Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Drosselklappenstellung in einem Verbrennungsmotor mit Hall-Elementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1

Ein Drosselklappen-Winkelsensor für Verbrennungsmotoren ist in der DE 38 26 408 AI beschrieben. Hier wird ein Drosselklappenwinkelsensor für Verbrennungsmotoren mit einem an einem Ende der Drosselklappenwelle angebrachten Permanentmagneten beschrieben, der einen parallelen magne¬ tischen Fluß erzeugt, dessen Richtung in Abhängigkeit von der Drehung der Drosselklappenwelle gedreht wird. Hierbei ist im wesentlichen parallel zu der Hauptrichtung des au¬ ßen verlaufenden magnetischen Flusses des Permanentmagne- ten und in einem Abstand von dem Permanentmagneten ein magnetisch empfindliches Element, wie z.B. ein Hall-Ele¬ ment angeordnet, mittels dessen die Änderung der magneti¬ schen Flußdichte als Folge der Drehung des Permanentmagne¬ ten gemessen wird. Die gemessene Änderung der magnetischen Flußdichte wird hierbei über einen verstärkenden elektri¬ schen Stromkreis in eine entsprechende Änderung eines elektrischen Signales umgewandelt.

Der Ausgangsgröße des magnetisch empfindlichen Elementes ist hierbei üblicherweise eine von dem Magnetfeld unabhän¬ gige Gleichgröße, ein sogenannter Offset überlagert. Bei einem Ausgangsstrom handelt es sich hierbei um einen über¬ lagerten Gleichstrom, bei einer Ausgangsspannung um eine überlagerte Gleichspannung. Dieser Offset sowie die Ver- Stärkung und die Linearität von Hall-Elementen schwanken

sehr stark von Element zu Element und mit der Temperatur. Außerdem ist der Linearitätsbereich von magnetisch emp¬ findlichen Elementen, wie z.B. Hall-Elementen sehr be¬ grenzt, so daß bei einer zuvor beschriebenen, bekannten Anordnung ein aufwendiger Abgleich erforderlich ist und außerdem aufgrund der erwähnten Probleme die Auflösung, d.h. der Dynamikbereich bzw. die Präzision des Meßergeb¬ nisses einer solchen Anordnung nicht sehr groß ist. In Anwendungsfällen, in denen eine präzise Geometrieerfassung auch' gewährleistet sein soll, wenn kurzzeitige Spannungs¬ ausfälle auftreten können, werden daher meistens Präzi¬ sionspotentiometer verwendet. Bei diesen treten jedoch Probleme durch Alterung bzw. durch schlechte Kontakte in¬ folge von Verschmutzung oder Korrosion auf.

Bei der Erfassung der Drosselklappenstellung in Verbren¬ nungsmotoren ist es erforderlich, die tatsächliche momen¬ tane Geometrieerfassung, insbesondere im Fahrzeugbau, je¬ derzeit, auch unmittelbar nach einem kurzzeitigen Versor- guangsspannungsausfall oder unmittelbar nach dem Einschal¬ ten der Anordnung zur Positionserfassung präzise festzu¬ stellen. Dies ist mit einer Anordnung nach der DE 38 26 408 AI prinzipiell möglich. In dem Buch "Halbleiter¬ sensoren", Hrsg. Prof. Dr. Ing. W.J. Bartz et al . , Expert Verlag werden im Kapitel 6.4 auf Seite 259 ff., insbeson¬ dere im Teil 6.4.3 "Analoge Positionserfassung" auf den Seiten 265 bis 267 Positionserfassungsanordnungen prinzi¬ piell beschrieben, wie sie in einer solchen Anordnung ein¬ setzbar sind. Hierbei wird einfach die Hall-Spannung in Abhängigkeit von dem Abstand eines Hall-Elementes von ei¬ nem beweglichen Permanentmagneten als Abstandskriterium herangezogen. Wie insbesondere im Bild 6.20 auf Seite 625 zu erkennen ist, zeichnet sich eine solche Anordnung je¬ doch durch einen sehr geringen Bereich mit linearem Zusam- menhang zwischen Entfernungsänderung und Magnetfeldände- rung aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Anordnung zur Geometrieerfassung mit Hilfe von Hall- Elementen, bei der die vorgenannten Probleme nicht oder nur in sehr geringem Maße auftreten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Günstige Ausgestaltungs¬ formen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung der Drossel¬ klappenstellung enthält eine Vielzahl von Hall-Elementen, die entweder entlang einer Geraden oder entlang einer vor¬ gegebenen Linie in vorgegebenem Abstand voneinander ange¬ ordnet sind und aus einer Interpolationsschaltung, die mindestens die analoge Ausgangsgröße von zwei Hall-Elemen¬ ten interpoliert. Mit einer solchen Anordnung läßt sich die geometrische Verteilung eines konstanten Magnetfeldes entlang der Hall-Elementekette erfassen. Hierbei werden die linearen Bereiche der einzelnen Hall-Elemente durch Interpolation der Ausgangsgrößen der einzelnen Hall-Ele¬ mente und in Abhängigkeit von der geometrischen Anordnung der einzelnen Hall-Elemente zueinander derart überlagert, daß die Gesamtanordnung einen sehr großen Bereich mit linearem Zusammenhang zwischen der Geometrieänderung des zu erfassenden Magnetfeldes und dem Ausgangssignal der

