DE4415668C2 - Stellungssensor zur kontaktlosen Erfassung bestimmter Positionen einer axial verschiebbaren und um bestimmte Winkel drehbaren Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellungssensor zum Erkennen der Stellung einer um ihre Längsachse drehbaren und axial verschiebbaren Welle.

Ein magnetischer Wegsensor, der einen mit einer Spule umwickelten Magnet­ kern hat und dessen Ausgangssignal abhängig ist von einem längs dieser Spule entlanggeführten Magneten (Achsrichtung) ist aus EP 0 238 922 B1 bekannt. Abhängig von der relativen Stellung des Magneten zur längsgestreckten Spule mit Weicheisenkern wird der letztere an einer bestimmten Stelle gesättigt, so daß der Wegsensor ein Ausgangssignal abgibt, das abhängig ist von der Stel­ lung des Magneten.

Mit einem derartigen Wegsensor läßt sich also feststellen, an welcher Stelle der verschiebbare Magnet relativ zu dem übrigen Wegsensor steht. Er ist also ge­ eignet, Positionen längs einer Geraden zu erfassen und ein davon abhängiges elektrisches Signal zu liefern, das für weitere Steuerungsvorgänge verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellungssensor der o. g. Art anzugeben, bei dem sowohl die axiale Position als auch die Längsstellung der Welle erfaßbar ist, vorausgesetzt, daß diese Welle nur bestimmte axialer Posi­ tionen und Winkelstellungen einnimmt.

Die EP-A-0 443 514 offenbart einen Sensor zum Erfassen der Bewegung einer Welle, auf der ein oder mehrere Magneten angeordnet sind, deren Bewegung mit Hilfe eines Magnetsensors erfaßt wird. Als Magnetsensor dient ein Hall- Element oder ein Magnetowiderstands-Element. Derartige Magnetsensoren sind nicht geeignet, die Lage eines Magneten entlang einer Geraden zu erfas­ sen, vielmehr erzeugt ein derartiger Magnetsensor nur dann ein Signal, wenn sich ein äußeres Magnetfeld ändert. Bei der bekannten Anordnung ist daher ein bewegter Magnet erforderlich. Die Erfassung der Position oder Stellung eines Magneten (in dessen Ruhelage) ist in der EP '514 nicht offenbart und ist mit der dort beschriebenen Anordnung auch nicht möglich.

Die DE-A-41 07 071 zeigt einen Sensor zum Erfassen der Stellung eines Ob­ jektrevolvers, an dessen Rand Strukturelemente ausgebildet sind, denen ein magnetoresistiver Sensor mit einem dahinter liegenden Permanentmagneten zugeordnet ist. Der Sensor mißt die Richtung des von dem Permanentmagne­ ten ausgehenden magnetischen Flusses, wobei dieser wiederum von der Stel­ lung des Objektrevolvers abhängt, da die Strukturelemente den Fluß in unter­ schiedliche Richtungen ablenken. Mit Hilfe der Richtungsänderung des Ma­ gnetflusses läßt sich die Winkelstellung des Objektrevolvers erfassen. Eine Längsverschiebung des Objektrevolvers entlang seiner Drehachse könnte mit diesem bekannten Sensor nicht erfaßt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des An­ spruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Als Beispiel für eine Welle, die bestimmte axiale und Winkelpositionen ein­ nimmt ist die Schaltwelle eines Getriebes für ein Automobil zu nennen. Hier wird die Schaltwelle axial zwischen im wesentlichen drei Positionen verscho­ ben, die den Gängen 1, 3, 5, der Leerlaufstellung und den Gängen 2 und 4 zu­ geordnet sein können. Abhängig davon, welcher Gang in der oberen oder un­ teren Position eingelegt wird, verdreht sich die Schaltwelle um einen bestimm­ ten Winkel um ihre Längsachse.

Durch die Erfassung der axialen und der Winkelstellung der Welle kann also ein elektrisches Signal gewonnen werden, das abhängig ist von dem jeweils ein­ gelegten Gang.

