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Rückbeziehung auf verwandte Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht das Einreichdatum und die Offenbarung der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/281,132 vom 13. November 2009, welche hierdurch durch Rückbeziehung darauf ebenso wie auf alle Bezugnahmen in der vorläufigen Anmeldung ausdrücklich einbezogen werden.
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Drehpositions-Sensoranordnung und insbesondere eine berührungslose Drehpositions-Sensoranordnung unter Verwendung eines Hall-Effekt-Sensors.
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Hintergrund der Erfindung
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Berührungslose Drehpositions-Sensoranordnungen, welche derzeit zum Erfassen und Messen der Drehposition eines Objektes verfügbar sind, umfassen einen Magneten und einen Hall-Effekt-Sensor, der die Richtung des von dem Magneten erzeugten magnetischen Feldes in zwei Dimensionen erfassen kann. Die Verwendung eines solchen Hall-Effekt-Sensors wird zunehmend üblich, um den Winkel oder die Position der Welle des Drehpositions-Sensors zu erfassen, wenn der Magnet an eine der distalen Stirnflächen der Welle montiert werden kann, was dann ermöglicht, dass der Hall-Effekt-Sensor in Beziehung und Position axial bezüglich der Mittellinie der Welle montiert werden kann.
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Diese Anordnung ist jedoch nicht in Anwendungen möglich, bei denen ein Bauteil die Verwendung einer Durchgangswelle erfordert und das Ende der Durchgangswelle nicht für das Anbringen eines Magneten daran verfügbar ist. Die heute vorhandenen Mittel und Verfahren zum Erfassen des Winkels und der Position eines solchen Sensors an einer Durchgangswelle haben sich in mehrerer Hinsicht als einschränkend erwiesen und erfordern in einigen Anwendungen, individuell angepasste Hall-Effekt-Sensoren mit individuellen Fähigkeiten zum Messen von Magnetfeldern einzusetzen.
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Abriss der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist auf eine Drehpositions-Sensoranordnung mit einer Welle gerichtet, die einen Magnet auf der Welle, welcher einen magnetischen Fluss einer Stärke und einer Richtung erzeugen kann, einen gegenüber und mit Abstand von dem Magnet angeordneten Sensor, welcher eine Änderung der Richtung des von dem Magneten in Antwort auf eine Veränderung der Drehposition der Welle erzeugten magnetischen Flusses erfassen und messen kann, und ein Paar Magnetpolstücke aufweist, die gegenüber mit Abstand von dem Magneten und auf entgegengesetzten Seiten und mit Abstand von dem Sensor angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, den Magnetfluss über den Sensor zu leiten.
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In einer Ausführung hat jedes Magnetpolstück ein angeschrägtes Ende, das gegenüber und mit Abstand von dem Sensor angeordnet ist, um den Magnetfluss über den Sensor zu konzentrieren.
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Ferner ist in einer Ausführung der Magnet ringförmig gestaltet und umgibt die Welle, wobei jedes Magnetpolstück krummlinig ist und der Kontur der Welle folgt, und wobei der Magnet, der Sensor und die Magnetpolstücke sämtlich in einer generell koplanaren Anordnung zueinander gruppiert sind.
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Ferner nominalisieren die Magnetpolstücke gemäß der Erfindung die Stärke des Magnetflusses, welcher von dem Magnet über den vollen Bereich der Drehung der Welle relativ zum Sensor erzeugt wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführung der Erfindung sowie aus den Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen deutlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In den beiliegenden Zeichnungen, welche Teil dieser Anmeldeunterlagen bilden und in welchen gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile in der gesamten Beschreibung verwendet sind, zeigen:
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1 eine vereinfachte, vergrößerte abgebrochene perspektivische Ansicht einer Drehpositions-Sensoranordnung an einer Durchgangswelle gemäß der Erfindung;
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2 eine vereinfachte, vergrößerte Draufsicht der Drehpositions-Sensoranordnung an einer Durchgangswelle gemäß 1, wobei die Durchgangswelle in ihrer Null(0)-Grad-Drehposition gezeichnet und das Magnetfeld oder der Magnetfluss, welcher durch den Ringmagnet erzeugt und über den Sensor geleitet wird, sichtbar gemacht ist; und
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3 eine vereinfachte, vergrößerte Draufsicht auf die Drehpositions-Sensoranordnung an einer Durchgangswelle gemäß 1, wobei die Durchgangswelle in ihrer Neunzig(90)-Grad-Drehposition gezeigt und das Magnetfeld und der Magnetfluss, welcher von dem Ringmagneten erzeugt und über den Sensor mittels der Magnetpolstücke geführt wird, sichtbar gemacht ist.