Gesamtanordnung hat. Ist durch die Gesamtanordnung sicher¬ gestellt, daß die von der Hall-Elementeanordnung erfaßte magnetische Induktion eindeutig der relativen geometri¬ schen Anordnung zwischen der Hall-Elementeanordnung und einem Gegenstand, also der Drosselklappenstellung zugeord¬ net werden kann, so ist jedem Pegel des Ausgangssignales der Interpolationsschaltung eindeutig eine Drosselklappen¬ stellung zuordenbar. Hierbei kann durch Variation der Ab¬ stände zwischen einzelnen Hall-Elementen, durch Variation

des Arbeitspunktes der einzelnen Hall-Elemente sowie durch entsprechende Dimensionierung der Interpolatioπsschaltung ein linearer Zusammenhang zwischen der zu erfassenden geo¬ metrischen Größe und dem Analogwert des Ausgangssignales der Interpolationsschaltuπg erreicht werden.

Eine Linearisierung des Zusammenhanges zwischen dem zu er¬ fassenden geometrischen Zusammenhang und dem elektrischen Ausgangssignal der Anordnung innerhalb der vorzugsweise monolithisch integrierten Schaltung erleichtert den Aufbau und den Abgleich einer Gesamtanordnung sehr. Es muß ledig¬ lich noch sichergestellt werden, daß zwischen dem zu er¬ fassenden geometrischen Zusammenhang, beispielsweise einer Drosselklappenstellung, und der geometrischen Verteilung eines magnetischen Gleichfeldes über der Hall-Elementean¬ ordnung ein linearer Zusammenhang besteht.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung wird hierbei die geometrische Anordnung eines magnetischen Gleichfeldes er- faßt. Demgegenüber wird bei bekannten Anordnung eine durch die Geometrieänderung bedingte Änderung der Stärke des Magnetfeldes unabhängig von seiner geometrischen Vertei¬ lung erfaßt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert .

Es zeigt:

Figur 1 in schematischer, perspektivischer Darstellung eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen

Anordnung mit einer Vorrichtung mit Magnetfeld¬ quelle und einer Anordnung aus einer Vielzahl von Hall-Elementen, die entlang einer im Beispiel ge¬ raden Linie angeordnet sind und mit einer Inter- polationsschaltung ;

Figur 2a in schematischer Darstellung eine Vielzahl von Hall-Elementen, wie sie in einer Anordnung nach Figur 1 eingesetzt sein kann; Figur 2b die Magnetfeldverteilung bzw. die magnetische Induktion B in Abhängigkeit vom Ort, wie sie in einer Anordnung nach Figur 1 auf die Vielzahl der Hall-Elemente wirkt; Figur 2c in schematischer Darstellung den ortsabhängigen

Hall-Spannungsverlauf für die einzelnen Hall-Ele- mente nach Figur 2a;

Figur 3a eine mögliche Ausgestaltungsform einer Interpola¬ tionsschaltung für eine erfindungsgemäße Anord¬ nung, bei der jedem Hall-Element ein Differenz¬ verstärker zugeordnet ist; Figur 3b den Signalverlauf des nichtinvertierenden Aus¬ ganges einer Interpolationsschaltung nach Figur 3a sowie die entsprechenden Signalverläufe für die einzelnen Differenzverstärkeranordnungen dieser Interpolationsschaltung; Figur 3c eine weitere mögliche Ausgestaltungsform einer Interpolationsschaltung; Figur 4 eine weitere mögliche Ausgestaltungsform einer Blende in Verbindung mit einer Abschirmung zur Verwendung in einer Vorrichtung mit Magnetfeld- quelle in Figur 1, die geeignet ist, eine lokale

