DE2252097A1

DE2252097A1 - Winkelstellungsdetektor mit magnetischen elementen

Info

Publication number: DE2252097A1
Application number: DE2252097A
Authority: DE
Inventors: Kosaku Baba; Kiyoshi Wazawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1971-11-08
Filing date: 1972-10-24
Publication date: 1973-05-30
Also published as: FR2159862A5; GB1350366A; JPS4854957A; AU4167672A; US3777273A; CA1001736A

Description

PATENTANy/ALTSBÜRO TlEDTKE ·» DÜHUNG, TEL. (0811) 53 02111 TELEX: i-24 303 topal £. £. O 4 U " '

PATENTANWÄLTE München; Frankfurt/M.:

Dipl.-Ing. H. Tiedtke (Fuchahohl 71)

Pipl.-Chem, Q. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Pipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8 0QQ MUnchen %

.24. Oktober 1972

Nissan Motor Company, Limited Yokohama City / Japan

Winkelstellungsdetektor mit magnetischen Elementen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zum Gebrauch in e,inem Kraftfahrzeug und insbesondere auf einen Detektor zum Anzeigen der Winkellage einer Welle eines Teiles in einem Kraftfahrzeug, wie einer Drosselklappenwelle und einer Lenksäule.

Zur Verbesserung der Fahreigenschaft und zur Reduzierung von giftigen Anteilen in den Abgasen wurden in jüngster Zeit elektrische Kraftstoff-Einspritzsysteme, elektrische automatische Übertragungssysteme usw. entwickelt, welche in Übereinstimmung mit verschiedenen Bedingungen von Teilen in einem Kraftfahrzeug arbeiten.

Mündliche Abreden. Insbesondere durch Telefon, bedürfen schriftlicher Bestattung 3ü"OiZ/ U /OU Postichtck (München) Kto. 116874 Drtidnor Bunk (München) KIn 5 589 703

Ee wurden deshalb verschiedene Petektoren zur Ermittlung der Winkellage einer Welle eines Teils in einem Kraftfahrzeug entwickelt, von denen eines ein Potentiometer oder einen Spannungsteiler benutzt. Obwohl der Detektor mit dem Potentiometer vorteilhaft hinsichtlich seiner wirtschaftlichen Kosten und seines kompakten Aufbaus ist, ist er nicht voll befriedigend, weil ein Schleifkontakt zwischen einem Schleifabgriff und einem Widerstand des Potentiometers empfindlich ist gegenüber auf den Detektor ausgeübten Stößen und Vibrationen und gegenüber in der umgebenden Atmosphäre enthaltenen chemischen Verbindungen·

Daneben gibt es einen Detektor mit veränderlicher Induktivität» der einen Oszillator, eine mit einem beweglichen Kern verbundene Koppelspule, einen Gleichrichter usw. enthält. Dieser Detektortyp ist deshalb teuer und groß im Volumen aufgrund seiner vielen Teile und außerdem empfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur, weil einige der obengenannten Teile hitzeempfindliche Kristallelemente, wie einen Transistor, enthalten.

Mit der Erfindung wird ein Detektor zur Erzeugung eines eleketrischen Signals geschaffen, das die Winkellage einer Drehwelle darstellt. Nach der Erfindung besitzt dieser Detektor eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, in welchem sich ein Magnetfluß derart verteilt, daß er eich entsprechend der Winkellage der Drehwelle verändert, mindestens ein Paar magnetisch wirksamer Elemente, die jeweils

309822/0750

eine entsprechend einer hindurchgehenden magnetischen Flußdichte veränderbare Eigenschaft besitzen und im magnetischen Feld derart angeordnet Bind, daß sie im Abstand zueinander senkrecht zur magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes verlaufen, und eine elektrische Schaltung, die die Elemente in Reihe miteinander verbindet und eine Spannung an die beiden in Reihe geschalteten Elemente anlegt, um die Änderung der Eigenschaft der Elemente abzugreifen, wodurch sich ein Potential an der Verbindungsstelle zwischen den Elementen entsprechend der Winkellage der Drehwelle ändert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand Bchematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2 - 2^f in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3 - 3' in Fig. 1,

Fig. Ί ein Schaltbild zur Darstellung einer Schaltungsanordnung für die spezielle Vorrichtung,

Fig. 5 eine Darstellung einer Kennlinie der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

J-

309822/0750

Fig. 6 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 einen Schnitt nach Linie 7 - 7* in Fig. 6.

Übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile in den Darstellungen.

Der erfindungsgemäße Winkelpositionsdetektor ist besonders für den Gebrauch bei Kraftfahrzeugen geeignet und soll speziell für diese Anwendung beschrieben werden. Es sei jedoch bemerkt, daß die Vorteile der Erfindung bei jeder anderen Vorrichtung angewandt werden können. Im Fall einer Kraftfahrzeuganwendung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit der Drosselklappenwelle oder mit der Lenksäule verwendet werden. Der Einfachheit halber soll die Vorrichtung jedoch nur für die Anwendung in Verbindung mit einer Drosselklappenwelle beschrieben werden.

In den Zeichnungen und insbesondere in Flg. 1 ist ein Winkelstellungsdetektor 10 zum Ermitteln einer Drehlage oder -bewegung der Drosselklappenwelle dargestellt, der ein erstes Plattenmagnetorgan 12 besitzt, das aus magnetischem Material, wie Eisen, hergestellt ist und vorzugsweise kreiskegelstumpfförmig ist. Ein Paar säulenförmiger Magnete IiI und IM * stehen mit ihrem Nordpol auf einer Breitseite (Hauptfläche) des ersten Plattenmagnetorgans 12. Ein zweites Plattenmagnetorgan 16 aus magnetischem Material und vorzugsweise in Form

3098 2 2/0750

eines Kreiskegelstumpfes ist auf den Südpolen der Magnete 14 und 14' montiert, Daa zweite Plattenmagnetorgan 16 besitzt eine kreisförmige öffnung 18, die sich von der einen Breiteeite des Organs 16 zur anderen erstreckt. Ein Säulenglied 20 ist durch seinen im mittleren Teil liegenden Einkerbungsabschnitt 22 mit der öffnung 18 des zweiten Plattenmagnetorgans 16 verbunden. Das Glied 20 besitzt einen zu exzentrischer und vorzugsweise zu halbkreisförmiger Gestalt geformten Endabschnitt 20a. Aufgrund dieser Konstruktion werden zwei magnetische Kreise durch die Magnete I¹J und 14 *, die Magnetorgane 12 und 16 und durch die Drehwelle 20 gebildet, so daß Magnetflüsse erzeugt werden, die jeweils vom Nordpol des Magnets 14 bzw. 14' durch das Organ 12, die Drehwelle 20 und das Organ 16 zum Südpol des Magnets 1-4 bzw. 14' verlaufen. Ein Paar magnetisch wirksamer Elemente 24 und'24', die. jeweils eine entsprechend einer hindurchgehenden magnetischen Plußdichte veränderliche Eigenschaft besitzten, sind im Abstand voneinander auf der Breitseite des ersten Plattenmagnetorgans 12 und unter dem Endabschnitt 20a der Drehwelle 20 angeordnet. Die Elemente sind vorzugsweise symmetrisch zur Rotationsachse der Drehwelle 20 angeordnet. Ein magnetisches Widerstandselement, eine Magnietdiode oder ein magnetisches Hall-Element, die eine durch Magnetkraft veränderliche Eigenschaft besitzen, können als das magnetisch beeinflußbare Element 24 bzw. 24' verwendet werden. Die derart angeordneten magnetisch wirksamen Elemente 24 und 24· sind einem Magnetfeld ausgesetzt, das in einem Luftspalt zwischen der Drehwelle 20 und dem Organ

309822/0750

12 herrscht und durch die Magnetflüsse A und B erzeugt wird. Das andere Ende 2Qb der Drehwelle 20 ist andererseits zur Verbindung mit der Drosselklappenwelle (nicht dargestellt) geeignet, so daß die Welle 20 sich in Übereinstimmung mit der Drehung der Drosselklappenwelle dreht.

