Stellvorrichtung mit Hall-Sensor zur Positionserfassung

Abstract

 Bei einer Stellvorrichtung mit einem in einer axialen Richtung (18) verschiebbaren Stellglied (2), einer auf das Stellglied einwirkenden Verstelleinrichtung (3) und einer Wegerkennung zur berührungslosen Erfassung des axialen Verstellweges des Stellgliedes (2), wird vorgeschlagen, dass die Wegerkennung wenigstens ein Hallsensorelement (4) und eine sich bei einer Verschiebung des Stellgliedes (2) relativ zu dem wenigstens einen Hallsensorelement (4) bewegende magnetische Struktur (5) aufweist.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.

[0002] Es ist bekannt, Stellvorrichtungen mit einem in einer axialen Richtung verschiebbaren Stellglied und einer auf das Stellglied einwirkenden Verstelleinrichtung in der Kraftfahrzeugtechnik zur Verstellung beweglicher Teile einzusetzen. Aus der DE 100 27 668 A1 ist beispielsweise eine Stellvorrichtung für eine Bypassklappe eines Turboladers bekannt, die eine als Druckdose ausgebildete Verstelleinrichtung aufweist, die über eine Membran auf ein in einer axialen Richtung verschiebbares und als Betätigungsstange ausgebildetes Stellglied einwirkt. Das Stellglied betätigt über einen Kipphebel ein Bypassventil. Eine den axialen Verstellweg erfassende Wegerkennung ist jedoch nicht vorgesehen. Weiterhin ist aus der als nächstliegender Stand der Technik angesehen DE 38 13 691 A1 eine Stellvorrichtung für eine Hinterradlenkung eines Kraftfahrzeuges bekannt. Die Stellvorrichtung weist eine Kolbenstange auf, die mittels einer hydraulischen Verstelleinrichtung in einer axialen Richtung der Kolbenstange verstellbar ist. Die Stellvorrichtung weist außerdem eine als induktiven Weggeber ausgebildete Wegerkennung auf, die zwei Spulen und eine Magnetflussanordnung umfasst. Bei einer Verschiebung der Kolbenstange mittels der Verstelleinrichtung wird ein mit der Kolbenstange verbundener Messkolben relativ zu den Spulen verschoben, wodurch sich die Induktivität der Spulen verändert und ein die Verschiebung repräsentierendes Wegsignal ausgegeben wird. Nachteilig an der bekannten Lösung sind die Komplexität der Wergerkennung, die hohen Herstellungskosten und der benötigte große Bauraum.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

[0003] Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist bei kompaktem Aufbau eine einfach und preiswert herstellbare Stellvorrichtung mit einer zuverlässigen Wegerkennung auf. Die Wegerkennung umfasst in vorteilhafter Weise wenigstens ein Hallsensorelement und eine sich bei Verschiebung des Stellgliedes relativ zu dem wenigstens einen Hallsensorelement bewegende magnetische Struktur. Vorteilhaft ist die Wegerkennung an der Stellvorrichtung derart ausgebildet, dass mittels des wenigstens einen Hallsensorelementes bei einer Verschiebung des Stellgliedes ein den axialen Verstellweg des Stellgliedes repräsentierendes Signal erfasst wird.

[0004] Vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.

[0005] Die Integration der Wegerkennung in die Stellvorrichtung ist besonders einfach, wenn das wenigstens eine Hallsensorelement ortsfest an der Stellvorrichtung festgelegt wird und die magnetische Struktur an dem Stellglied oder einem mit dem Stellglied verbundenen Teil ausgebildet ist.

[0006] Die Stellvorrichtung kann vorteilhaft eine Verstelleinrichtung für das Stellglied aufweisen, die als pneumatische Druckeinrichtung zur Druck- und/oder Unterdruckbeaufschlagung eines Druckraumes mit einem gasförmigen Medium ausgebildet ist und eine den Druckraum teilweise begrenzende, auf das Stellglied einwirkende Membran aufweist. Wenn die Druckeinrichtung zusätzlich wenigstens ein Magnetventil zur Druck- und/oder Unterdruckbeaufschlagung des Druckraumes aufweist, kann der elektrische Anschluss des Magnetventils und der elektrische Anschluss des Hallsensorelementes vorteilhaft über eine gemeinsame Kontakteinrichtung erfolgen.

[0007] Die magnetische Struktur ist vorteilhaft so ausgebildet, dass sie mehrere in axialer Richtung nebeneinander liegend angeordnete magnetische Marken aufweist. Besonders einfach und preiswert ist es, wenn die magnetische Struktur aus auf das Stellglied aufgedruckten magnetischen Partikeln gebildet wird. Hierzu sind verschiedene Druckmuster, beispielsweise streifenförmig oder punktförmige Muster möglich.

