DE10111982A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der Stellung eines Magneten in einem Halleffektsensor - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der Stellung eines Magneten in einem HalleffektsensorInfo
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Abstract
Es ist eine Anordnung (10) zur drehbaren Lagerung eines Magneten (12) offenbart, wobei die Anordnung ein Außenringelement (18) mit einem Lagerelement (16) aufweist, das drehbar in dem Außenringelement befestigt ist, und das Lagerelement eine innere Öffnung (14) zur Aufnahme und zum Eingriff mit einem Magneten (12) aufweist. Der Magnet weist eine innere Öffnung (30) und eine Welle (32) auf, von der ein Ende mit der inneren Öffnung des Magneten in Eingriff steht und das andere Ende der Welle mit einem Mechanismus zur Lieferung einer Drehkraft an die Welle gekoppelt ist. Ein Halleffektsensor (28) ist an dem Außenringelement befestigt, und der Halleffektsensor dient der Erfassung des Stellungswinkels des Magneten.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Halleffektsensoren. Insbesondere ist ei
ne Vorrichtung zur Befestigung eines bewegbaren Magneten zum Ge
brauch in einem Halleffektsensor offenbart.
Hallsensoren nehmen die Magnetfeldintensität eines Magneten auf und
wandeln diese in ein verwendbares elektrisches Signal um. Beispielsweise
können bekannte Größen, wie beispielsweise Stellung, Geschwindigkeit,
Orientierung, Temperatur, etc. eines Objektes durch die Intensität des
durch den Hallsensor erfaßten Magnetfeldes bestimmt werden.
Es ist anzunehmen, daß zahlreiche Anwendungen unter Verwendung ei
nes Halleffekt-Stellungssensors verwendet worden sind. Eine solche An
wendung ist ein Hall-Winkelstellungssensor, der die Winkelstellung eines
Objektes bestimmt. Hierzu ist ein Magnet zur Drehung um eine Achse be
festigt und gibt entsprechend der Drehlage des Nordpols des Magneten
bezüglich der Achse die Stellung des Objektes an.
Jedoch besteht ein Hauptproblem in Verbindung mit Hall-Winkel
stellungssensoren darin, den Abstand zwischen dem Magneten und dem
Hallsensor während der Drehung genau zu steuern. Beispielsweise wird,
wenn eine Änderung des Abstandes zwischen Magnet und dem Hallsensor
auftritt, die Intensität des den Sensor umgebenden Magnetfeldes geändert.
Dies hat zur Folge, daß der Hallsensor die Änderung der gemessenen Ma
gnetfeldintensität als eine Änderung der Winkelstellung des Magneten in
terpretiert, die selbstverständlich mit der Winkelstellung eines Objektes in
Zusammenhang steht. Demgemäß hat eine unbeabsichtigte Änderung der
Positionierung des Magneten bezüglich des Hallsensors unerwünschte
Falschablesungen zur Folge.
Demgemäß besteht ein Bedarf für ein verbessertes Mittel zur Befestigung
und Steuerung der Stellung eines Magneten in einem Halleffektsensor.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Kunststofflager in einen
Stahlring eingesetzt und ein Magnet in einer inneren Öffnung des Lagers
befestigt. Das Lager und seine Befestigung ermöglichen, daß sich der Ma
gnet ohne eine unbeabsichtigte Bewegung um eine Achse drehen kann.
Die oben beschriebenen und anderen Merkmale und Vorteile der vorlie
genden Erfindung werden aus der nun folgenden detaillierten Beschrei
bung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen sowie den an
gefügten Ansprüchen besser verständlich.
Fig. 1 ist eine Draufsicht von oben auf eine Vorrichtung zur drehba
ren Lagerung eines Magneten zum Gebrauch in einem Hallef
fekt-Sensorsystem.
Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Linien 2-2 der Ausführungsform
von Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Querschnitt der Ansicht der vorliegenden Erfindung.
In den Fig. 1-3 ist eine Anordnung 10 zur drehbaren Lagerung eines Ma
gneten 12 gezeigt. Der Magnet 12 ist in einer Öffnung 14 eines Lagers 16
aufgenommen. Der Außendurchmesser des Magneten 12 ist etwas größer
als der Innendurchmesser der Öffnung 14 in dem Lager 16. Demgemäß ist
der Magnet 12 mittels Preßpassung in die Öffnung 14 eingepaßt, wobei die
Preßpassung des Magneten 12 in der Öffnung 14 eine starre Befestigung
des Magneten 12 schafft. Das Lager 16 ist in einem Ringelement 18 auf
genommen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Lager 16 aus
Kunststoff geformt. Dies ermöglicht, daß das Lager 16 magnetisch trans
parent wirkt, so daß es sich nicht mit dem Magnetfeld des Magneten 12
überschneidet. Zusätzlich und insbesondere, wenn das Lager 16 aus
Kunststoff hergestellt ist, ist es einfach zu formen und bei der Herstellung
relativ kostengünstig.