In der Fig. 2 verteilen sich die Magnetflüsse A und B im Organ 16 entsprechend den unterbrochenen Linien. Es ist klar, daß die Verteilung der Magnetflüsse A und B aufgrund der symmetrischen Konstruktion des Oberteils des Detektors 10 symmetrisch ist.

Gemäß Darstellung in Fig. 3 verteilen sich die Magnetflüsse A und B im Organ 12 entsprechend den unterbrochenen Linien. Es sei bemerkt, daß die Verteilung der Magnetflüsse A und B aufgrund der exzentrischen Gestalt des Endabschnittes 20a der Drehwelle 20 verzerrt ist. Außerdem ist zu bemerken, daß bei Drehung der Drehwelle 20 aufgrund der Bewegung der Drosselklappenwelle die verzerrte Verteilung der Flüsae aufgrund der Bewegung der Endfläche 20a verändert wird und daß gleichzeitig die Verteilung des Magnetflusses des Magnetfeldes im Luftspalt entsprechend der Drehung der Drehwelle 20 verändert wird. Der Widerstand der Elemente 2*1 und 2*4' wird deshalb entsprechend der Drehung der Drehwelle 20 verändert. Die Widerstandsänderungen der magnetisch beeinflußbaren Elemente 2k und 24' sind dementsprechend repräsentativ für eine Winkellage oder eine Drehbewegung der Drosselklappenwelle.

309822/0750

Die Widerstandsänderungen der Elemente 24 und 24· werden durch eine in Pig. 4 dargestellte Schaltung ermittelt, bei der ein Anschluß des Elements 24 über einen Leiter 30 an Masse liegt und der andere Anschluß über einen Leiter 32 mit einem Anschluß des Elements 24' verbunden ist. Der andere Anschluß des Elements 24' iet über einen Leiter 34 mit einer Klemme 36 verbunden, mit der eine Gleichstromquelle (nicht dargestellt) mit einer Spannung V verbunden ist, um eine bestimmte Stromstärke durch die Elemente 24 und 24' fließen zu lassen. Eine Ausgangsklemme 38 ist über einen Leiter 40 mit dem Leiter 32 verbunden. Eine weitere Ausgangsklemme 42 liegt über einen Leiter 44 an Masse. Durch die obige Anordnung wird die Spannung V in eine Spannung V unterteilt, welche an den Klemmen 38 und 42 erscheint. Die Spannung V wird entsprechend der Widerstandsänderung der Elemente 24 und 24' verändert. Dadurch repräsentiert die Spannungsänderung die Winkellage der Drosselklappenwelle bzw. die Drosselöffnung, Die Änderung der Spannung V wird deshalb als ein die Drossel' öffnung repräsentierendes Spannungssignal für verschiedene Systeme, wie automatische Übertragungssysteme und Kraftstoffeinspritzsysteme, benutet.

Dabei ist zu bemerken, daß der erfindungsgemäße Detektor von der Umgebungstemperatur nicht beeinflußt wird, weil die Ausgangsspannung des Detektors nur von einem Verhältnis der Widerstände des Elements 24 und 24' gesteuert wird.