Nach der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe mit nur einem Wegsensor der eingangs genannten Art gelöst. Hierzu zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in der Seitenansicht und Fig. 2 einen Schnitt senkrecht dazu. Fig. 3 läßt die Welle nach Fig. 1 in einer um 90° gedrehten Position erkennen und in dem Dia­ gramm nach Fig. 4 ist der Zusammenhang für verschiedene Winkel und Axial­ positionen der Welle mit dem Ausgangssignal des Wegsensors veranschau­ licht.

Fig. 1 zeigt eine Welle 1, auf der sich eine Scheibe 2 mit am Umfang längs einer Schraubenlinie angebrachten Magnet 3 befindet. Parallel zur Längsachse 4 der Welle 1 ist ein Wegsensor 5 mit seiner Achsrichtung 6 (x-Richtung) parallel zur Richtung der Längsachse 4 der Welle 1 angeordnet. Die Ausgangsleitungen 7 führen dabei ein Signal, das abhängig von der Stellung des dem Wegsensor 5 zugewandten Teils des Magneten 3 ist.

In Fig. 2 ist in einem senkrecht zur Fig. 1 verlaufenden Schnitt die Welle 1 zu sehen mit der darauf aufgesetzten Scheibe 2 und dem Magneten 3. Der Winkel alpha zeigt an, um wieviel die Welle 1 gegenüber dem Wegsensor 5 verdreht ist. Fig. 3 zeigt die um 90° gedrehte Ansicht der Welle 1 mit Scheibe 2 und Magnet 3. Im vorliegenden Beispiel ist als Magnet 3 ein streifenförmiger Magnet vorgesehen, der an den Umfang der Scheibe 2 angepaßt ist. An die Stelle eines derartigen Magneten kann auch eine Vielzahl von Einzelmagneten treten, die so angeordnet sind, daß eine Verschiebung des für den Wegsensor 5 wirksamen Teils in Achsrichtung 6 erfolgt, wenn sich die Welle 3 um ihre Längsachse 4 dreht.

In dem Diagramm nach Fig. 4 ist die Stellung des wirksamen Teils des Magneten 3 in x-Richtung (Achsrichtung 6) abhängig von dem Drehwinkel alpha dargestellt. Die mit R für Rückwärtsgang, G1, G3, G5 bzw. G2 und G4 bezeichneten Punkte in dem Diagramm zeigen den bei Einlegung des entsprechenden Ganges vorhandenen Drehwinkel alpha sowie die Stellung x der axial verschiebbaren Welle 1 an. Die Neigung der Längsrichtung des Magneten 3 zur Längsachse 4 der Welle 1 bestimmt nun die Neigung der Geraden 8, 9 und 10 in Fig. 4. Diese Geraden kennzeichnen die Summe aller Positionen, die der dem Wegsensor 5 zugewandte Teil des Magneten 3 einnimmt, wenn ausgehend von drei durch axiale Verschiebung einzunehmenden Positionen der Welle 1 eine Drehung dieser Welle erfolgt. Dabei gibt die Projektion der Punkte R und G1 bis G5 auf die x-Achse an, welchen Wert die Ausgangsleitungen 7 des Wegsensors 5 an eine nachgeschal­ tete Steuerung weitergeben. Da diese Werte sich eindeutig bei allen Positionen, die eingenommen werden können, unter­ scheiden, ist also eine Erfassung sowohl der axialen als auch der Winkelstellung der Welle 1 möglich.

Claims (3)

1. Stellungssensor zum Erkennen der Stellung einer um ihre Längsachse drehbaren und axial verschiebbaren Welle (1), auf­ weisend einen am Umfang der Welle (1) entlang einer Schrau­ benlinie angeordneten Magneten (3)und einen magnetischen Weg­ sensor (5) zur Erfassung der Position des Magneten (3) längs einer Geraden, wobei der Wegsensor (5) so angeordnet ist, daß er Bewegungen des Magneten (3) in Richtung der Längsachse der Welle (1) erfaßt.

2. Stellungssensor nach Anspruch 1, bei dem die Schraubenlinie mit konstanter Steigung verläuft.

3. Stellungssensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Magnet (3) aus mehreren Einzelmagneten zusammen­ gesetzt ist.