Das Lager 16 weist ein Innenringelement 20 und ein Außenringelement 22
auf. Zwischen dem Innenringelement 20 und dem Außenringelement 22
ist eine Vielzahl von Kugellagern 24 angeordnet. Die Kugellager 24 ermög
lichen, daß sich der Magnet 12 bezüglich des Außenringelements 18 sowie
auch des Außenringelements 22 des Lagers 16 drehen kann. Bei einer be
vorzugten Ausführungsform bestehen die Lager 24 aus Kunststoff. Alter
nativ dazu können die Lager 24 aus rostfreiem Stahl bestehen. In jedem
Fall überschneiden sich die Lager 24 nicht mit der Intensität des Magnet
feldes, das durch den Magnet 12 erzeugt wird. Das Innenringelement 20
ist so um seinen Umfang ausgebildet, daß es die Vielzahl von Kugellagern,
die zwischen dem Innenringelement 20 und dem Außenringelement 22
positioniert sind, aufnehmen und halten kann. Zusätzlich ist die Innenflä
che des Außenringelements 22 auch so ausgebildet, um die Vielzahl von
Kugellagern aufnehmen und halten zu können. Diese Ausbildung ermög
licht es, daß sich das Innenringelement 20 bezüglich des Außenringele
ments 22 drehen kann.
Der Außendurchmesser des Lagers 16 oder des Außenringelements 22 ist
geringfügig größer als der Innendurchmesser des Außenringelements 18.
Demgemäß ist das Lager 16 mittels Preßpassung in das Außenringelement
18 eingepaßt. Dies schafft eine gute Passung des Lagers 16 innerhalb des
Außenringelements 18.
Das Lager 16 ist auch so ausgebildet, daß es ein Paar Kerben 26 entlang
des Umfangs des Lagers 16 aufweist. Die Kerben 26 sind um etwa 90
Grad voneinander angeordnet. Die Kerben 26 sind ausreichend groß, um
einen Hallsensor 28 aufnehmen zu können. Bei einer beispielhaften Aus
führungsform sind zwei Kerben und zwei Hallsensoren vorhanden. Es sei
aber angemerkt, daß die Vorrichtung 10 eine Vielzahl von Kerben und
Sensoren verwenden kann.
Der Magnet 12 weist eine innere Öffnung 30 auf. Dementsprechend weist
der Magnet 12 eine Ringform auf oder kann als ein Ringmagnet bezeichnet
werden. Die innere Öffnung 30 ist so ausgebildet, um eine Welle 32 auf
nehmen und mit dieser in Eingriff treten zu können. Ein Ende der Welle
32 ist an dem Magneten 12 befestigt, und das andere Ende ist an einer
mechanischen Vorrichtung, wie beispielsweise einem Motor befestigt. Der
Außendurchmesser der Welle 32 ist geringfügig größer als der Innen
durchmesser der Öffnung 30. Dies schafft eine starre Befestigung der
Welle 32 an dem Magneten 12. Dementsprechend wird, insbesondere da
die mechanische Vorrichtung eine Drehkraft für die Welle 32 liefert, der
Magnet 12 auch gedreht.
Innerhalb der Kerben 26 ist ein Paar Hallsensoren 28 angeordnet. Dem
entsprechend und insbesondere, wenn der Magnet 12 in einer ersten
Richtung gedreht wird, nähert sich der Nordpol des Magneten 12 einem
der Hallsensoren an, bis ein Punkt eines minimalen Abstandes erreicht
ist, und anschließend bewegt sich der Nordpol des Magneten 12 von dem
Sensor weg, bis ein Punkt eines maximalen Abstandes erreicht ist. Die re
sultierenden Änderungen des Abstandes vom Nordpol des Magneten 12
bezüglich des Sensors 28 hat eine Änderung der Intensität des Magnetfel
des des Magneten 12 zur Folge. Diese Intensität wird durch Sensor 28
gemessen und in verwendbare Daten umgewandelt, wie beispielsweise die
Positionierung eines Objektes oder die Zählung einer Anzahl von Umdre
hungen pro Minute. Diese Anwendungen können beispielsweise umfassen,
wie folgt: Steuerung der Stellung, Höhenstellung der Fahrzeugkarosserie,
Bremspedalstellung und Gaspedalstellung. Es können jedoch eine Vielzahl
anderer Anwendungen mit einer derartigen Anordnung verwendet werden.