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Detaillierte Beschreibung einer Ausführung
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Die 1 bis 3 zeigen eine vereinfachte Ausführung einer berührungslosen Drehpositions-Sensoranordnung 10 an einer Durchgangswelle gemäß der Erfindung, die mindestens die folgenden Schlüsselelemente: eine langgestreckte zylindrische Durchgangswelle 12, welche zum Ankuppeln an ein Bauteil (nicht gezeigt) eingerichtet ist, dessen Dreh- oder Winkelposition gemessen werden soll; einen Ringmagneten 14, der die äußere Umfangsfläche 16 der Durchgangswelle 12 umgibt und damit verbunden ist; einen Hall-Effekt-Sensorchip mit integrierter Schaltung 17, der gegenüber und mit Abstand von der äußeren Umfangsfläche 20 des Ringmagneten 14 und in einer im Wesentlichen ko-planaren Beziehung zu der horizontalen Querschnittsachse des Ringmagneten 14 positioniert ist; und ein Paar generell krummlinig geformte Magnetpolstücke 22 und 24, die gegenüber und mit Abstand von der äußeren Fläche 20 des Ringmagneten 14 gelegen und in einer generell ko-planaren Beziehung mit der horizontalen Querschnittsachse des Ringmagneten 14 und des Hall-Effekt-Sensors 17 positioniert sind.
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In der gezeigten Ausführung sind die Magnetpolstücke 22 und 24 auf entgegengesetzten Seiten und mit Abstand von dem Hall-Effekt-Sensor 17 angeordnet und so gekrümmt, dass die entsprechenden Magnetpolstücke 22 und 24 der Kontur des Ringmagneten 14 und der Welle 12 folgen.
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Insbesondere ist jedes Magnetpolstück 22 bzw. 24 eine generell ebene, gekrümmte Metallplatte mit einer generell konstanten Stärke und Breite über ihre volle Länge. Ferner sind die Magnetpolstücke 22 und 24 diametral gegenüber spiegelbildlich angeordnet und haben somit gleiche Längen, Stärke und Breite. Ferner erstreckt sich jedes der beiden krummlinigen Magnetpolstücke 22 und 24 um den Umfang des Magneten und der Welle 12 ausgehend von einem mit Abstand von den entsprechenden Stirnflächen 44 und 46 des Sensors gelegenen Stelle zu einer Stelle, die in einem Winkelabstand von neunzig Grad von dem Sensor 17 gelegen ist. Obwohl weder gezeigt noch beschrieben versteht sich, dass die Magnetpolstücke 22 und 24 an einer Fläche der Sensoranordnungs-Tragkonstruktion angebracht sein können, wie z. B. an der Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte (nicht gezeigt).
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Jedes Magnetpolstück 22 bzw. 24 hat eine krummlinige und sich längs erstreckende innere Fläche 26, die mit Abstand und gegenüber der Kontur der Außenfläche 20 des Magneten 14 angeordnet ist; eine im Wesentlichen krummlinige und in Längsrichtung sich erstreckende äußere Fläche 28, die mit Abstand von und parallel zur inneren Fläche 26 orientiert ist; und entgegengesetzte quer verlaufende Endflächen 30 und 32, die sich zwischen den Flächen 26 und 28 erstrecken und daran angrenzen.
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Die Endfläche 30 des Magnetpolstückes 22 bzw. 24 ist im Wesentlichen geradlinig und generell normal zu den Flächen 26 und 28 des jeweiligen Magnetpolstückes 22, 24 und zur Außenfläche des Magneten 14 ausgerichtet. Die Endfläche 32 jedes Magnetpolstückes 22, 24 ist gegenüber und mit Abstand von den entsprechenden entgegengesetzten Stirnflächen 44 und 46 des Sensorchips 17 angeordnet. Die Endfläche 32 unterscheidet sich von der Endfläche 30 insoweit, als die Endfläche 32 ein erstes geradliniges Segment 34, welches generell parallel zu den entsprechenden entgegengesetzten Seiten 44 und 46 des Sensors 17 verläuft, und ein zweites angeschrägtes oder abgewinkeltes Segment 36 aufweist, welches sich unter einem Winkel von etwa fünfundvierzig Grad von den entsprechenden Stirnflächen 44 und 46 des Sensors und dem ersten geradlinigen Segment 34 weg erstreckt und an der inneren Fläche 26 des jeweiligen Magnetpolstücks 22 bzw. 24 endet.
