Linearsensor

Die Erfindung betrifft einen Linearsensor mit einer Hülse, einem Stift, der einen Permanentmagneten enthält und in der Hülse linear verschiebbar gelagert ist und einen an der Hülse befestigten Magnetfeldsensor zum Detektieren einer Verschiebung des Permanentmagneten.

Derartige Linearsensoren kommen in der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz, beispielsweise zur Steuerung von Bremskraftverstärkern, deren Aktivierung in Abhängigkeit von der Auslegung eines Bremspedals erfolgt. Mit zunehmender Pedalauslegung wird der Bremsdruck erhöht, der auf ein Steuerglied einwirkt, dessen Auslenkung mittels eines Linearsensors ermittelt werden kann. Ein weiteres Beispiel sind Ladedruckregler für Abgasturbolader. In der Regel wird bei derartigen Anwendungen der Stift des Linearsensors durch Federkraft gegen ein bewegliches Messobjekt, beispielsweise ein Steuerglied, gedrückt, so dass der Stift stets an dem Messobjekt anliegt und dessen Bewegung folgt.

Aus der DE 196 24 233 C1 ist ein Linearsensor bekannt, bei dem ein quaderförmiger Permanentmagnet relativ zu einem ortsfest an einem Gehäuse angeordneten Magnetfeldsensor bewegt wird. Der bekannte Linearsensor ist für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik jedoch weniger geeignet, da der auf Erschütterung, die sich beispielsweise durch Motorbetrieb ergeben können, empfindlich reagiert, verschleißanfällig ist und einen hohen Herstellungsaufwand sowie häufige Justierungen erfordert.

Die DE 197 51 519 C2 beschreibt einen Linearsensor, zum Beispiel bei der Steuerung eines Bremskraftverstärkers zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals in Abhängigkeit von der Relativposition zweier relativ zueinander verschiebbaren Teile, wobei der Linearsensor einen Magneten aufweist, dem mindestens ein Hallsensor zugeordnet ist, wobei der Magnet und der Hallsensor relativ zueinander verschieblicht gehalten sind und der Hallsensor einen von seinen Position relativ zum Magneten abhängiges elektrisches Spannungssignal liefert, wobei der Magnet unverschieblicht in einem Gehäuse des Linearsensors festgelegt ist und der Hallsensor relativ zum Magneten im Gehäuse verschiebbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Weg aufzuzeigen, wie ein für die Kraftfahrzeugtechnik geeigneter Linearsensor geschaffen werden kann, der sich kostengünstig herstellen lässt und auch bei im Fahrbetrieb auftretenden Erschütterungen präzise Messungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Linearsensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem erfindungsgemäßen Linearsensor wird mit einfachsten Mitteln eine hochpräzise Führung der Stifts erreicht, bevorzugt indem eine Verengung der Hülse eine Führung bildet.

Zu Messfehlern führende Querbewegungen des Stifts können bei einem erfindungsgemäßen Linearsensor weitestgehend ausgeschlossen werden. Selbst bei Vibrationen, die beispielsweise durch Motorbetrieb entstehen können, kann deshalb mit einem erfindungsgemäßen Linearsensor die Position eines Messobjekts präzise festgestellt werden.

Indem sich der Stift und die Hülse nur an der Führung berühren, ergibt sich Vorteilhafterweise eine kleine Reibungsfläche. Mit kleinen Reibungsflächen sind nur geringe Reibungskräfte verbunden, so dass ein verschleißarmer Betrieb und eine hohe Langzeitstabilität möglich sind.

Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor an einem die Verengung bildenden Abschnitt der Hülse befestigt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass selbst bei motorbedingten Vibrationen der Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem Stift, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stifts gemessen, konstant bleibt und deshalb stets mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.