Überdies und insbesondere, wenn zwei Sensoren um 90° voneinander be
abstandet positioniert sind, erzeugt einer der Hallsensoren eine Sinuswel
le, während der andere eine Kosinuswelle erzeugt, wenn sich der Magnet
12 dreht. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist der Magnet 12
einen einzelnen Nord- und Südpol auf. Alternativ dazu und insbesondere,
wenn es für bestimmte Anwendungen erforderlich ist, kann der Magnet 12
durch eine Vielzahl von Magneten ersetzt werden, die dieselbe Gesamt
konfiguration wie Magnet 12 aufweisen. Jedoch sehen die resultierenden
Magnete eine Vielzahl von Nord- und Südpolen und dementsprechend eine
Vielzahl von Magnetfeldern vor.
Wie insbesondere in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Ringelement 18 so ausgebil
det, daß es einen Schulterabschnitt 34 aufweist, der von einer Innenfläche
36 des Ringelementes 18 vorsteht. Der Schulterabschnitt 34 sieht einen
Sitz vor, in welchem das Lager 16 aufgenommen ist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die innere Öffnung 30 ei
nen Durchmesser von 3,0 mm auf. Der Außendurchmesser des Magneten
12 beträgt 11,0 mm. Der Außendurchmesser des Lagers 16 beträgt 21,0 mm
und die Höhe des Lagers 16 beträgt 4,0 mm. Der Außendurchmesser
des Ringelements 18 beträgt 25,0 mm und die Höhe des Ringelements 18
beträgt 5,0 mm. Die Decke des Schulterabschnittes beträgt 0,5 mm.
Selbstverständlich und insbesondere, wenn dies für bestimmte Anwen
dungen erforderlich ist, sei angemerkt, daß diese Werte größer oder klei
ner als die oben angegebenen sein können.
Ein Hauptproblem in Verbindung mit Hall-Stellungswinkelsensoren ist
die genaue Steuerung des Abstandes zwischen dem Magneten und dem
Hallsensor während einer Drehung. Eine Änderung des Abstandes zwi
schen dem Magneten und dem Hallsensor bewirkt eine Änderung der In
tensität des Magnetfeldes, welches der Hallsensor mißt. In diesem Fall
wird dies unkorrekt als eine Änderung der Stellungswinkel des Magneten
interpretiert.
Es existieren zwei Faktoren, die eine Änderung des Abstandes zwischen
Magnet und Sensor zur Folge haben können. Der erste ist eine unbeab
sichtigte Linearbewegung des Magneten, und der zweite ist eine unbeab
sichtigte Linearbewegung des Sensors. Die unbeabsichtigte Bewegung des
Sensors wird durch normale gute Befestigungspraktiken korrigiert. Ande
rerseits ist die Bewegung des Magneten, der normalerweise das sich dre
hende Element darstellt, jedoch wesentlich schwieriger zu steuern. Dies
gilt insbesondere bei kostengünstigen Anwendungen mit hoher Stückzahl.
Um eine unbeabsichtigte Bewegung zu verhindern, muß sich die Achsen
welle des sich drehenden des Magneten sehr genau drehen, oder eine Un
rundheit oder ein Spiel führt zu großen Stellungswinkelsfehlern.
Die Ausbildung der Anordnung 10 verhindert eine unbeabsichtigte Bewe
gung des Magneten 12, die durch Hallsensoren 28 fehlinterpretiert werden
kann.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird der drehbare Magnet in
dem Zentrum der Kugellageranordnung angeordnet, und Hallsensoren
werden an dem äußeren Lauf des Lagers befestigt. Das Lager wird dann in
den Stahlring gepreßt, der als ein Flußkonzentrator wirkt. Der Stahlring
unterstützt eine gleichförmigere Ausbildung des Magnetfeldes zwischen
dem Ring 18 und dem Magneten 12. Dies hat eine Anordnung 10 mit ei
ner wesentlich genaueren Arbeitsweise zur Folge. Das Lager besteht aus
Kunststoff, und die Kugeln bestehen entweder aus rostfreiem Stahl oder
aus Kunststoff, was das gesamte Kugellager magnetisch transparent
macht. Typische Unrundheiten oder ein Spiel bei kostengünstigen spritz
gußgeformten Kunststofflagern mit Kugeln aus rostfreiem Stahl beträgt
0,05 mm bei einer Sechs-Sigma-Verteilung bei 0,0 bis 0,1 mm.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das Außenringelement 18 einen Laschenab
schnitt 38 auf, der von der Anordnung 10 nach außen vorragt. Der La
schenabschnitt 38 ist in einer Öffnung einer Leiterplatte (nicht gezeigt)
aufgenommen. Der Laschenabschnitt 38 kann an der Leiterplatte durch
Verwendung eines Epoxidharzes oder eines anderen Typs von Klebstoff
befestigt sein, oder der Abschnitt 38 kann an die Leiterplatte gelötet sein.
