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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf berührungslose Positionsaufnehmer,
insbesondere auf einen linearen magnetischen Positionsaufnehmer
mit einer Feldsonde zum Erzeugen eines Sensorsignals in Antwort
auf eine geometrische Lage eines magnetischen Indikatorelements
mit Bezug auf diese Feldsonde. Weiterhin bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf einen Vakuumaktuator mit einer flexiblen Membran,
die zwischen zwei Druckreservoirs angeordnet ist und deren Position
von einem berührungslosen
Positionsaufnehmer überwacht wird.
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Berührungslose
magnetische Positionsaufnehmer, insbesondere solche für die Detektion
einer Linearbewegung, finden insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik
zunehmend Anwendung. Dabei basiert das Grundprinzip darin, mit Hilfe
einer magnetischen Feldsonde, beispielsweise eines Hallelements,
die Änderung
des Magnetfelds zu messen, die auftritt, wenn ein mobiles magnetisches
Indikatorelement seine geometrische Lage in Bezug auf die Feldsonde ändert. Das
Indikatorelement ist mit dem Objekt, dessen Positionsänderung
erfasst werden soll, verbunden und die Feldsonde liefert ein elektrisches
Ausgangssignal, das leicht weiterverarbeitet werden kann.
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Insbesondere
im Zusammenhang mit der Betätigung
von Lüfterklappen,
Bremsbetätigung
oder verschiedenen Ventilen, werden in der Automobiltechnik heutzutage
so genannte Vakuumaktuatoren eingesetzt. Dabei arbeitet ein solcher
Vakuumaktuator auf dem Prinzip, dass eine flexible Membran zwei Druckreservoirs
voneinander trennt und durch eine Reduzierung des Drucks auf einer
Seite gegenüber dem
Druck auf der anderen Seite die Membran in Richtung des niedrigeren
Drucks ausgelenkt wird. Die Überwachung
im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises geschieht über die
Messung der tatsächlich
erfolgten Membranauslenkung durch einen berührungslosen Positionsaufnehmer.
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Im
Zusammenhang mit herkömmlichen
linearen magnetischen Positionsaufnehmern besteht aber bei den bekannten
Anordnungen das Problem, dass zum einen die Aus gangskennlinie, d.
h. das durch die Positionsänderung
verursachte Ausgangssignal in Abhängigkeit von der relativen
Positionsänderung
aus einer Nulllage heraus, eine zu geringe Linearität aufweist.
Anordnungen, deren elektrisches Ausgangssignal eine verbesserte
Linearität
hat, besitzen dagegen den Nachteil, dass sie sehr aufwendig in der
Herstellung und nicht robust und stabil genug im Betrieb, insbesondere
bei einem Einsatz im Kraftfahrzeug, sind.
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Demzufolge
besteht das Bedürfnis
nach einem einfach und robust aufgebauten linearen magnetischen
Positionsaufnehmer, der eine verbesserte Linearität seiner
Ausgangskennlinie aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Dabei
basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, bei einem linearen
magnetischen Positionsaufnehmer mit einer Feldsonde zum Erzeugen
eines Sensorsignals in Antwort auf eine geometrische Lage eines
beweglichen magnetischen Indikatorelements als Indikatorelement
einen im Wesentlichen rohrförmigen
Permanentmagneten, der in einer Richtung entlang einer Längsachse
des Rohrs beweglich ist, zu verwenden. Mindestens zwei ferromagnetische Flussleitkörper sind
entlang der Längsachse
im Inneren des rohrförmigen
Permanentmagneten angeordnet und definieren einen Luftspalt, in
welchem die Feldsonde angeordnet ist.
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Dadurch,
dass ein beweglicher rohrförmiger Permanentmagnet
als Indikatorelement eingesetzt wird, ist die Herstellung und Montage
des erfindungsgemäßen Positionsaufnehmers
besonders einfach. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Anordnung
unempfindlich gegen radiale Toleranz, Verkippen und Taumelbewegungen
des Magneten. Die Anordnung der Feldsonde in einem Luftspalt zwischen
zwei ferromagnetischen Flussleitkörpern im Inneren des rohrförmigen beweglichen
Permanentmagneten ermöglicht
eine sehr weitgehend lineare Abhängigkeit zwischen
dem erzeugten und messbaren Magnetfeld und der Auslenkung des Indikatorelements.
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Die
prinzipimmanente Linearität
erlaubt es, auf in der Signalverarbeitung angesiedelte aufwendige
Linearisierungstechniken zu verzichten, und somit wird die Genauigkeit
eines solchen Positionsaufnehmers erhöht und seine Herstellungskosten
werden reduziert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform hat
das Indikatorelement die Gestalt eines Hohlzylinders. Dies stellt
eine herstellungstechnisch einfache Form dar und ermöglicht ein
rotationssymmetrisches Magnetfeld, das möglichst wenig von Toleranzschwankungen
abhängt.
