DE102005031806A1 - Rotation angle sensor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, insbesondere zur Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle eines Lenksystems, mit einem scheiben- oder ringförmigen Träger, der auf einer Welle quer zu deren Längsachse festgelegt ist und eine Spur von magnetischen Nord- und Südpolen aufweist, wobei die Spur von einem magnetischen Winkelsensor detektiert ist. DOLLAR A Um einen Drehwinkelsensor zu schaffen, mit dem auch nach einer Unterbrechung von dessen Stromversorgung ein absoluter Drehwinkel über einen Bereich, der größer als 360 DEG ist, detektierbar ist, ist vorgesehen, die periodischen Winkelinformationen des Winkelsensors zusätzlich von einem magnetischen Zähler zu detektieren und durch eine Berechnungseinrichtung in einem multiturn-Winkel zu transformieren.The invention relates to a rotation angle sensor, in particular for measuring an angle of rotation of a steering shaft of a steering system, with a disk-shaped or ring-shaped carrier which is fixed on a shaft transversely to its longitudinal axis and has a track of magnetic north and south poles, the track of one magnetic angle sensor is detected. DOLLAR A In order to create a rotation angle sensor with which an absolute rotation angle can be detected over an area greater than 360 ° even after an interruption in its power supply, it is provided that the periodic angle information of the angle sensor is additionally detected by a magnetic counter and to transform by a calculation device in a multiturn angle.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, insbesondere zur Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle eines Lenksystems, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a rotation angle sensor, in particular for measurement a rotation angle of a steering shaft of a steering system, according to the preamble of claim 1.

Die DE 102 10 372 A1 beschreibt einen Drehwinkelsensor mit hoher Winkelauflösung wobei auf einem als Polrad ausgebildeten scheiben- oder ringförmigen Träger eine erste Spur von magnetischen Nord- und Südpolen angeordnet ist. Der Träger der ersten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen ist quer zu einer Längsachse einer Welle angeordnet und drehfest mit der Welle verbunden. Mit einem magnetischen Winkelsensor wird die Drehlage der Welle erfasst. Um eine hohe Auflösung des Drehwinkels der Welle zu ermöglichen, ist eine zweite Spur von magnetischen Nord- und Südpolen mit, im Vergleich zur ersten Spur, wesentlich geringeren Bogenlängen der Magnetpole auf dem scheiben- oder ringförmigen Träger angeordnet. Die zweite Spur wird von einem zweiten Magnetfeldsensor vermessen und über eine Winkelfunktion werden die Signale der magnetischen Winkelsensoren linearisiert. Mit einem derartigen Drehwinkelsensor lassen sich Drehlagen einer Welle im Bereich bis 360° hochauflösend ermitteln. Ein solcher Drehwinkelsensor bedarf jedoch eines separaten Zählerbausteins und eines separaten Speicherbausteins und ist nicht in der Lage bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung die Drehlage der Welle absolut wiederzugeben oder eine über 360° hinausgehende Drehlage der Welle darzustellen.The DE 102 10 372 A1 describes a rotational angle sensor with high angular resolution wherein a first track of magnetic north and south poles is arranged on a designed as a pole wheel disk or annular support. The carrier of the first track of magnetic north and south poles is arranged transversely to a longitudinal axis of a shaft and rotatably connected to the shaft. With a magnetic angle sensor, the rotational position of the shaft is detected. In order to enable a high resolution of the rotation angle of the shaft, a second track of magnetic north and south poles with, compared to the first track, substantially smaller arc lengths of the magnetic poles on the disc or annular support is arranged. The second track is measured by a second magnetic field sensor and an angle function, the signals of the magnetic angle sensors are linearized. With such a rotation angle sensor, rotational positions of a shaft in the range up to 360 ° high resolution can be determined. However, such a rotation angle sensor requires a separate counter module and a separate memory module and is not able to reproduce the rotational position of the shaft in an interruption of the supply voltage or represent a 360 ° beyond rotational position of the shaft.