Magnetfeldänderung in Longitudinalrichtung in Abhängigkeit von einem Drehwinkel zu bewirken. Figur 5 eine weitere mögliche Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausgestal¬ tungsform einer Anordnung zur Erfassung eines geometri¬ schen Zusammenhanges mit einer Vorrichtung Q mit Magnet¬ feldquelle Mg. Die Magnetfeldquelle Mg ist vorzugsweise als Permanentmagnet ausgebildet und stellt in einem Aus-

führungsbeispiel nach Figur 1 ein konstantes flächenver¬ teiltes Magnetfeld mit der magnetischen Induktion B be¬ reit. Die Anordnung nach Figur 1 enthält sechs Hall-Ele¬ mente H, , H ₂ , H,, H , H ₅ und Hg, die entlang einer im Ausführungsbeispiel geraden Linie G derart angeordnet sind, daß die Magnetfeldlinien der Magnetfeldquelle Mg im wesentlichen parallel zueinander bezüglich der Hall-Ele¬ menteanordnung gerichtet sind. Die Vorrichtung mit Magnet¬ feldquelle Q hat eine mindestens zwischen der Magnetfeld- quelle Mg und der Hall-Elementeanordnung H,... sich er¬ streckende Abschirmvorrichtung Seh, die im Bereich zwi¬ schen der Magnetfeldquelle Mg und der Hall-Elementeanord¬ nung eine vorgegebene Öffnung OP aufweist. Diese Öffnung OP kann von einer Blende BL ganz oder teilweise abgedeckt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel, bei entlang einer geraden Linie G angeordneten Hall-Elementen H,...H,. ist die Öffnung OP länglich und erstreckt sich parallel zu der geraden Linie G. Die Blende BL ist in Abhängigkeit von der Bewegung eines Gegenstandes EG, dessen relative Lage zu der Hall-Elementeanordnung H,...H ₆ zu erfassen ist, entlang einer Linie, die sich parallel zur geraden Linie G erstreckt, bewegbar. Hierbei ist die Öffnungsbreite der Blende in Longitudinalrichtung abhängig von der Momentan¬ lage der Blende und somit des Gegenstandes EG entlang ei- ner Strecke 1. Bei dieser Anordnung stellt die Vorrichtung Q mit der Magnetfeldquelle Mg in Abhängigkeit von der mo¬ mentanen Lage des Gegenstandes EG über einem bestimmten Bereich der Vielzahl von Hall-Elementen ein pro Flächen¬ einheit bzw. Längeneinheit im wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld bereit. Die mit diesem Magnetfeld bzw. der da¬ von abhängigen magnetischen Induktion beaufschlagten Hall- Elemente liefern jeweils eine von der magnetischen Induk¬ tion abhängige Hall-Spannung an ihrem Ausgang. Die Ausgän¬ ge der einzelnen Hall-Elemente H,, H ₂ ...H ₆ sind an eine Interpolationsschaltung IPS geschaltet. Diese Interpola-

tionsschaltung IPS stellt an einem Ausgang in Abhängigkeit von den Hall-Spannungen der einzelnen Hall-Elemente ein Signal Io bereit. Der Ausgang der Interpolationsschaltung IPS ist mit einem Eingang einer Auswerteschaltung AS ver- buπden. Die Vielzahl der Hall-Elemente, die Interpola¬ tionsschaltung und die Auswerteschaltung sind in dem Aus¬ führungsbeispiel nach Figur 1 vorzugsweise in einem einzi¬ gen Halbleiterkörper HL integriert. Die Auswerteschaltung AS kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich gestaltet sein. Insbesondere kann sie einen Analog-Digital-Wandler enthalten.

Figur 4 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform einer Vorrichtung mit Magnetfeldquelle für eine Anordnung nach Figur 1. Die Schirmvorrichtung SCH hat hierbei eine schlitzförmige, im wesentlichen längliche Öffnung OP, die zwischen der Magnetfeldquelle (s. Figur 1) und der Hall- Elementeanordnung (s. Figur 1) parallel zur Ausrichtungs¬ geraden G der Hall-Elemente ausgerichtet ist. Die Blende BL1 hat eine besonders gestaltete kurvenförmige Kante K und ist drehbar gelagert in einem Rotationspunkt RP, der sich auf der Mittellinie der Öffnung OP in Längsrichtung befindet. Die Kante K ist derartig geformt, daß eine Dreh¬ winkeländerung der Blende BL1 zu einer hierzu proportiona- len Längenänderung der von der Blende BL1 und der Öffnung OP der Schirmvorrichtung freigegebenen Öffnung führt. Die gezeigte Ausgestaltungsform ist geeignet, eine Winkeldre¬ hung von 90° in eine hierzu proportionale Längenänderung umzuwandeln.