[0008] Wenn das Stellglied aus thermoplastischem Material gebildet wird, ist es vorteilhaft, das Stellglied auf einem Teilabschnitt seiner axialen Länge mit mehreren in der axialen Richtung nebeneinander liegend angeordneten Vorsprüngen zu versehen und die Vorsprünge mit einer magnetischen Heißprägefolie zu beschichten. Auf diese Weise kann das Stellglied besonders leicht und preisgünstig mit einer magnetischen Struktur versehen werden.

[0009] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Stellvorrichtung ein elektronisches Steuerteil aufweist, dem ein den axialen Verstellweg des Stellgliedes repräsentierendes Signal zugeführt wird und in dem ein Ansteuersignal für die Verstelleinrichtung gebildet wird. Insbesondere kann die Stellvorrichtung einen geschlossenen elektronischen Regelkreis zur Einregelung des Verstellweges des Stellgliedes aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

Fig. 1

ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung,

Fig. 2a bis 2c

verschiedene Ausführungsbeispiele einer magnetischen Struktur,

Fig. 3

eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung mit einer gemeinsamen Kontakteinrichtung,

Fig. 4

ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung mit einem elektronischen Schaltungsteil.

Ausführungsformen der Erfindung

[0011] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungemäßen Stellvorrichtung. Die Stellvorrichtung umfasst eine auf ein Stellglied 2 einwirkende Verstelleinrichtung 3, welche als pneumatische Druckeinrichtung mit einem Unterdruckanschluss 10 und einem Atmosphärendruckanschluss 9 ausgebildet ist und einen Druckraum 15 aufweist. In der Verstelleinrichtung 3 ist eine erste Magnetspule 13 und eine zweite Magnetspule 14 angeordnet, die über elektrische Anschlüsse 19 ansteuerbar sind. Mittels der Magnetspule 13 wird ein zwischen den Atmosphärendruckanschluss 9 und den Druckraum 15 geschaltetes erstes Magnetventil 11, mittels der Magnetspule 14 ein zwischen den Unterdruckanschluss 10 und den Druckraum 15 geschaltetes zweites Magnetventil 12 betätigt. Die beiden Magnetventile 11, 12 sind in einem ersten Gehäuseteil 8 der Verstelleinrichtung 3 angeordnet. Über den Magnetspulen 13, 14 ist ein Deckelteil 26 auf das erste Gehäuseteil 8 aufgesetzt. Die elektrischen Anschlüsse 19 der Magnetspulen 13, 14 sind durch das Deckelteil 26 hindurchgeführt.

[0012] Die Verstelleinrichtung weist weiterhin ein zweites Gehäuseteil 7 auf, das auf das erste Gehäuseteil 8 aufgesetzt ist. Zwischen dem ersten Gehäuseteil 8 und dem zweiten Gehäuseteil 7 ist eine bewegliche Membran 6 in der Verstelleinrichtung eingespannt, die mit dem Stellglied 2 verbunden ist. Durch das erste Gehäuseteil 8 und die Membran 6 wird der Druckraum 15 gebildet, der mittels des ersten Magnetventils 11 oder des zweiten Magnetventils 12 mit Atmosphärendruck oder Unterdruck beaufschlagt werden kann. Das Stellglied 2 ist beispielsweise stangenförmig ausgebildet und in einer Öffnung des zweiten Gehäuseteils 7 verschiebbar gelagert. Endseitig weist das Stellglied 2 eine in dem Druckraum 15 gelagerte Kopfplatte 20 auf, an der sich ein Federelement 16 abstützt, das mit seinem anderen Ende an dem ersten Gehäuseteil 8 anliegt.

[0013] Bei geöffnetem ersten Magnetventil 11 und bei geschlossenem zweiten Magnetventil 12 wird der Druckraum mit Atmosphärendruck (also mit einem unter Atmosphärendruck stehendem Gas, wie beispielsweise Luft) beaufschlagt, wodurch sich das Stellglied 2 entgegen der Federkraft des Federelementes 16 in axialer Richtung 18 in Fig. 1 nach unten bewegt. Bei geschlossenem ersten Magnetventil 11 und geöffnetem zweiten Magnetventil 12 wird der Druckraum entlastet und das Stellglied 2 bewegt sich durch die Kraft des Federelementes 16 in Fig. 1 in axialer Richtung 18 nach oben. Durch die Bewegung des Stellgliedes 2 in axialer Richtung nach oben und unten wirkt die Stellvorrichtung als Linearaktuator.

