) eingrenzt, wobei das Gehäuse (386) wenigstens einen Schlitz (395, 397) definiert, der das Gehäuse (386) in einen ersten und einen zweiten Abschnitt teilt, wobei der zweite Abschnitt dazu eingerichtet ist, sich abhängig von einer Temperaturänderung unabhängig von dem ersten Teil zu biegen.