Die DE 198 39 446 A1 beschreibt einen weiteren Drehwinkelsensor der eine absolute Winkelmessung über einen Bereich von 0° bis 360° ermöglicht. Zwei anisotrope Magnetowiderstands-Dünnschichtsensoren sind zu jeweils zwei Wheatstone-Brücken verschaltet und dienen zu einer Extraktion eines winkelabhängigen Nutzsignals in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Sensoren zu einem äußeren Magnetfeld. Zur Unterscheidung der beiden jeweiligen Winkelbereiche von 0° bis 180° und 180° bis 360° wird kurzzeitig ein Hilfsmagnetfeld an die Sensorschaltung angelegt, wodurch sich die von den Wheatstone-Brücken generierten Spannungssignale ändern. Diese Signaländerungen werden in einer Bereichsfunktion ausgewertet, womit eine Winkelmessung über einen Bereich von 0° bis 360° mit dem Drehwinkelsensor ermöglicht ist. Bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung ist eine Initialisierung erforderlich.The DE 198 39 446 A1 describes a further rotation angle sensor which allows an absolute angle measurement over a range of 0 ° to 360 °. Two anisotropic magnetoresistive thin-film sensors are connected in each case to two Wheatstone bridges and serve to extract an angle-dependent useful signal as a function of the orientation of the sensors to form an external magnetic field. To distinguish the two respective angle ranges from 0 ° to 180 ° and 180 ° to 360 °, an auxiliary magnetic field is briefly applied to the sensor circuit, whereby the voltage signals generated by the Wheatstone bridges change. These signal changes are evaluated in an area function, whereby an angle measurement over a range of 0 ° to 360 ° is possible with the rotation angle sensor. An interruption of the supply voltage requires an initialization.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelsensor zu schaffen, mit dem auch nach einer Unterbrechung von dessen Stromversorgung ein absoluter Drehwinkel über einen Bereich, der größer als 360° ist, erkannt wird.Of the Invention is based on the object, a rotation angle sensor with which even after an interruption of its power supply an absolute angle of rotation an area larger than 360 °, is recognized.

Die Aufgabe wird mit einem Drehwinkelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The Task is with a rotation angle sensor with the features of the claim 1 solved.

Dadurch dass eine Kombination des magnetischen Winkelsensors, welcher die Drehlage des scheiben- oder ringförmigen Trägers der Spur von magnetischen Nord- und Südpolen detektiert, mit einem magnetischen Zähler, dessen Resistivität sich auch bei einem Drehwinkel der größer als 360° ist, signifikant ändert, und der die periodischen Winkelinformationen des Winkelsensors zählt und diese periodischen Winkelinformationen von einer Berechnungseinrichtung in einen multiturn- Winkel transformiert werden, in einem Drehwinkelsensor vorgesehen ist, ist der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor in der Lage, hochauflösend eine Drehwinkellage der Welle zu erkennen. Auch nach einer Unterbrechung der Versorgungsspannung für den Drehwinkelsensor ist dies ermöglicht, da der magnetische Zähler als Speicher für Drehwinkellagen von mehr als 360° geeignet ist. Seine Resistivität ändert sich signifikant über mehrere Umdrehungen der Spur von magnetischen Nord- und Südpolen auf dem scheiben- oder ringförmigen Träger in diskreten Winkelsegmenten von beispielsweise 180°. Die Speicherung der Drehwinkellagen geschieht in dem magnetischen Zähler somit stromlos. Der magnetische Zähler ist dabei Sensor und Speicher zugleich.Thereby that a combination of the magnetic angle sensor, which the Rotational position of the disc or annular carrier of the track of magnetic North and south poles detected, with a magnetic counter, its resistivity is also at a rotation angle greater than 360 °, significantly changes, and which counts the periodic angle information of the angle sensor and this periodic angle information from a computing device be transformed into a multi-turn angle, in a rotation angle sensor is provided, the rotation angle sensor according to the invention in the Location, high resolution to detect a rotational angle position of the shaft. Even after a break in the Supply voltage for the rotation angle sensor, this is possible because of the magnetic counter as storage for Turning angle of more than 360 ° suitable is. Its resistivity changes significantly over several turns of the track of magnetic north and south poles the disc or annular carrier in discrete angular segments of for example 180 °. The storage the angular position is done in the magnetic counter thus de-energized. The magnetic counter is sensor and memory at the same time.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.preferred versions The invention will become apparent from the dependent claims.

Der magnetische Zähler und die Berechnungseinrichtung können eine Einheit in Form eines Sensors bilden. Der magnetische Zähler ist bevorzugt als Streifenleiter vorgesehen, der in der Art eines GMR-Sensors aus einer Multischicht-Struktur, bestehend aus einer Abwechslung von Schichten aus ferromagnetischem Übergangsmetall und Schichten aus nicht magnetischem Metall, besteht. Er weist eine Anzahl von spiralförmig mit parallel zueinander angeordneten geraden Abschnitten auf. Auf einem Silitium-Substrat kann folgende Schichtabfolge der Multischichtstruktur aufgebaut sein:Tantal mit einer Aluminiumkontaktierung – Antiferromagnet – Referenzschicht (CoFe) – unmagnetische Schicht – Sensorschicht (NiFe/CoFe) – Tantal.Of the magnetic counters and the calculating means form a unit in the form of a sensor. The magnetic counter is preferably provided as a strip conductor, which in the manner of a GMR sensor from a multi-layer structure consisting of a variety ferromagnetic transition metal layers and layers made of non-magnetic metal. He has a number of spirally with mutually parallel straight sections. On one Silitium substrate can be the following layer sequence of the multilayer structure be constructed: tantalum with an aluminum contact - antiferromagnet - reference layer (CoFe) - nonmagnetic Layer - sensor layer (NiFe / CoFe) - tantalum.

