DE10111982B4

DE10111982B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der Stellung eines Magneten in einem Halleffektsensor

Info

Publication number: DE10111982B4
Application number: DE10111982A
Authority: DE
Inventors: Warren B. El Paso Nicholson
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: US6429647B1; DE10111982A1

Abstract

Anordnung (10) zur drehbaren Lagerung eines Magneten (12), wobei die Anordnung umfaßt: ein Lager (16) für den Magneten, das eine innere Öffnung (14) aufweist, in welcher der Magnet (12) aufgenommen ist, eine Aufnahme (18) für das Lager, eine Welle (32), die mit dem Magneten in Verbindung steht und deren eines Ende mit einem Mechanismus zur Lieferung einer Drehkraft an die Welle gekoppelt ist, und einen Sensor (28) zur Erfassung des Stellungswinkels des Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Aufnahme für das Lager (16) ein Außenringelement (18) ist;
b) das Lager (16) drehbar in dem Außenringelement (18) befestigt ist;
c) der Magnet (12) eine innere Öffnung (30) aufweist;
d) das andere Ende der Welle (32) mit der inneren Öffnung (30) des Magneten in Eingriff steht; und
e) der Sensor ein Halleffektsensor (28) ist, der in einer Ausnehmung (26) des Lagers (16) befestigt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Halleffektsensoren. Insbesondere ist eine Vorrichtung zur Befestigung eines bewegbaren Magneten zum Gebrauch in einem Halleffektsensor offenbart.

Aus der DE 42 16 344 A1 ist eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.

Die DE 198 57 017 A1 beschreibt einen Drehwegaufnehmer mit einem Rotor, an dessen Ende eine Kugel angeformt ist, die in eine komplementär ausgebildete Aufnahme eingreift. Ein ringscheibenförmiger Magnet mit einer zentralen Öffnung wirkt dabei mit einem Halleffektsensor zusammen.

Die DE 44 05 910 A1 beschreibt einen Sensor zur berührungslosen Erfassung von Drehwinkeln, bei dem ein Signalempfänger in einem Gehäuseunterteil aufgenommen ist.

Die DE 197 48 996C1 beschreibt ein Kugellager mit integriertem Sensor zur Erfassung der Relativbewegung der beiden Lagerringe des Kugellagers zueinander.

Hintergrund der Erfindung

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 eines Halleffekt-Stellungssensors verwendet worden sind. Eine solche Anwendung ist ein Hall-Winkelstellungssensor, der die Winkelstellung eines Objektes bestimmt. Hierzu ist ein Magnet zur Drehung um eine Achse befestigt 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-Winkelstellungssensoren 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 Magnetfeldintensität als eine Änderung der Winkelstellung des Magneten interpretiert, 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.

Zusammenfassung der Erfindung

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 Magnet ohne eine unbeabsichtigte Bewegung um eine Achse drehen kann.

Die oben beschriebenen und anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen sowie den angefügten Ansprüchen besser verständlich.