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Der Sensor 17 ist ein Hall-Effekt-Sensor mit integrierter Schaltung, der beispielsweise von der Firma Melexis-Corportion erhältlich ist; er ist zur Montage an einer Oberfläche einer Sensoranordnungs-Tragkonstruktion eingerichtet, wie z. B. an einer gedruckten Leiterplatte (nicht gezeigt); und er dient zum Erfassen von Richtungsänderungen des magnetischen Feldes (oder Flusses), welche von dem Magneten 14 in Antwort auf Änderungen der Drehposition der Welle 12 und des Magnetes 14 erzeugt werden anstatt von einer Änderung der Stärke oder Intensität des magnetischen Feldes oder Flusses, der von dem Magnet 14 erzeugt wird.
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Der Sensor 17 ist als Chip mit integrierter Schaltung ausgebildet, der eine gegenüber und von der Außenfläche 20 des Magnetes 14 beabstandete Seitenfläche 40; eine Seitenfläche 42, die entgegengesetzt und mit Abstand von der Seitenfläche 40 gelegen ist; und entgegengesetzte Stirnflächen 44 und 46, die sich zwischen den Seitenflächen 40 und 42 erstrecken. Die Stirnfläche 44 des Sensors ist gegenüber und mit Abstand von der Endfläche 32 des Magnetpolstückes 22 gelegen, während die Stirnfläche 46 des Sensors 17 gegenüber und mit Abstand von der Endfläche 32 des Magnetpolstückes 24 gelegen ist.
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2 zeigt die Erzeugung, den Bahnverlauf, die Orientierung und die Richtung ausgewählter Feld-Linien des Magnetflusses oder -feldes, das durch den Magneten 14 erzeugt wird, wenn die Nord(N)-Süd(S)-Pole des Ringmagneten 14 im Wesentlichen kolinear mit dem Sensor 17 orientiert sind, und zwar einschließend z. B. Erzeugung, Bahnverlauf, Orientierung und Richtung mindestens eines ersten Magnetflusses oder einer Feldlinie 50A vom Nordpol (N) des Magneten 14 in Richtung über den Sensor 17 in eine Orientierung und Richtung im Wesentlichen normal zu den entgegengesetzten Seitenflächen 40 und 42 des Sensors und in Orientierung und Richtung im Wesentlichen parallel zu den entgegengesetzten Stirnflächen 44 und 46 des Sensors 17 und der Endfläche 32 der entsprechenden Magnetpolstücke 22 und 24.
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In der Position gemäß 2, welche der Null(0)-Grad-Position der Welle 12 entspricht, ist die Richtung der Magnetfeld- oder Fluss-Linien 50 nicht durch die Magnetpolstücke 22 und 24 beeinflusst und verläuft radial zur Welle 12. Die Stärke des Magnetflusses oder -feldes 50 wird in dieser Position nur zu einem sehr kleinen Betrag durch das Vorhandensein der Polstücke 22 und 24 vermindert, welche einige Magnetfeld- oder Flusslinien 50 von dem Sensor 17 wegführen.