In solchen Multischichtstrukturen tritt unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes ein Riesen-Magnetowiderstandseffekt auf, wobei sich die relative Ausrichtung der Magnetisierungen der aufeinanderfolgenden ferromagnetischen Schichten ändert. Die Resistivität des GMR-Sensors ändert sich dadurch. In schmalen streifenförmig und spiralförmig ineinander geschachtelten Multischichtstrukturen bilden sich Domänenwände, d.h. Bereich in denen sich über eine bestimmte Strecke die Magnetisierung um 180° dreht. Die jeweilige Domänenwand trennt Bereiche in denen die Magnetisierung um 180° voneinander abweicht. Bei eine Drehung des scheiben- oder ringförmigen Trägers einer Spur von magnetischen Nord- und Südpolen an dem magnetischen Zähler ändert sich beim Vorbeistreichen eines jeden Polpaares die Magnetisierung in der Multischichtstruktur und die Resistivität des magnetischen Zählers, die signifikant über mehrere Umdrehungen des scheiben- oder ringförmigen Trägers ist und die über einen an den magnetischen Zähler angelegten Strom gemessen werden kann.In such multilayer structures, a giant magnetoresistance effect occurs under the influence of an external magnetic field, with the relative orientation of the magnetizations of the successive ferromagnetic layers changing changed. The resistivity of the GMR sensor changes as a result. In narrow stripe-shaped and spirally nested multi-layer structures form domain walls, ie area in which the magnetization rotates through 180 ° over a certain distance. The respective domain wall separates areas in which the magnetization deviates from each other by 180 °. Upon rotation of the disc or annular support of a track of north and south magnetic poles on the magnetic counter, as each pole pair advances, the magnetization in the multilayer structure and the resistivity of the magnetic counter significantly change over several revolutions of the disc or ring Carrier is and can be measured via a current applied to the magnetic counter current.

Auch im stromlosen Zustand des magnetischen Zählers bleibt die Resistivität für den jeweiligen Drehwinkel des scheiben- oder ringförmigen Trägers signifikant erhalten, sodaß eine etwaige Unterbrechung der Stromversorgung des Drehwinkelsensors bedeutungslos ist und keiner Initialisierung bedarf. Um die relativ grobe Auflösung des magnetischen Zählers zu verfeinern, ist der die Polpaare abtastende magnetische Winkelsensor bevorzugt als ein empfindlicher MR-, GMR- oder Hallsensor ausgebildet. In einer besonders für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehene Ausführungsform des Drehwinkelsensors, ist der magnetische Zähler mit mindestens 3 Spuren und bevorzugt mit 12 Spuren ausgestattet und der scheiben- oder ringförmige Träger weist mindestens 1 Polpaar magnetischer Nord- und Südpole und bevorzugt 8 Nord- und Südpole (4 Polpaare) auf. Der aus dem magnetischen Winkelsensor und dem magnetischen Zähler gebildete Drehwinkelsensor ist bevorzugt auf einer Leiterplatte angeordnet und dessen Zählerstand oder Resistivitätsänderungen werden von der Berechnungseinrichtung erfasst, die einen hochaufgelösten Drehwinkel einer als Lenkwelle ausgebildeten Welle ermittelt.Also in the de-energized state of the magnetic counter remains the resistivity for the respective angle of rotation the disc or annular Carrier significantly received, so that one any interruption of the power supply of the rotation angle sensor meaningless is and does not require initialization. To the relatively rough resolution of the magnetic counter to refine is the magnetic angle sensor scanning the pole pairs preferably designed as a sensitive MR, GMR or Hall sensor. In a particularly for a steering system for a motor vehicle provided embodiment of the rotation angle sensor, is the magnetic counter equipped with at least 3 tracks and preferably with 12 tracks and the disc or annular carrier has at least 1 pole pair of magnetic north and south poles and prefers 8 north and south poles (4 pole pairs). The magnetic angle sensor and the magnetic counter formed rotational angle sensor is preferably arranged on a printed circuit board and its count or resistivity changes are detected by the computing device, which has a high-resolution angle of rotation a shaft designed as a steering shaft determined.

