DE102009055104A1

DE102009055104A1 - Magnetfeldsensoranordnung zur Wegerfassung an beweglichen Bauteilen

Info

Publication number: DE102009055104A1
Application number: DE200910055104
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 69121 Welsch; Michael 74248 Kleinknecht; Mathias 71711 Kimmerle; Klaus 74321 Walter; Juergen 71701 Kissner; Joerg 74199 Siedentopf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-06-22
Also published as: CN105509775B; CN102686980B; JP2013515234A; EP2516967A2; CN105509775A; WO2011085833A2; CN102686980A; WO2011085833A3; JP5606550B2

Abstract

Es wird eine Magnetfeldsensoranordnung zur Wegerfassung an bewegten Bauteilen vorgeschlagen, bei der räumliche Komponenten des magnetischen Feldes eines Magnetsystems am bewegten Bauteil sich in ihrer Richtung über dem zu erfassenden Weg (6) ändern und dadurch deren Position gegenüber einem ortsfesten Sensor (5) entsprechend detektierbar ist. An dem linear und in einem weiteren Freiheitsgrad beweglichen Bauteil befindet sich mindestens ein Magnet (3, 4; 7; 11, 12; 14) als Bestandteil des Magnetsystems oder ein sonstiges magnetisches Bauteil, dessen äußerem Umfang in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegend mindestens ein ortsfester magnetfeldrichtungsempfindlicher Sensor (5) zugeordnet ist, wobei die Vorzugsrichtung des Magnetfeldes des Magneten (3, 4; 7; 11, 12; 14) in einem vorgegebenen Winkel zum Weg (6) zwischen null und kleiner 90° des bewegten Bauteils ausgerichtet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensoranordnung zur Wegerfassung an rotatorisch und/oder linear bewegten Bauteilen, bei der räumliche Komponenten eines magnetischen Feldes sich über dem zu erfassenden Weg ändern und entsprechend detektierbar sind, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1.
Es ist allgemein bekannt, dass zum Beispiel bei Drehzahl- und Positionssensoren, wie sie z. B. zur Steuerung von Motoren oder auch in Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, eine Drehbewegung oder Positionsänderung durch eine der Drehung oder der Positionsänderung entsprechenden Veränderung eines magnetischen Feldes erfasst wird. Hierbei werden dann in der Regel an sich bekannte Magnetsensoren eingesetzt, die je nach Anwendung und Einsatzbereich Hallsensoren, AMR-Sensoren, GMR-Sensoren, TMR-Sensoren oder allgemein XMR-Sensoren sein können.
Es ist beispielsweise aus der EP 0 0997 706 B1 bekannt, dass zur Erfassung einer linearen Position zwischen einem magnetischen Körper und einem im Hinblick auf die Magnetisierungsrichtung magnetfeldempfindlichen Sensor, der magnetische Körper im Verlauf des zu erfassenden Weges so ausgebildet ist, dass dieser über seine Länge verteilt Magnetfeldlinien in einem variierenden Winkel zur Bewegungsrichtung aufweist. Somit kann die Position, in der sich der Sensor gegenüber dem magnetischen Körper befindet, aufgrund der jeweiligen Magnetfeldrichtung bestimmt werden.
Aus der DE 199 37 206 C2 ist weiterhin bekannt, dass ein relativ zu magnetfeldempfindlichen Sensoren bewegbarerer Maßstab eine Vielzahl von einzelnen Magneten aufweist, deren Nord- und Südpole längs des Maßstabes unterschiedlich ausgerichtet sind.
Es sind bisher solche Sensoranordnungen für relativ lange Messwegerfassung gebräuchlich, wobei entweder der Sensor länger ist, als der Messweg mit aufeinanderfolgenden Messelementen entlang des Messwegs oder der Messweg ist gegenüber dem Sensor relativ lang. In beiden Fällen ergeben sich oft Probleme bei der Integration in beengte Bauräume, wie es beim Einbau in Kraftfahrzeugen, zum Beispiel bei einem Pedalweggeber beim Brems- oder Gaspedal oft der Fall ist.
Offenbarung der Erfindung
Es kann somit als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, eine räumlich optimierte Integration einer Gebereinheit zur Wegerfassung in verschiedenen Betätigungseinrichtungen zu ermöglichen. Die Erfindung geht daher von einer Magnetfeldsensoranordnung zur Wegerfassung von bewegten Bauteilen aus, bei der räumliche Komponenten des magnetischen Feldes eines magnetischen Bauteils oder Magnetsystems am bewegten Bauteil sich in ihrer Richtung über dem zu erfassenden Weg am magnetischen Bauteil ändern und dadurch die relative Position zu einem Sensor entsprechend detektierbar ist. Erfindungsgemäß befindet sich an dem im wesentlichen linear- oder auch drehbeweglichen Bauteil mindestens ein Magnet oder magnetisches Bauteil, dessem äußerem Umfang in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegend mindestens ein ortsfester magnetfeldempfindlicher Sensor zugeordnet ist, wobei das Magnetfeld des magnetischen Bauteils in einem vorgegebenen Winkel zwischen axialer und radialer Ausrichtung zur Bewegungsrichtung des bewegten Bauteils ausgerichtet ist. Der Winkelbereich der detektierbaren Magnetfeldrichtungen kann hierbei im Verlauf der Wegerfassung bis zu 200° betragen.
Beispielsweise kann bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung bei einer Pedalwegerfassung in einem Kraftfahrzeug ein magnetisiertes Bauteil auf einem Betätigungselement, z. B. bei Fahrzeugbremssystemen, montiert sein, dass sich mindestens in einer weiteren Achse zusätzlich zu einer zu detektierenden linearen Richtung, meist drehbeweglich oder in einem sonstigen Freiheitsgrad, bewegt. Damit ist die Erfindung auch für beengte Einbausituationen in einem Kraftfahrzeug geeignet und andererseits aber auch bei vielfältigen Applikationen auch außerhalb von Fahrzeugbremssystemen einsetzbar.