309822/07 50

Die Änderung der AuBgangsspannung V in Fig. 4 iet in einer graphischen Darstellung in Fig. 5 gezeigt, wobei die Abszissen- bzw. die Ordinatenachse die Drosselöffnung und die Spannung V₀ darstellen. Der Darstellung gemäß variiert die Spannung V proportional zur Drosselöffnung von einem Wert V₂ bis zu einem anderen Wert V-. Die Werte V , und V₂ entsprechen beispielsweise den Winkelstellungen für die geschlossene und für die ganz geöffnete Drossel.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors gezeigt, die ein erstes Plattenmagnetorgan 12 besitzt, das aus magnetischem Material hergestellt und vorzugsweise zu einem Kreiskegelstumpf geformt ist· Zwei Magnete lH und IM¹ stehen mit ihrem Nordpol auf einer breitseite des ersten Plattenmagnetorgane 12. Ein zweites Plattenmagnetorgan 16 aus magnetischem Material ist auf den Südpolen der Magnete I^ und 1Ί¹ montiert. Das Organ 16 besitzt einen säulenförmigen Fortsatz 16a, der in Richtung auf das erste Magnetorgan 12 vorragt, so daß ein enger Luftspalt zwischen der Endfläche des Fortsatzes 16a und der Breitseite des Organs 12 gebildet wird. Durch den Fortsatz 16a und das Organ 16 ist eine zylindrische Bohrung eingebracht, in welcher eine Drehwelle 20 aus nicht-magnetischem Material drehbar sitzt. Die Drehwelle 20 besitzt einen zu exzentrischer, vorzugsweise zu halbkreisförmiger Gestalt geformten Endabschnitt 20a, der sich über die Endfläche des Fortsatzes 16a erstreckt. Aufgrund dieser Konstruktion werden zwei magnetische Kreise gebildet, und die Magnetflüsse A und B verlaufen ent-

309822/0750

sprechend der Darstellung mit unterbrochenen Linien in der gleichen Weise wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Zwei magnetische Elemente 24 und 24' mit jeweils einem entsprechend einer hindurchgehenden Magnetflußdichte veränderlichen Widerstand sind im Abstand voneinander auf der Breitseite des ersten Plattenmagnetorgans 12 und unter der Endfläche des Portsatzes 16a angeordnet. Die Elemente 24 und 24' können die gleichen wie im Detektor nach Fig. 1 sein. Dabei ist zu bemerken, daß der exzentrisch gestaltete nicht-magnetische Endabschnitt 20a den Magnetfluß in seinem Verlauf durch den Luftspalt unterbricht, wobei die Verteilung des Magnetflusses im Luftspalt durch die Bewegung des Abschnitts 20a, d.h. durch die Drehung der Drehwelle 20, verändert wird. Die Drehwelle 20 kann über das andere Ende 20b mit der (nicht dargestellten) Drosselklappenwelle verbunden sein und sich gemeinsam mit der Drosselklappenwelle drehen. Die magnetischen Elemente 24 und 24' sind in die gleiche elektrische Schaltung wie in Fig. 4 einbezogen, und die Widerstandsänderungen der Elemente 24 und 24♦ werden in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Gemäß Fig. 7 verteilen sich die Magnetflüsse A und B im Organ 12 entsprechend der Darstellung mit unterbrochenen Linien. Es ist ersichtlich, daß die Verteilung der Magnetflüsse A und B aufgrund der Unterbrechung durch den exzentrisch gestalteten Endabschnitt 20a unsymmetrisch zur Rotationsachse der Drehwelle 20 ist.

Aus der obigen Beschreibung wird klar, daß der erfin-309822/0750

dungsgemäße Winkelstellungsdetektor in der Lage ist, genau die Winkellage einer Bauteilwelle in einem Kraftfahrzeug zu ermitteln - unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur, einwirkenden Stößen und Vibrationen. Außerdem ist er billig und kompakt im Aufbau.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf genau die dargestellten und beschriebenen Konstruktionen beschränkt, und es können viele Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne daß man vom Sinn und Geltungsbereich der Erfindung nach den folgenden Patentansprüchen abweicht.

309822/0750

Claims

_ΛΛ . 225209?