Der Stift hat bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt, was die Fertigung vereinfacht und für eine geringere Reibung günstig ist. Besonders bevorzugt ist der Stift in der Hülse um seine Längsachse drehbar. Im Betrieb eines Fahrzeugs können Vibrationen oder Bewegungen des Messobjekts dazu führen, dass auf den Stift ein Drehmoment ausgeübt wird. Indem der Stift drehbar ist, können derartige Drehmomente relaxieren ohne die Führung des Stifts zu belasten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stift und/oder die Hülse aus einem Grafitpartikel enthaltenden Kunststoff gefertigt sind. Eine im Betrieb unvermeidlicherweise auftretender Abrieb sorgt auf diese Weise durch das Freisetzen von Grafitpartikeln für eine andauernde Zufuhr an Gleitmitteln. Selbst nach lang andauerndem Betrieb sind auf diese Weise stets geringe Reibungskräfte gewährleistet, so dass ein entsprechender ausgebildeter Linearsensor über sehr lange Zeiten stabil betrieben werden kann. Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Stift aus einem Grafitpartikel enthaltenden Kunststoff gefertigt ist, insbesondere, dass die Hülse aus einem grafitpartikelfreien Kunststoff gefertigt ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Hülse und der Stift, abgesehen von einem eventuellen Grafitpartikelzusatz aus dem selben Kunststoff sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Hülse und Stift übereinstimmen und sich deshalb über einen sehr großen Temperaturbereich eine gleich bleibende präzise Führung ergibt. Als Material für die Hülse und den Stift sind Duroplaste bevorzugt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stift an seinem aus der Hülse herausragenden Ende abgerundet ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass beim Andrücken des Stifts an ein Messobjekt die Gefahr eines Kippens des Messobjekts, welche die Messgenauigkeit beeinträchtigen könnte, reduziert ist.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Magnethalter kuppelartig ausgestaltet ist. Hierbei ist von Vorteil, dass bei auftretenden Schwingungen der Magnethalter radiale Bewegungen definiert zulässt und so einen Bruch des Systems verhindert.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Magnethalter wenigstens drei Federelemente aufweist. Durch entsprechende Auslegung der Federkonstante der jeweiligen Feder lässt sich im, mit Eigenschwingungen behafteten Kraftfahrzeug die Toleranz insbesondere der radialen Beweglichkeit des Magnetgehäuses bzw. des Stiftes exakt definieren.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Magnet- bzw. Stifthalter aus Kunststoff und/oder Metall besteht. Vorteilhafter Weise kann man zum Beispiel das im Magnethalter integrierte ringförmige Element aus Kunststoff vorsehen, den kuppelartigen Teil bzw. die Federelemente des Magnethalters fügt man jedoch aus Metall hinzu, so dass man ein gedämpftes Federmassesystem erhält, das durch geeignete Auslegung den Einfluss von Resonanzen auf das Messergebnis minimiert, bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit, da ein Systemversagen durch die insbesondere radiale Neigung zum Ausgleich unterbleibt. Weiterhin gewährleistet die starre Verbindung zwischen Messobjekt und Magnethalter sowie die quasi starre Verbindung zwischen Magnethalter und Magnetgehäuse, dass der gemessene Weg auch den tatsächlichen Weg des Messobjekts entspricht.

Bevorzugt hat der Stift an seinem aus der Hülse herausragenden Ende eine Stirnfläche, deren Durchmesser 20 % bis 60 % des Innendurchmessers der Hülse an der Verengung beträgt. Eine gegenüber dem Stiftdurchmesser reduzierte Stirnfläche bewirkt, dass bei einem eventuellen Kippen des Messobjekts die übertragung von Querkräften reduziert wird. Die Führung des Stifts in der Hülse wird deshalb weniger belastet und für die Messgenauigkeit schädliche Querbewegungen können leichter vermieden werden. Eine Stirnfläche, deren Durchmesser 20 % bis 60 % des Durchmessers eines in der Hülse gelagerten zylindrischen Stiftabschnitts beträgt, ist andererseits groß genug, um die Flächenlast der an dem Messobjekt anliegenden Berührungsfläche auf ein für einen verschleißarmen Betrieb geeignetes Maß zu begrenzen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die dabei beschriebenen Merkmale können einzeln und in Kombination zum Gegenstand von Ansprüchen gemacht werden.

Figur 1 : Ausführungsbeispiel eines Linearsensors in einem Längsschnitt. Figur 2: Linearsensor mit kuppelartigem Magnethalter

Figur 1 zeigt einen Linearsensor mit einer Hülse 5, in der ein zylindrischer Stift 7 linear verschiebbar angeordnet ist. Der Stift 7 enthält einen Permanentmagneten 1 , der bevorzugt ein Stabmagnet ist, und liegt bestimmungsgemäß mit seinem aus der Hülse 5 herausragenden Ende 4 an einem Messobjekt 2 an.

An der Hülse 5 ist ein Magnetfeldsensor 3, bevorzugt ein Hallsensor, befestigt. Eine Verschiebung des Stifts 7 mit dem darin enthaltenden Permanentmagneten 1 bewirkt eine änderung des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 3. Durch eine Auswertung dieser änderung kann die Position des Permanentmagneten 1 und damit des Messobjekts 2 ermittelt werden.