[0014] Natürlich ist es auch möglich, die Verstelleinrichtung nur mit einem Magnetventil und einem einzigen Druckanschluss zu betreiben. Auch andere als pneumatisch wirkende Verstelleinrichtungen, beispielsweise hydraulische Verstelleinrichtungen, sind denkbar.

[0015] Die Stellvorrichtung weist weiterhin eine Wegerkennung auf, die ein Hallsensorelement 4, beispielsweise einen Hall-IC, und eine magnetische Struktur 5 aufweist, die relativ zu dem Hallsensorelement beweglich an der Stellvorrichtung ausgebildet ist. Es wäre beispielsweise möglich, das Hallsensorelement an dem Stellglied 2 festzulegen und eine in Bezug auf das zweite Gehäuseteil 7 ortsfeste magnetische Struktur vorzusehen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedoch das Hallsensorelement in Bezug auf das Gehäuseteil 7 ortsfest angeordnet und das Stellglied mit einer magnetischen Struktur 5 versehen, die sich bei einer Verschiebung des Stellgliedes 2 in der axialen Richtung 18 relativ zu dem Hallsensorelement verschiebt. Das Hallsensorelement ist in der Nähe des magnetischen Struktur angeordnet, so dass es eine sich änderndes Magnetfeldsignal erfassen kann. Die magnetische Struktur 5 kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet werden, wichtig ist, dass durch die Art der Struktur und durch die räumliche Nähe zum Hallsensorelement 4 sichergestellt ist, dass sich bei einer Bewegung des Stellgliedes und der daran angeordneten magnetischen Struktur 5 in axialer Richtung 18 das von dem Hallsensorelement 4 erfasste Magnetfeld ändert. Auf diese Weise ist es möglich mittels des Hallsensorelementes 4 durch ein berührungsloses Abtasten der magnetischen Struktur 5 den axialen Verstellweg des Stellgliedes 2 zu erfassen. Die magnetische Struktur 5 weist zu diesem Zweck mehrere in axialer Richtung nebeneinander liegende magnetische Marken auf. Bewegen sich diese Marken bei einer Verschiebung des Stellgliedes 2 an dem Hallsensorelement 4 vorbei, dann erzeugt das Hallsensorelement ein den axialen Verstellweg des Stellgliedes 2 repräsentierendes Signal an seinem Anschluss 17.

[0016] In Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele der magnetischen Struktur dargestellt. Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer magnetischen Struktur in Form von mehreren senkrecht zur axialen Verstellrichtung 18 verlaufenden Linien 5a, die auf das Stellglied 2 mittels einer magnetische Partikel enthaltenden Paste aufgedruckt sind. Dies kann beispielsweise im so genannten Tampon-Print-Verfahren erfolgen. Fig. 2b zeigt ein Ausführungsbeispiels mit kreisförmigen magnetischen Marken 5b, die in einer Reihe nebeneinander liegend angeordnet sind und ebenfalls mittels einer magnetischen Paste auf den Außenumfang eines Stellgliedes 2 aufgedruckt sind. Bei dem in Fig. 2c dargestellten Ausführungsbeispiels ist das Stellglied 2 als Spritzgussteil aus thermoplastischem Material gebildet. Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt des Stellglieds 2. In Öffnungsrichtung des Spritzgusswerkzeuges werden Vorsprünge 21 an dem Stellglied mit angespritzt, die anschließend mit einer magnetischen Heißprägefolie 22 beschichtet werden. Dadurch bildet sich eine kammartige Struktur aus mehreren in axialer Richtung mit Abstand nebeneinander liegenden magnetischen Flächenmarken.

[0017] Fig. 3 zeigt wie sich die Stellvorrichtung 1 in einen geschlossenen Regelkreis einbinden lässt. Ein an eine Spannungsversorgung 25 angeschlossenes Steuergerät 24 überträgt Ansteuersignale für die Magnetventile 11 und 12 auf Signalpfaden 33, 34 bis zu einer Kontakteinrichtung 23 der Stellvorrichtung und von dort zu den Magnetventilen 11, 12. Die Spannungsversorgung für das Hallsensorelement 4 wird vom Steuergerät 24 über die Leitung 32 an die Kontakteinrichtung 23 und von dort zum Hallsensorelement 4 übertragen. Das Hallsensorelement 4 liefert als Lagerückmeldung ein den axialen Verstellweg des Stellgliedes 2 repräsentierendes Signal auf dem Signalpfad 31 über die Kontakteinrichtung 23 an das Steuergerät 24. Es ist somit erkennbar, dass alle elektrischen Anschlüsse über die gleiche Kontakteinrichtung 23 der Stelleinrichtung 1 geführt sind. Das Steuergerät 24 steuert die Magnetventile 11 und 12 in Abhängigkeit von dem Lagerückmeldungssignal des Hallsensorelementes 4 derart, dass eine vom Steuergerät vorgegebene axiale Position des Stellgliedes 2 angefahren wird.