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Magnetisiert
man das Indikatorelement in einer Richtung quer zu der Längsachse
und damit quer zur Bewegungsrichtung, kann in vorteilhafter Weise im
Zusammenspiel mit der Führung
des magnetischen Flusses durch die Flussleitkörper eine lineare Änderung
der Flussdichte in der Feldsonde bei axialer Bewegungsrichtung des
Magneten erreicht werden. Dabei ist es unerheblich, wie die Polrichtung
gewählt
wird.
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Für eine optimale
Führung
der Magnetfeldlinien in der Gesamtanordnung sollten das Außenprofil
der Flussleitkörper
und das Innenprofil des Indikatorelements in ihrem Querschnitt zueinander
korrespondieren. Im Falle eines hohlzylindrischen Permanentmagneten
weisen die Flussleitkörper
demnach eine zylinderförmige
Gestalt auf und sind konzentrisch im Inneren des Permanentmagneten
angeordnet. Selbstverständlich
können
aber auch beliebige anders geformte Querschnitte verwendet werden.
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Je
nach Anwendung kann die Nullposition des Permanentmagneten mit Bezug
auf die Feldsonde in weitem Rahmen beliebig gewählt werden. Um eine größtmögliche Sensitivität in zwei
Auslenkungsrichtungen zu erreichen, wird die Position der Feldsonde
in vorteilhafter Weise in der Mitte der Gesamtlänge des rohrförmigen Permanentmagneten
festgelegt.
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Eine
optimale Führung
des Magnetfeldes erreicht man, indem die Längenabmessungen des beweglichen
Permanentmagneten und der die Feldsonde umgebenden Flussleitkörper so
gewählt
werden, dass die gesamte Weglänge
der beiden Flussleitkörper
länger
ist als die Länge
des Permanentmagneten.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Feldsonde um ein
Hallelement. Die Verwendung eines Hallelements bietet den Vorteil,
dass Hallelemente sehr empfindlich auf Änderungen des magnetischen
Flusses ansprechen und somit bereits kleine Bewegungen des Indikatorelements
erfasst werden können.
Die Kennlinie des eigentlichen Hallsensors, d. h. die Abhängigkeit
des elektrischen Ausgangssignals von der auftretenden B-Feldänderung,
lässt sich auf
sehr einfache Weise durch Anpassung der elektrischen Hallsensorbeschaltung
oder durch Programmierung der Auswerteelektronik an die vorgegebenen
Anforderungen anpassen.
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Als
Feldsonde können
in der erfindungsgemäßen Anordnung
beliebige bekannte Hallelemente auf der Basis von Indiumantimonid,
Indiumarsenid oder Galliumarsenid verwendet werden. Aufgrund des
geringen Temperaturkoeffizienten und des geringen Widerstandes,
ist ein Hallsensor auf der Basis von Indiumarsenid vorteilhaft.
Beispielsweise können so
genannte Transversalsensoren eingesetzt werden, bei denen ein Hallplättchen so
in einem flachen quaderförmigen
Gehäuse
angeordnet ist, dass ein B-Feld senkrecht zu den beiden großen Gehäuseflächen gemessen
wird. Die erfindungsgemäße Anordnung
kann aber auf andere Formen und Materialien ebenfalls angewendet
werden.
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So
bieten Hallelemente auf Siliziumbasis den Vorteil, dass sie sehr
wirtschaftlich herstellbar sind und aufgrund ihrer Kompatibilität zu Standard-Herstellungsprozessen
der Halbleitertechnologie, wie beispielsweise CMOS-Prozessen, auf
einfache Weise eine Integration der Auswerteelektronik ermöglichen
(„intelligenter" Sensor).
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Die
vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionsaufnehmers
kommen besonders dann zum Tragen, wenn der Positionsaufnehmer in
einem Vakuumaktuator eingesetzt wird und das Indikatorelement mit
einer flexiblen Membran, deren geometrische Lage sich in Abhängigkeit
von einer Druckdifferenz zwischen zwei Druckreservoirs einstellt,
verbunden ist.
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Anhand
der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen
wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende
Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:
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1 eine
perspektivische geschnittene Darstellung eines linearen magnetischen
Positionsaufnehmers gemäß einer
ersten Ausführungsform sowie
eine schematische Darstellung der in Abhängigkeit von der Auslenkung
des Permanentmagneten entstehenden B-Feldänderung;
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2 eine
Draufsicht auf den erfindungsgemäßen linearen
magnetischen Positionsaufnehmer;
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3 eine
perspektivische geschnittene Darstellung eines linearen magnetischen
Positionsaufnehmers gemäß der ersten
Ausführungsform
entlang der Schnittlinie A-A aus 2;
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4 eine
schematische Draufsicht auf einen hohlzylindrischen Permanentmagneten
mit einer ersten magnetischen Polarisierung;
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5 eine
schematische Draufsicht auf einen hohlzylindrischen Permanentmagneten
mit einer zweiten magnetischen Polarisierung;
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6 eine
schematische Darstellung des B-Feldes und der B-Feldänderung
in Abhängigkeit von
der Auslenkung des Permanentmagneten bei einem Positionsaufnehmer
gemäß einer
zweiten vorteilhaften Ausführungsform.