Der Stift 7 und die Hülse 5 berühren sich im Bereich der Führungsfläche jeweils flächig, was die Präzision der axialen und radialen Führung weiter erhöht. Es ist vorteilhaft, den Magnetfeldsensor 3 an dem die Verengung ausbildenden Abschnitt der Hülse 5 zu befestigen, da dort der Abstand des Stifts 7 von dem Magnetfeldsensor 3 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stifts 7 auch bei Auftreten von Vibrationen mit der Größengenauigkeit konstant bleibt.

Der Stift 7 ist an seinem aus der Hülse 5 herausragenden Ende 4 abgerundet und hat dort eine eben Stirnfläche, deren Durchmesser bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 50 % des Innendurchmessers der Hülse 5 an ihrer Verengung beträgt. Durch diese geometrische Gestaltung wird einerseits eine genügend große Berührungsfläche für eine geringe Flächenlast und somit einen verschleißarmen Betrieb erreicht. Andererseits wird durch eine reduzierte Auflagefläche die Reibung minimiert und die übertragung von Querkräften bei einem eventuellen Kippen des Messobjekts 2 verhindert. Allgemein ist es günstig, wenn die Stirnfläche einen Durchmesser von etwa 20 % bis 60 % des Innendurchmessers der Hülse 5 an der Verengung hat.

Der Stift 7 ist durch Umspritzen des Permanentmagneten 1 mit einem Duroplast gefertigt. Die Hülse 5 ist ebenfalls aus einem Duroplast hergestellt, vorzugsweise aus demselben Duroplast. Auf diese Weise haben der Stift 7 und die Hülse 5 ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass es in einem großen Temperaturbereich im Bereich der Führungsfläche 8 weder zu einem klemmen noch zu einem Spiel kommt. Der dargestellte Linearsensor kann deshalb insbesondere auch im Motorraum eines Kraftfahrzeuges eingebaut werden und sich im Betrieb auf bis zu 170 ° C ohne Beeinträchtigung erwärmen.

Zur Verbessung der Gleiteigenschaften ist es vorteilhaft, für den Stift 7 einen Duroplast mit einem Grafitpartikelzusatz zu verwenden. Die zugesetzten Grafitpartikel reduzieren die Härte des Duroplasts. Ein im Betrieb unvermeidlicher Abrieb tritt auf diese Weise praktisch ausschließlich an dem Stift 7, nicht jedoch an der Hülse 5 auf. Da der Abrieb eine Grafitfüllung beinhaltet, wirkt der Abriebstaub als Gleitmittel in den Führungsflächen 8. Dieser Vorteil lässt sich auch nutzen, indem anstelle des Stifts 7 oder zusätzlich zu dem Stift 7 die Hülse 5 aus grafitpartikelhaltigem Kunststoff hergestellt wird.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Duroplast des Stifts 7 Grafitpartikel enthält. Ein an der Stirnfläche 4 auftretender Abrieb wird dann nämlich zu einer Reibungsreduktion und damit zur Verminderung von Querkräften, die bei einem Kippen des Messobjekts 2 auftreten können. Prinzipiell ist es auch möglich, sowohl die Hülse 5 als auch für den Stift 7 grafitpartikelhaltigen Kunststoff zu verwenden. Dies ist jedoch wegen des erhöhten Abriebs nicht bevorzugt.

In Figur 2 wird ein Linearsensor mit einer Hülse 5 gezeigt, in der ein zylindrischer Stift 7 linear verschiebbar angeordnet ist. Der Stift 7 enthält einen Permanentmagneten 1 und liegt mit seinem aus der Hülse 5 herausragenden Ende 4 an einem Messobjekt an. An der Hülse 5 ist ein Hallsensor 3 befestigt. Eine Verschiebung des Stifts 7 bewirkt eine änderung des Magnetfeldes im Bereich des Sensors 3.

Durch eine Auswertung dieser änderung kann die Position des Magneten 1 und somit auch des Messobjekts 2 ermittelt werden. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in Figur 1 weist der Magnethalter 6 im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 einen kuppelartigen Bereich 11 auf.

Bezugszeichenliste:

1. Magnet

2. Messobjekt

3. Magnetfeld- oder Hallsensor

4. Kontaktfläche des Sensors zum Messobjekt / Ende

5. Führung oder Hülse

6. Magnethalter

7. Magnetgehäuse / Stift

8. Führungsfläche

9. Federelement

10. Ringförmiges Element

11. Kuppelartiger Bereich des Magnethalters