Figur 2a zeigt in schematischer Darstellung eine Reihe von entlang einer geraden Linie angeordneten Hall-Elementen. Hierbei ist das erste Element Hl, zwei benachbarte Elemen¬ te Hi und Hj und das letzte Element Hn dargestellt. Die Gesamtzahl der Hall-Elemente soll hierbei n sein, wobei n

eine ganze, positive Zahl größer als 1 ist. In Figur 2a ist für jedes Hall-Element eine Arbeitspunktstromquelle IM-, , I _* ... dargestellt. Außerdem sind die Ausgangs- spaπnungen der einzelnen Hall-Elemente UM-, , UM;, U • und U _Hπ gezeigt.

Figur 2b zeigt den potentiellen Verlauf der magnetischen Induktion über der Hall-Elementeanordnung in Abhängigkeit von der Strecke 1. Hierbei sind die Grenzwerte gestrichelt dargestellt und ein beispielhafter Wert ist in Vollinie gezeigt. Wie zu erkennen ist, wirkt in einer erfindungsge¬ mäßen Anordnung vorzugsweise eine konstante magnetische Induktion läπgenabhängig auf die Hall-Elementeanordnung.

Figur 2c zeigt die von den jeweiligen Hall-Elementen Hl, Hi, Hj bzw. Hn bereitgestellten Hall-Spannungen U,,, , U . , UM- bzw. U _Hn in Abhängigkeit von der Länge 1 in schemati¬ scher Darstellung.

Im einfachsten Fall kann eine Auswertung derart erfolgen, daß die Hallelemente in Reihe geschaltet werden, so daß die Einzelausgangsspannungen aufsummiert werden. Dann er¬ gibt sich ein quasi linearer Zusammenhang, da die einzel¬ nen Hallelemente in Teilbereichen eine lineare Ausgangs- Spannung liefern.

Figur 3a zeigt eine mögliche Ausgestaltungsform einer In¬ terpolationsschaltung IPS zur Verwendung in einer erfin¬ dungsgemäßen Anordnung. Die gezeigte Interpolationsschal- tung sieht für jedes Hall-Element Hl, ...Hi, ...Hn eine Dif¬ ferenzverstärkerstufe mit einem Spannungssignaleingang und einem Stromsignalausgang vor. Die Stromsignalausgänge der einzelnen Differenzverstärkerstufen DVi, DVj sind in einem gemeinsamen Stromknoten zusammengefaßt. Hierbei sind die das positive Ausgangssignal Io _i ⁺ , Io. ⁺ ,... führenden Aus-

gänge der Differenzverstärkerstufen DVi, DV ,... in einem gemeinsamen Stromknoten Io ⁺ zusa engefaßt und die das negative Stromausgangssignal Io. ^~ , Io.-,... führenden Signalausgänge der Differenzverstärkerstufen DVi, DVj,... bilden den gemeinsamen Stromausgang ^.Io ^" . Die Arbeits¬ punkte der einzelnen Differenzverstärkerstufen DVi, DVj,... sind jeweils über eine Stromquelle mit einem Strom Io., Io-,... eingestellt. Jede Differenzverstärkerstufe hat einen, vorzugsweise symmetrischen Signaleingang, der mit dem Signalausgang eines einzelnen Hall-Elementes Hl, ...Hi, Hj...Hn zusammengeschaltet ist und somit mit der entsprechenden Hall-Spannung U ., U _H ., ... beaufschlagt ist. Für die in Figur 3a gezeigte Anordnung gilt, daß der Gesamtstrom aller den jeweiligen Arbeitspunkt einstellen- den Stromquellen Io., Io^,... konstant ist und den Strom Io bildet. Der Strom ^ ^l0 setzt sich hierbei zusammen aus den positiven Signalströmen und den negativen Signal¬ strömen, so daß gilt:

Figur 3c zeigt eine weitere Ausgestaltung der in Figur 3a gezeigten Interpolationsschaltung. Sie weist gegenüber der Schaltung gemäß Figur 3a wahlweise folgende Modifikationen auf. Zusätzlich ist zwischen die Emitter der Differenzver- stärkerstufe ein Gegenkopplungswiderstand R. zwischengeschal¬ tet. Desweiteren können Kollektorteilströme I,, ¹ von einem der Transistoren zur Gegenkopplung mit dem jeweiligen an¬ deren Stromknoten ~~ ^" Io ⁺ oder -5— ^" Io ^~ verbunden werden. Schließ- lieh kann den Eingängen jeder Auswertestufe ein individuel¬ ler Trennverstärker V^ mit wählbarer Verstärkung vorgeschal¬ tet werden.