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1 zeigt
in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Positionsaufnehmer 100 zusammen
mit einer Darstellung des erzeugten B-Feldes in y-Richtung abhängig von der
zu messenden Auslenkung y. Dabei umfasst der Positionsaufnehmer 100 als
Indikatorelement 102 einen hohlzylindrischen Permanentmagneten.
Wie schematisch angedeutet, ist der Permanentmagnet 102 radial
magnetisiert und, wie durch die Auslenkungspfeile 104, 106 angedeutet,
um eine Nulllage y0 linear verschieblich
gelagert. Zur Detektion der auftretenden Magnetfeldänderungen
ist als Feldsonde ein Hallelement 108 vorgesehen.
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Das
Hallelement befindet sich in einem Luftspalt 110, der zwischen
zwei Flussleitkörpern 112, 114 definiert
ist. Die Flussleitkörper 112, 114 sind
aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt und haben die Gestalt
von Zylindern. Sie sind, wie aus der Darstellung der nachfolgenden 2 ersichtlich,
in radialer Richtung mittig in dem Permanentmagneten 102 angeordnet
und definieren zwischen ihrer Manteloberfläche und der inneren Wandung
des Permanentmagneten 102 einen weiteren Luftspalt 116.
In der in 1 gezeigten Nulllage befindet
sich der Permanentmagnet in einer Position, dass seine axiale Mitte
mit dem Hallelement 108 zusammenfällt und das Flussleitelement 112 und
das Flussleitelement 114 jeweils um den gleichen Abstand
aus dem Permanentmagneten 102 herausragen.
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Wird
nun der Permanentmagnet 112 in Richtung 104 oder
in Richtung 106 aus der Nulllage y0 ausgelenkt,
so entsteht eine Änderung
des Magnetfeldes in y-Richtung, die durch das Hallelement 108 erfasst
werden kann. Wie aus der Skizze der 1 erkennbar,
hängt die Änderung
der y-Komponente des Magnetfeldes in einem vergleichsweise weiten Bereich
exakt linear von der Auslenkung des Permanentmagneten 102 aus
seiner Nulllage ab.
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Auf
aufwendige zusätzliche
Linearisierungsmaßnahmen
kann somit bei der erfindungsgemäßen Lösung verzichtet
werden. Weiterhin lässt
sich zeigen, dass die hier dargestellte Linearität der B-Feldänderung
auch bei einem Verkippen des Permanentmagneten erhalten bleibt.
Daher ist in vorteilhafter Weise der erfindungsgemäße Positionsaufnehmer 100 von
Toleranzen und Positionsschwankungen, aber auch von der systembedingten
Taumelbewegung des Permanentmagneten bei einer Verwendung in Vakuumaktuatoren
unabhängig.
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Die
auftretende Linearisierung der Kennlinie ist allein durch die geometrische
Anordnung der Flussleitkörper 112, 114,
die in ihrer Position fixiert sind, bedingt. Der Positionsaufnehmer 100 ist
somit unempfindlich gegen radiale Toleranzen, Verkippung oder Taumelbewegungen
des Magneten 102.
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In
den 2 und 3 ist nochmals die exakte Anordnung
der Flussleitkörper 112, 114 in
dem auch als ringförmig
zu bezeichnenden, hohlzylindrischen Permanentmagneten 102 skizziert.
In der Nulllage sind der bewegliche Permanentmagnet 102 und die
Feldsonde 108 so zueinander ausgerichtet, dass sich die
Feldsonde 108 sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung
in der Mitte des Permanentmagneten 102 befindet.
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In
den 4 und 5 ist schematisch angedeutet,
dass die radiale Magnetisierung des Permanentmagneten 102 beide
Polaritäten
haben kann. Die erfindungsgemäße Linearität der Magnetfeldänderung
ist von der Polarität
des Magneten unabhängig.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Positionsaufnehmers
ist in 6 gezeigt. Hier ist als Feldsonde 108 ein
Hallelement so angeordnet, dass das Magnetfeld quer zur Längsachse
des Permanentmagneten 102 erfasst werden kann. Hierfür weist
jeder der beiden Flussleitkörper 112, 114 jeweils
eine Auskragung 116, 118 auf. Die beiden Auskragungen 116, 118,
auch als Stöße zu bezeichnen,
sind überlappend
so angeordnet, dass sie das Magnetfeld Bx(y)
in einer Richtung quer zur Längsachse
des Magneten 102 zum Hallelement 108 führen. Auch
bei dieser Anordnung lässt
sich eine sehr weitgehende Linearität der Ausgangskennlinie, d.
h. des messbaren B-Feldes in Abhängigkeit
von der Auslenkung aus der Nulllage y0 feststellen.
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Obwohl
im vorangegangenen hauptsächlich so
genannte transversale Hallelemente angenommen wurden, können selbstverständlich alle
bekannten Formen und Größen von
Hallsensoren, beispielsweise auch axial angeordnete Hallsensoren,
verwendet werden.