Sobald die Anordnung 10 an der Leiterplatte befestigt ist, können die
Halleffektsensoren mit der Leiterplatte durch Löten oder andere Verbin
dungsmittel elektrisch gekoppelt werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausfüh
rungsform beschrieben worden ist, sei für Fachleute zu verstehen, daß
verschiedene Änderungen ausgeführt und Elemente derselben durch
Äquivalente ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung ersetzt
werden können. Zudem können viele Modifikationen zur Anpassung einer
bestimmten Situation oder eines bestimmten Materials ohne Abweichung
vom wesentlichen Schutzumfang derselben durchgeführt werden. Daher
ist die Erfindung nicht auf die bestimmte offenbarte Ausführungsform als
bester Modus zur Ausführung dieser Erfindung beschränkt, sondern die
Erfindung umfaßt alle Ausführungsformen, die in den Schutzumfang der
angefügten Ansprüche fallen.
Claims (14)
1. Anordnung (10) zur drehbaren Lagerung eines Magneten (12), wobei
die Anordnung umfaßt:
- a) ein Außenringelement (18);
- b) ein Lager (16), das so ausgebildet und bemessen ist, daß es drehbar in dem Außenringelement befestigbar ist, wobei das Lager eine innere Öffnung (14) aufweist;
- c) einen Magnet (12), der so ausgebildet und bemessen ist, daß er in der inneren Öffnung des Lagers aufnehmbar ist, wobei der Magnet eine innere Öffnung (30) aufweist;
- d) eine Welle (32), die so ausgebildet und bemessen ist, daß ein Ende mit der inneren Öffnung des Magneten in Eingriff steht und das andere Ende der Welle mit einem Mechanismus zur Lieferung einer Drehkraft an die Welle gekoppelt ist; und
- e) einem Halleffektsensor (28), der an dem Außenringelement befestigt ist, wobei der Halleffektsensor der Erfassung des Stellungswinkels des Magneten dient.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Lager aus Kunststoff be
steht.
3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Lager so ausgebildet ist,
daß es entlang seines Umfangs ein Paar Kerben (26) aufweist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Außenringelement so aus
gebildet ist, daß es einen Schulterabschnitt (34) zur Aufnahme und
Lagerung des Lagers aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Außenringelement aus
rostfreiem Stahl besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Lager einen Innenringab
schnitt (20) und einen Außenringabschnitt (22) umfaßt, und eine
Vielzahl von Kugellagern (24) zwischen dem Innenringabschnitt und
dem Außenringabschnitt angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Magnet eine Öffnung (30)
zur Aufnahme und Lagerung einer Welle aufweist, wobei die Welle
mit einem Mechanismus gekoppelt ist, der eine Drehkraft für die
Welle vorsieht.
8. Anordnung nach Anspruch 2, wobei der Außendurchmesser des La
gers geringfügig größer als der Innendurchmesser des Außenring
elementes ist und das Lager mittels Preßpassung in das Außenring
element eingepaßt ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der Außendurchmesser des
Magneten geringfügig größer als der Innendurchmesser des Lagers
ist und der Magnet in das Lager mittels Preßpassung eingepaßt ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die innere Öffnung des Lager
elementes im wesentlichen kreisförmig ist.
11. Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein Paar Halleffektsensoren (28)
an dem Außenringelement befestigt ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, ferner mit:
- a) einem Paar von Aufnahmeflächen (26), die entlang des Um fangs des Lagers positioniert sind, wobei die Aufnahmeflächen so ausgebildet und bemessen sind, um die Sensoren aufneh men zu können.
13. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Außenringelement einen
Laschenabschnitt (38) aufweist, wobei der Laschenabschnitt so aus
gebildet, bemessen und positioniert ist, um die Anordnung an einer
Leiterplatte zu befestigen.
14. Verfahren zur Befestigung eines Magneten zur Verwendung in einem
Halleffektsensor, wobei das Verfahren umfaßt:
- a) Befestigung des Magneten in einem Lager;
- b) Befestigung des Lagers zur Drehung in einem Ringelement; und
- c) Befestigung eines Halleffektsensors an dem Ringelement.
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