[0018] Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem außer der Wegerkennung auch ein elektronischer Regelkreis in die Stellvorrichtung 1 integriert ist. Hierzu ist ein elektronisches Schaltungsteil 30 vorgesehen, das über einen Signalpfad 45 ein Sollwertsignal für den Stellweg des Stellgliedes 2 von einem Steuergerät 24 erhält und über einen Spannungsversorgungspfad 47 mit einer Versorgungsspannung von dem externen Steuergerät 24 versorgt wird. Das Schaltungsteil 47 liefert ein Quittierungssignal über einen Signalpfad 46 an das Steuergerät 24 zurück. Die Signalpfade 45 und 46 und die Spannungsversorgung 47 sind vorzugsweise über die gleiche Kontakteinrichtung 23 geführt. Das elektronische Schaltungsteil 30 versorgt das Hallsensorelement 4 über den Versorgungspfad 42 mit Spannung erhält von dem Hallsensorelement 4 ein den axialen Verstellweg des Stellgliedes 2 repräsentierendes Signal über den Pfad 41. In Abhängigkeit von dem übertragenen, den axialen Verstellweg des Stellgliedes 2 repräsentierenden Signal bildet das Schaltungsteil 30 Steuersignale, welche den Magnetventilen 11 und 12 auf den Pfaden 43 und 44 übertragen werden. Die Magnetventile werden so lange angesteuert, bis sich das Stellglied in der vom Steuergerät 24 vorgegebenen Sollposition befindet. Nachdem sich das Stellglied in der Sollposition befindet, gibt das Schaltungsteil 30 ein Quittierungssignal an das Steuergerät 24 zurück.

Ansprüche

1. Stellvorrichtung mit einem in einer axialen Richtung (18) verschiebbaren Stellglied (2), einer auf das Stellglied einwirkenden Verstelleinrichtung (3) und einer Wegerkennung zur berührungslosen Erfassung des axialen Verstellweges des Stellgliedes (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Wegerkennung wenigstens ein Hallsensorelement (4) und eine sich bei einer Verschiebung des Stellgliedes (2) relativ zu dem wenigstens einen Hallsensorelement (4) bewegende magnetische Struktur (5) aufweist.

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verschiebung des Stellgliedes (2) mittels des wenigstens einen Hallsensorelementes (4) ein den axiale Verstellweg des Stellgliedes (2) repräsentierendes Signal erfassbar ist.

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Hallsensorelement (4) ortsfest an der Stellvorrichtung ausgebildet ist und dass die magnetische Struktur (5) an dem Stellglied (2) oder einem mit dem Stellglied verbundenen Teil ausgebildet ist.

4. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (3) eine pneumatische Druckeinrichtung zur Druck- und/oder Unterdruckbeaufschlagung eines Druckraumes (15) mit einem gasförmigen Medium und eine den Druckraum (15) teilweise begrenzende, auf das Stellglied (2) einwirkende Membran (7) aufweist.

5. Stellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung wenigstens ein Magnetventil (11, 12) zur Druck- und/oder Unterdruckbeaufschlagung des Druckraumes (15) aufweist, und die elektrischen Anschlüsse (19) des wenigstens einen Magnetventils (11, 12) und die elektrischen Anschlüsse (17) des Hallsensorelementes (4) über eine gemeinsame Kontakteinrichtung (23) erfolgen. (Fig. 3)

6. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Struktur (5) mehrere in axialer Richtung (18) nebeneinander liegend angeordnete magnetische Marken aufweist.

7. Stellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Struktur (5) aus auf das Stellglied (2) aufgedruckten magnetischen Partikeln gebildet ist.

8. Stellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (2) aus thermoplastischen Material gebildet ist und einen mit mehreren in der axialen Richtung (18) nebeneinander liegend angeordneten Vorsprüngen (21) versehenen Abschnitt aufweist, wobei die Vorsprünge mit einer magnetischen Heißprägefolie (22) beschichtet sind. (Fig. 2b)

9. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung ein elektronisches Schaltungsteil (30) aufweist, dem ein den axialen Verstellweg des Stellgliedes (2) repräsentierendes Signal zugeführt wird und das in Abhängigkeit von dem den axialen Verstellweg repräsentierenden Signal ein Ansteuersignal für die Verstelleinrichtung (3) bildet.

10. Stellvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (1) einen elektronischen Regelkreis zur Einstellung des Verstellweges des Stellgliedes (2) aufweist.

Zeichnung