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3 zeigt die Erzeugung, den Bahnverlauf, die Orientierung und die Richtung der Magnetfeld-Flusslinien 50, wenn die Welle 12 und somit der davon getragene Ringmagnet 14 im Uhrzeigersinn um Neunzig (90) Grad von der Null(0)-Grad-Position nach 2 in die Position nach 3 gedreht ist, in welcher der Nord(N)-Pol des Magneten 14 im Wesentlichen gegenüber der Endfläche 30 des Magnetpolstücks 22 und der Süd(S)-Pol des Magneten 14 im Wesentlichen gegenüber und kolinear mit der Endfläche 30 des Magnetpolstückes 24 angeordnet sind. In dieser Orientierung erstrecken sich mehrere Magnetfeld- oder Magnetfluss-Linien 50, welche z. B. die Feld- oder Flusslinien 50A, 50B und 50C umfassen, vom Nord(N)-Pol des Magnetes 14 krummlinig über die Länge des Magnetpolstückes 22, über den Sensor 17 in einer Orientierung im Wesentlichen normal zu den Stirnflächen 44 und 46, dann krummlinig über die Länge des Magnetpolstückes 24 und danach in den Süd(S)-Pol des Magneten 14.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, wird die Richtung der Magnetfeld- oder Magnetfluss-Linien 50 nicht durch die Magnetpolstücke 22 und 24 beeinflusst und verläuft tangential zur Welle 12. Wie jedoch 3 zeigt, ist aufgrund des Vorhandenseins der Magnetpolstücke 22 und 24 benachbart dem Ringmagneten 14 und dem Sensor 17 die Stärke der Magnetfeld- oder Magnetfluss-Linien 50 über den Sensor 17 stark erhöht. Normalerweise wäre in dieser Position und in Abwesenheit von den Magnetpolstücken 22 und 24 die Stärke der Magnetfeld- oder Magnetfluss-Linien am Sensor 17 sehr gering. Jedoch leiten die Magnetpolstücke 22 und 24 in der Position nach 3 das starke Feld von Nord(N)-Pol zu Süd(S)-Pol des Magnetes 14 zu und über den Sensor 17, um so die Stärke des Magnetfeldes oder Magnetflusses am Sensor 17 vorzugsweise auf die gleiche Stärke oder Intensität des Magnetfeldes zu erhöhen, als wenn der Magnet 14 relativ zum Sensor 17 gemäß 2 orientiert wäre.
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Somit gewährleisten gemäß der Erfindung das Vorhandensein und der Einsatz der Magnetpolstücke 22 und 24, dass die gemessene Stärke oder Intensität des über den Sensor 17 geleiteten Magnetfeldes im Wesentlichen konstant bleibt, d. h. nominalisiert oder vergleichmäßigt auf einen vorbestimmten Nenn-Wert wird und nur über einen kleinen schmalen Stärkenbereich über den vollen Drehbereich der Welle 12 variiert, und zwar unabhängig von der Position der Welle 12 und des Magnetes 14 relativ zum Sensor 17, und ferner, dass nur die Richtung der Magnetfeld- oder Magnetflusslinien 50 sich verändert, wenn die Welle 12 und der Magnet 14 rotieren.
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Wie oben beschrieben, ist der Hall-Effekt-Sensor 17 von einer Bauart, welche ausschließlich die Magnetfeld-Ausrichtung im Hinblick darauf misst, dass der Sensor 17 eine nahezu konstante, nominalisierte Magnetfeldstärke über den vollen Messbereich haben muss, wie z. B. den Bereich zwischen der Null-Grad-Messposition nach 2 und der Neunzig-Grad-Messposition nach 3, und alle dazwischen liegenden Messpositionen (nicht gezeigt). Zusätzlich muss die Magnetfeld- oder Magnetflussrichtung in jeder Drehposition die Position der Welle 12 reflektieren. Im Allgemeinen wird die Richtung der Magnetfeld- oder Magnetfluss-Linien 50 nur geringfügig durch das Vorhandensein der Magnetpolstücke 22 und 24 beeinflusst. Die Bedingung der Magnetfeldausrichtung wird bereits ziemlich gut durch den Magneten 14 erfüllt. Jede kleine Richtungsänderung, welche durch die Magnetpolstücke 22 und 24 verursacht wird, führt jedoch zur Verbesserung dieses Betriebs-Aspektes.
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Gemäß der Erfindung konzentriert ferner das Vorhandensein und der Einsatz der Magnetpolstück 22 und 24 mit den entsprechend abgeschrägten Endsegmenten 36 weiterhin den Magnetfluss, der von dem Magneten 14 über dem Sensor 17 erzeugt wird.
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Zahlreiche Abwandlungen und Änderungen der beschriebenen Ausführung können ohne Abweichen von Geist und Schutzbereich der neuen Merkmale der Erfindung vorgenommen werden. Es versteht sich, dass keine Einschränkungen bezüglich der gezeigten besonderen Sensoranordnung beabsichtigt oder zu unterstellen sind. Es ist natürlich beabsichtigt, alle solche Abwandlungen abzudecken, die in den Schutzbereich der Ansprüche fallen.