Patentansprüche

/1Λ Detektor zur Erzeugung eines elektrischen
Signals, das die Winkellage einer Drehwelle repräsentiert,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines
Magnetfeldes, in welchem ein Magnetfluß (A, B) derart verteilt ist, daß er sich entsprechend der Winkellage der Drehwelle
(20) verändert, mindestens ein Paar magnetisch wirksamer
Elemente (24, 2¹J¹), die jeweils eine entsprechend einer hindurchgehenden magnetischen Flußdichte veränderliche Eigenschaft besitzen- und in dem magnetischen Feld derart angeordnet sind, daß sie im Abstand zueinander senkrecht zur magnetischen Feldstärke des Magnetfelds verlaufen, und eine elektrische Schaltung, die die Elemente (24, 24') in Reihe
miteinander verbindet und eine Spannung an die beiden in
Reihe geschalteten Elemente anlegt, um die Änderung der Eigenschaft dieser Elemente abzugreifen, wobei sich ein Potential (V₀) an der Verbindungsstelle zwischen den Elementen entsprechend der Winkellage der Drehwelle (20) ändert.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zuerst genannte Einrichtung ein erstes Pattenmagnetorgan (12) sowie ein zweites Plattenmagnetorgan (16) mit einer öffnung (18) von einer Breitseite bis zur anderen Seite
besitzt, wobei das zweite Plattenmagnetorgan (16) dem ersten Plattenmagnetorgan (12) zugewandt und im Abstand von diesem angeordnet ist, außerdem ein drehbares längliches, magnetisches Glied (20), das durch die öffnung (18) mit dem zweiten Platten-

3Q9822/Ü7 50

2257097

organ (16) drehbar verbunden ist und dessen eine Endfläche exzentrisch gestaltet ist, wobei diese Endfläche einer Breitseite des ersten Plattenmagnetorgans (12) zugewandt und nahe bei ihr angeordnet ist, und schließlich mindestens einen Magnet (14, 14'), der mit jedem seiner Magnetpole mit jeweils einem Magnetpol des ersten und zweiten Plattenraagnetorgane verbunden ist.
3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Elemente (24, 24') auf der erwähnten Breitseite des ersten Plattenmagnetorgans (12) angeordnet sind und unter der genannten einen Endfläche des drehbaren länglichen, magnetischen Gliedes (20) liegen.
4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (24, 2¹I¹) symmetrisch zur Achse des drehbaren Gliedes (20) angeordnet sind.
5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Oberfläche halbkreisförmig ist und ihr Zentrum auf der Achse liegt.
6. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zuerst genannte Einrichtung ein erstes Plattenmagnetorgan (12) sowie ein zweites Plattenmagnetorgan (16) besitzt, das dem ersten Plattenmagnetorgan (12) zugewandt und im Abstand von diesem angeordnet ist, wobei das zweite Plattenmagnetorgan (16) einen mit einem Ende nahe am ersten Plattenmagnetorgan

3 0 9 8 Tl I 0 7 b 0

(12) angeordneten Portsatz (I6a) besitzt und eine durch das zweite Plattenmagnetorgan (16) und durch den Fortsatz (l6a) gehende Bohrung (18) aufweist, außerdem ein drehbares längliches, nicht-magnetisches Glied (20), das durch die Bohrung (18) mit dem zweiten Plattenmagnetorgan (16) drehbar verbunden ist und eine exzentrisch gestaltete und das Ende des Portsatzes teilweise überdeckende Endfläche besitzt, und schließlich zumindest einen Magnet (I¹J, I¹I¹), der mit jedem seiner Magnetpole mit jeweils einem Magnetpol von dem ersten und zweiten Plattenmagnetorgan (12, 16) verbunden ist.
7. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Elemente (24, 24^f) auf der Breitseite des ersten Plattenmagnetorgans (12) angeordnet sind und unter dem Ende des Portsatzes (16a) liegen.
8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (24-, 24') symmetrisch zur Drehachse des nicht-magnetischen Glieds (20) angeordnet sind und unter dem Ende des Fortsatzes (16a) liegen.

309 82 2/0750