Figur 3b zeigt den Verlauf der einzelnen positiven Strom¬ signale Io, ⁺ , Io. ⁺ , Io. ⁺ ,... Io _n ⁺ in einer Anordnung nach Figur 3a sowie den Verlauf des Stromsignales 2]lo ⁺ der Ge-

samtanordnung für den Fall, daß eine gerade Anzahl von Hall-Elementen verwendet wird. Die Darstellung nach Figur 3b ist idealisiert, gibt jedoch weitgehend den Zusammen¬ hang zwischen einem ortsabhängigen Magnetfeld und einem Ausgangssignal einer Interpolationsschaltung IPS für eine erfindungsgemäße Anordnung, wie sie beispielsweise in Fi¬ gur 1 dargestellt ist. Die Linearität des Zusammenhanges zwischen Ort und Ausgangssignal kann hierbei durch unter¬ schiedliche Maßnahmen optimiert werden. Einerseits können die Hall-Sensoren in unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnet werden oder insgesamt unterschiedlich ausge¬ führt sein. Außerdem können die Arbeitspunktströme Io,,... Io^, Io-,...Io _n der einzelnen Differenzverstärkerstufe DVi,... einer Interpolationsschaltung unterschiedlich groß sein. Weiterhin können die Differenzverstärker unterschied¬ liche Geometrie aufweisen. Auch eine Gegenkopplung in den Differenzverstärkern einer Interpolationsschaltung IPS führt zu einer Veränderung des ortsabhängigen Ausgangssi¬ gnales der Gesamtanordnung. Eine weitere Möglichkeit, eine Interpolationsschaltung auszuführen, besteht darin, kreuz¬ gekoppelte Differenzverstärker zu verwenden, wobei in bi¬ polarer Ausgestaltung jeweils die Basisanschlüsse zweier Transistoren mit unterschiedlich großen Emitterflächen zu¬ sammengeschaltet sind und ein Eingangstor der Differenz- Verstärkerschaltung bilden, wobei darüber hinaus die Emit¬ teranschlüsse der vier eine Differenzverstärkerstufe bil¬ denden Transistoren zusammeengeschaltet sind und über eine Konstantstromquelle an ein Versorgungspotential geschaltet sind und wobei die Kollektoranschlüsse der Transistoren zusammengeschaltet sind, die sich sowohl in der Emitter¬ fläche als auch im Signaleingang unterscheiden.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Anordnung. In der schematischen Darstellung ist wiederum eine Magnetfeldquelle Mg zur Erzeugung eines pa-

rallelen Magnetfeldes zwischen zwei Polen ähnlich einem Hufeisenmagnet vorgesehen. Der erste Pol Fei ist mit der Magnetfeldquelle M fest verbunden. Der zweite ist auf seiner Längsachse horizontal beweglich angebracht. Im dar- gestellten Beispiel ist der erste Pol Fei unterhalb und der zweite bewegliche Pol Fe2 oberhalb der Magnetfeldquel¬ le Mg angebracht. Zwischen den Polen Fei und Fe2 ist auf dem Pol Fei eine Vielzahl von Hallelementen H, ...H ange¬ bracht. Diese können beispielsweise in einer integrierten Schaltung integriert werden. Durch Bewegung des Pols Fe2 werden mehr oder wenig ^s er Hallelemente HI, bis H„n von einem konstanten Magnetfeld durchflössen. Bei Auswertung mittels einer der verstehenden Auswerteschaltungen kann so ein zur Bewegung des Pols Fe2 lineare Ausgangsspannung erzeugt werden.

Ein Vorteil einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Geome¬ trieerfassung mit Hall-Elementen besteht darin, daß die bei bekannten Anordnungen gegebene Temperaturabhängigkeit und Versorgungsspannungsabhängigkeit des Offset-Signales, der Linearität und der Verstärkung im wesentlichen um ei¬ nen Faktor verringert werden, der dem Kehrwert der Anzahl der verwendeten Hall-Elemente entspricht und, daß weitaus größere Geometrien erfaßbar sind.