In vorteilhafter Weise werden zur Messung der räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes als Magnetfeldsensoren Sensoren mit Ausnutzung eines XMR-Effekts oder Hallsensoren eingesetzt, die jeweils die sich im Verlauf der linearen Bewegung oder einer Bewegung in sonstigen Freiheitsgraden sich ändernde Richtung des Magnetfeldes detektieren.
Bei der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung liegt der Winkel zur linearen Bewegungsrichtung des rotatorisch bewegten Bauteils bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in vorteilhafter Weise im Bereich von 45°. Damit weist der Magnetkreis mindestens eine Magnetisierungsrichtung auf, die zur Achse der Bewegungsrichtung unterschiedlich ist, aber nicht senkrecht zur Achse der Bewegungsrichtung steht. Durch diese sogenannte schräge Richtung des Magnetfeldes wird am Sensor ein Magnetfeld generiert, das einen relativ weiten Messbereich hinsichtlich der detektierbaren Richtungsunterschiede der Feldlinien aufweist. Bei Verwendung von mindestens zwei Magneten können die Magnetfeldrichtungen dieser Magneten jedoch auch noch voneinander abweichen.
Weist das bewegte Bauteil einen Ringmagneten auf, so ist dieser Magnetkreis rotationssymmetrisch ausgeführt und ist damit um die Achse der Bewegungsrichtung drehbar, aber ohne eine Änderung der Magnetfeldrichtung am abtastenden Sensor bei der Drehung herbeizuführen.
Der Magnetkreis für den erfindungemäßen Magnetfeldsensor besteht somit vorzugsweise auch aus mindestens einem um die Achse der linearen Bewegungsrichtung drehbeweglichen Magneten, der ein Magnetfeld generiert, das die Magnetfeldrichtung über den zu messenden linearen Weg kontinuierlich und monoton stetig verändert. Insbesondere bei langen Messwegen kann somit das Magnetsystem kürzer sein als der Messweg.
Mit der Erfindung ist ein relativ kurzer Magnetfeldsensor mit einem ebenfalls relativ kurzem Magnetsystem realisierbar, wobei jedoch ein relativ langer Messweg (Magnetfeldsensor und Magnetsystem sind kürzer als der Messweg) für Applikationen mit beengtem Bauraum erreichbar ist. Trotzdem erzeugt der hier beschriebene Magnetkreis eine größtmögliche detektierbare Änderung der Magnetfeldorientierung über den Messweg.
Die Erfindung ist mit einem flexibles Magnetsystem hinsichtlich der Anzahl der Magneten, der Magnetisierungsrichtungen (einzeln oder in Kombination) realisierbar und erlaubt einen Einsatz in unterschiedlichen Bauräumen, bei unterschiedlichen Applikationen und mit unterschiedlichen Messwegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer sogenannten Schrägmagnetisierung von zwei Einzelmagneten und einem die Magnetfeldrichtung abtastenden Sensor.
2 eine schematische Darstellung einer sogenannten Schrägmagnetisierung eines Einzelmagneten und einem die Magnetfeldrichtung abtastenden Sensor.
3 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Pedalwegmessung bei einem Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung.
4 eine detaillierte Ansicht eines Ringmagneten der Magnetfeldsensoranordnung nach der 3.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein in 1 zur Erläuterung der Erfindung schematisch dargestellter Magnetkreis besteht aus zwei einzelnen Magneten 1 und 2, deren hier in der Vorzugsrichtung schräg verlaufendende magnetische Feldlinien 3 und 4 schematisch gezeigt sind. Die magnetischen Feldlinien 3 oder 4 schneiden einen magnetfeldempfindlichen Sensor 5 (hier im gezeigten Fall eine Feldlinie 3), wobei erkennbar ist, dass die Richtung der jeweiligen Feldlinien 3 oder 4 davon abhängig ist, in welcher relativen Position sich der Sensor 5 auf der linearen Wegstrecke 6 des Magnetkreises gerade befindet. Verwendet man nun einen Sensor 5, zum Beispiel einen XMR-Sensor oder einen Hallsensor, dessen Ausgangssignal gerade von der Richtung der schneidenden Magnetfeldlinien 3 oder 4 abhängig ist, so ist mit dieser prinzipiellen Anordnung eine relative Positionsbestimmung zwischen dem Magnetkreis mit den Magneten 1, 2 und dem Sensor 5 möglich.
2 zeigt eine weitere Möglichkeit einer solchen Positionsbestimmung mit einem in der Vorzugsrichtung schräg magnetisierten Einzelmagneten 7, dessen magnetische Feldlinien 8 hier in gleicher Weise, wie bei der 1 abhängig von der Richtung der schneidenden Magnetfeldlinien 8 eine relative Positionsbestimmung zwischen dem Magneten 7 und dem Sensor 5 ermöglichen.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung gezeigt, zum Beispiel für die Pedalwegerfassung in einem Fahrzeugbremssystem, bei der in einem Sensorgehäuse 10 ein magnetfeldempfindlicher Sensor entsprechend dem Sensor 5 nach den vorhergehend beschriebenen Figuren, untergebracht ist. Der Magnetkreis weist hier zwei Ringmagneten 11 und 12 auf, die auf einer Drehachse 13 drehbeweglich und längs der Drehachse 13 linear bewegbar sind.
4 zeigt als detaillierteres Ausführungsbeispiel den Ringmagneten 11 (oder entsprechend 12), der hier in der Vorzugsrichtung 14 schräg, zum Beispiel in 45° zur Drehachse 13 nach der 3, magnetisiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 00997706 B1 [0003]
DE 19937206 C2 [0004]