Der hochaufgelöste Drehwinkel kann als Sollwert für eine Regelung des Lenksystems, das beispielsweise als steer-by-wire-Lenkung aufgebaut ist, dienen. Das Lenksystem kann für jedwedes Fahrzeug, insbesondere aber für ein Personenkraftfahrzeug oder für einen Nutzkraftwagen dienen.Of the high-resolution Rotation angle can be used as setpoint for a regulation of the steering system, for example, as steer-by-wire steering is built, serve. The steering system may be for any vehicle, in particular but for a passenger vehicle or for to serve a commercial vehicle.

Es kann zweckmäßig sein, in dem Drehwinkelsensor mehrere magnetische Zähler und mehrere magnetische Winkelsensoren redundant zu verschalten um eine hohe Ausfallsicherheit des Drehwinkelsensor zu gewährleisten. Der Drehwinkelsensor kann auch örtlich und in Bezug auf die Anbindung an die Berechnungseinrichtung funktional mit einem Drehmomentsensor kombiniert sein.It may be appropriate in the rotation angle sensor multiple magnetic counter and multiple magnetic Angle sensors redundant to connect to a high reliability to ensure the rotation angle sensor. The rotation angle sensor can also locally and functional with respect to the connection to the computing device be combined with a torque sensor.

Claims (13)

Drehwinkelsensor, insbesondere zur Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle eines Lenksystems, mit einem scheiben- oder ringförmigen Träger der auf einer Welle quer zu deren Längsachse festgelegt ist und eine Spur von magnetischen Nord- und Südpolen aufweist, wobei die Spur von einem magnetischen Winkelsensor detektiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Winkelinformationen des Winkelsensors von einem magnetischen Zähler gezählt sind und durch eine Berechnungseinrichtung in einen multiturn-Winkel transformiert sind.A rotation angle sensor, in particular for measuring a rotation angle of a steering shaft of a steering system, having a disc-shaped or annular carrier which is fixed on a shaft transverse to its longitudinal axis and has a track of magnetic north and south poles, the track being detected by a magnetic angle sensor, characterized in that the periodic angle information of the angle sensor is counted by a magnetic counter and transformed by a computing device into a multiturn angle. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung und der magnetische Zähler eine Einheit bilden.Angle of rotation sensor according to claim 1, characterized in that that the calculating means and the magnetic counter a Form unity. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Zähler aus einer Anzahl an Spuren von spiralförmig, mit parallel zueinander angeordneten, geraden Abschnitten von Multischichtstrukturen gebildet ist, deren Resistivität von der Anzahl der Umdrehungen des scheiben- oder ringförmigen Trägers abhängt.Angle of rotation sensor according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the magnetic counter consists of a number of tracks of spiral, with parallel sections of straight sections of multilayer structures is formed, whose resistivity depends on the number of revolutions of the disc or annular carrier. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Zähler eine Spurenanzahl von mindestens 3 aufweist.Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the magnetic counter a Has a trace number of at least 3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Zähler eine Spurenanzahl von 12 aufweist.Angle of rotation sensor according to claim 4, characterized in that that the magnetic counter has a trace number of 12. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der scheiben- oder ringförmige Träger mindestens 1 Polpaar aufweist.Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the disc or annular support at least 1 pole pair has. Drehwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der scheiben- oder ringförmige Träger 8 Pole aufweist.Angle of rotation sensor according to claim 6, characterized in that that the disc or annular support 8 poles having. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Winkelsensor ein MR-, ein GMR- oder ein Hallsensor ist.Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the magnetic angle sensor a MR, a GMR or a Hall sensor is. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Winkelsensor und der magnetische Zähler auf einer Leiterplatte angeordnet sind und deren Zählerstand oder Resistivitätsänderung von der Berechnungseinrichtung erfasst und ein absoluter, hochaufgelöster Drehwinkel der Welle bestimmt ist.Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the magnetic angle sensor and the magnetic counter are arranged on a circuit board and their count or resistivity change detected by the calculation device and an absolute, high-resolution rotation angle the wave is determined. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle die Lenkwelle oder eine mit der Lenkwelle gekoppelte Welle eines Lenksystems eines Personen- oder Nutzkraftwagens ist.Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the shaft, the steering shaft or coupled to the steering shaft Wave is a steering system of a passenger or commercial vehicle. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelsensor mehrere magnetische Zähler und mehrere magnetische Winkelsensoren aufweist.Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the rotation angle sensor has a plurality of magnetic counter and a plurality of magnetic angle sensors. Drehwinkelsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Zähler und die magnetischen Winkelsensoren redundant verschaltet sind.Angle of rotation sensor according to claim 11, characterized in that that the magnetic counters and the magnetic angle sensors are connected redundantly. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelsensor mit einem Drehmomentsensor kombiniert ist.Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the rotation angle sensor with a Torque sensor is combined.
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