1 ist eine Draufsicht von oben auf eine Vorrichtung zur drehbaren Lagerung eines Magneten zum Gebrauch in einem Halleffekt-Sensorsystem.
2 ist eine Ansicht entlang der Linien 2-2 der Ausführungsform von 1.
3 ist ein Querschnitt der Ansicht der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In den 1–3 ist eine Anordnung 10 zur drehbaren Lagerung eines Magneten 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 aufgenommen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Lager 16 aus Kunststoff geformt. Dies ermöglicht, daß das Lager 16 magnetisch transparent 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 ermöglichen, daß sich der Magnet 12 bezüglich des Außenringelements 18 sowie auch des Außenringelements 22 des Lagers 16 drehen kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Lager 24 aus Kunststoff. Alternativ dazu können die Lager 24 aus rostfreiem Stahl bestehen. In jedem Fall überschneiden sich die Lager 24 nicht mit der Intensität des Magnetfeldes, 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 Innenfläche des Außenringelements 22 auch so ausgebildet, um die Vielzahl von Kugellagern aufnehmen und halten zu können. Diese Ausbildung ermöglicht es, daß sich das Innenringelement 20 bezüglich des Außenringelements 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 Ausnehmungen oder 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 Ausführungsform 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 aufnehmen 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 Innendurchmesser 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. Dementsprechend 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 resultierenden Änderungen des Abstandes vom Nordpol des Magneten 12 bezüglich des Sensors 28 hat eine Änderung der Intensität des Magnetfeldes 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 Umdrehungen 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 beabstandet positioniert sind, erzeugt einer der Hallsensoren eine Sinuswelle, 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 Gesamtkonfiguration 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 3 gezeigt ist, ist das Ringelement 18 so ausgebildet, 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 einen 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 Anwendungen erforderlich ist, sei angemerkt, daß diese Werte größer oder kleiner als die oben angegebenen sein können.
Ein Hauptproblem in Verbindung mit Hall-Stellungswinkelssensoren ist die genaue Steuerung des Abstandes zwischen dem Magneten und dem Hallsensor während einer Drehung. Eine Änderung des Abstandes zwischen dem Magneten und dem Hallsensor bewirkt eine Änderung der Intensität 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 unbeabsichtigte Linearbewegung des Magneten, und der zweite ist eine unbeabsichtigte Linearbewegung des Sensors. Die unbeabsichtigte Bewegung des Sensors wird durch normale gute Befestigungspraktiken korrigiert. Andererseits ist die Bewegung des Magneten, der normalerweise das sich drehende 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 Achsenwelle des sich drehenden des Magneten sehr genau drehen, oder eine Unrundheit oder ein Spiel führt zu großen Stellungswinkelsfehlern.
Die Ausbildung der Anordnung 10 verhindert eine unbeabsichtigte Bewegung 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 einer 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 spritzgußgeformten Kunststofflagern mit Kugeln aus rostfreiem Stahl beträgt 0,05 mm bei einer Sechs-Sigma-Verteilung bei 0,0 bis 0,1 mm.
Wie in 2 gezeigt ist, weist das Außenringelement 18 einen Laschenabschnitt 38 auf, der von der Anordnung 10 nach außen vorragt. Der Laschenabschnitt 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 Verbindungsmittel elektrisch gekoppelt werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform 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

Anordnung (10) zur drehbaren Lagerung eines Magneten (12), wobei die Anordnung umfaßt: ein Lager (16) für den Magneten, das eine innere Öffnung (14) aufweist, in welcher der Magnet (12) aufgenommen ist, eine Aufnahme (18) für das Lager, eine Welle (32), die mit dem Magneten in Verbindung steht und deren eines Ende mit einem Mechanismus zur Lieferung einer Drehkraft an die Welle gekoppelt ist, und einen Sensor (28) zur Erfassung des Stellungswinkels des Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß a) die Aufnahme für das Lager (16) ein Außenringelement (18) ist; b) das Lager (16) drehbar in dem Außenringelement (18) befestigt ist; c) der Magnet (12) eine innere Öffnung (30) aufweist; d) das andere Ende der Welle (32) mit der inneren Öffnung (30) des Magneten in Eingriff steht; und e) der Sensor ein Halleffektsensor (28) ist, der in einer Ausnehmung (26) des Lagers (16) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Lager (16) aus Kunststoff besteht.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Lager so ausgebildet ist, daß es entlang seines Umfangs ein Paar Ausnehmungen (26) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Außenringelement (18) so ausgebildet ist, daß es einen Schulterabschnitt (34) zur Aufnahme und Lagerung des Lagers (16) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Außenringelement (18) aus rostfreiem Stahl besteht.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Lager einen Innenringabschnitt (20) und einen Außenringabschnitt (22) umfaßt, und eine Vielzahl von Kugellagern (24) zwischen dem Innenringabschnitt und dem Außenringabschnitt angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei der Außendurchmesser des Lagers geringfügig größer als der Innendurchmesser des Außenringelementes ist und das Lager mittels Preßpassung in das Außenringelement eingepaßt ist.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei der Außendurchmesser des Magneten geringfügig größer als der Innendurchmesser des Lagers ist und der Magnet in das Lager mittels Preßpassung eingepaßt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die innere Öffnung des Lagerelementes im wesentlichen kreisförmig ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein Paar Halleffektsensoren (28) an dem Außenringelement befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Außenringelement einen Laschenabschnitt (38) aufweist, wobei der Laschenabschnitt so ausgebildet, bemessen und positioniert ist, um die Anordnung an einer Leiterplatte zu befestigen.