Claims

Magnetfeldsensoranordnung zur Wegerfassung an bewegten Bauteilen, bei der räumliche Komponenten des magnetischen Feldes eines Magnetsystems am bewegten Bauteil sich in ihrer Richtung über dem zu erfassenden Weg (6) ändern und dadurch deren Position gegenüber einem ortsfesten Sensor (5) entsprechend detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem linear und in einem weiteren Freiheitsgrad beweglichen Bauteil sich mindestens ein Magnet (3, 4; 7; 11, 12; 14) als Bestandteil des Magnetsystems oder ein sonstiges magnetisches Bauteil befindet, dessen äußerem Umfang in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegend mindestens ein ortsfester magnetfeldrichtungsempfindlicher Sensor (5) zugeordnet ist, wobei die Vorzugsrichtung des Magnetfeldes des Magneten (3, 4; 7; 11, 12; 14) in einem vorgegebenen Winkel zum Weg (6) zwischen null und kleiner 90° des bewegten Bauteils ausgerichtet ist.
Magnetfeldsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Freiheitsgrad eine Drehbewegung um eine Drehachse (13) des beweglichen Bauteils umfasst.
Magnetfeldsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Winkel der Vorzugsrichtung des Magnetfeldes des Magneten (3, 4; 7; 11, 12; 14) 45° beträgt.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes der mindestens eine Magnetfeldsensor ein Sensor (5) mit Auswertung eines XMR-Effekts oder ein Hallsensor ist.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von hinsichtlich ihrer Magnetisierung auch unterschiedlich ausgerichteter einzelner Magnete am Umfang des bewegten Bauteils angeordnet sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am bewegten Bauteil mindestens ein Ringmagnet (11, 12) angeordnet ist, der im Verlauf seines Umfangs eine Magnetfeldrichtung aufweist, deren Vorzugsrichtung in einem vorgegebenen Winkel zum Weg (6) zwischen null und kleiner 90° des bewegten Bauteils ausgerichtet ist.
Verwendung einer Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoranordnung bei einer Pedalwegerfassung in einem Kraftfahrzeug angewendet wird.