BRPI0608850A2

BRPI0608850A2 - processo e dispositivo para detecção sem contato do ángulo de rotação de um elemento rotativo

Info

Publication number: BRPI0608850A2
Application number: BRPI0608850-3A
Authority: BR
Inventors: Gerhard Knecht; David Fricker
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2010-02-02
Also published as: US7589522B2; DE102005011099A1; WO2006094866A1; KR20070110353A; EP1859230A1; US20080129285A1; EP1859230B1; DE502006002007D1; ES2314880T3; JP2008538138A

Abstract

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA DETECçãO SEM CONTATO DO áNGULO DE ROTAçãO DE UM ELEMENTO ROTATIVO. A presente invenção refere-se a um dispositivo bem como a um processo para detecção sem contato do ângulo de rotação de um elemento (12) rotativo, com ao menos um elemento sensor (14) de magnetorresistência, que emite ao menos um primeiro sinal (S~ M,1~,S~ M,2~) para detecção de um ângulo de rotação (0) do elemento (12) rotativo em uma primeira faixa (A). O dispositivo e o processo são caracterizados pelo fato de que em função do movimento de rotação de um eixo (20, 36) um núcleo de imersão (30) e uma bobina (31) se movem relativamente em direção (R) axial do eixo (20), sendo que a bobina (31) emite um sinal (Sç) sobre a variação da indutividade da bobina (L), de modo que em combinação com o primeiro sinal (S~ M,1~ , S~ M,2~) são inequivocamente detectáveis ângulos de rotação (0) além da primeira faixa (A).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO E DISPOSITIVO PARA DETECÇÃO SEM CONTATO DO ÂNGULO DE ROTAÇÃO DE UM ELEMENTO ROTATIVO".

Estado da Técnica

A presente invenção refere-se a um dispositivo bem como a um processo para a detecção sem contato do ângulo de rotação de um elemento rotativo segundo o preâmbulo das reivindicações independentes.

Da DE-A-100 17 061 é conhecida uma disposição para detecção, especialmente sem contato, do ângulo de rotação de um elemento rotativo, em que sob avaliação de propriedades magneticamente influenciáveis de uma disposição de sensor com ao menos dois elementos sensores é de-tectável uma intensidade de campo magnético produzida ou influenciada pelo elemento rotativo em um circuito de avaliação e utilizada para determinação da posição de rotação, sendo que um elemento de sensor trabalha utilizando o efeito de magnetorresistência, e ao menos dois outros elementos sensores trabalham utilizando o efeito Hall, sendo que o circuito de avaliação serve para conexão lógica dos três sinais de sensor assim obtidos.

Da JP-A-2004085482 é ainda conhecido um dispositivo para detecção de ângulos de rotação por mais de uma rotação de um eixo rotativo, que abrange meios de conversão para conversão de um movimento rotativo em um longitudinal bem como um outro meio para detecção de uma posição linear do eixo rotativo por meio de uma medição de distância.

Vantagens da Invenção

Perante o estado da técnica apresentam o dispositivo de acordo com a invenção e o processo de acordo com a invenção para detecção sem contato do ângulo de rotação de um elemento rotativo a vantagem de que, devido a uma alta resolução, podem ser detectados ou determinados inequívocos ângulos de rotação por várias rotações do elemento rotativo com uma precisão muito alta bem como bem menos possibilidade de interferências. Para tanto, o dispositivo de acordo com a invenção abrange, ao lado de ao menos um elemento sensor de magnetorresistência, que emite ao menos um sinal sensor de magnetorresistência para detecção de um ângulo de ro-tação do elemento rotativo em uma primeira faixa, um núcleo de imersão e uma bobina, que se movem relativamente entre si em função do movimento de rotação de um eixo em direção axial do eixo, sendo que a bobina emite um sinal de bobina sobre a variação da indutividade da bobina, de modo que em combinação com o sinal de sensor de magnetorresistência são inequivocamente detectáveis ângulos de rotação além da primeira faixa. Pela determinação da indutividade de bobina resulta ainda a vantagem de que os ângulos de rotação inequívocos são armazenados mecanicamente e, assim, mesmo com suprimento de energia interrompido, não há problema em um deslocamento mecânico do elemento rotativo, pois a posição real do núcleo de imersão dentro da bobina está novamente disponível imediatamente após a nova aplicação do suprimento de energia.

Em uma configuração vantajosa está previsto que a posição do núcleo de imersão dentro da bobina seja detectável por meio de um circuito ressonante, cuja freqüência de ressonância depende da indutividade da bobina. Dessa maneira é garantida uma detecção de ângulo de rotação bem à prova de interferência, sendo que a resolução de posição pode ser aumentada quase à vontade em função da taxa de varredura durante a medição da duração de período correspondente à freqüência de ressonância.

De modo preferido, no eixo e/ou no núcleo de imersão se encontra uma rosca, sendo que o eixo é uma parte integrante do elemento rotativo. Assim, o núcleo de imersão pode se mover quando de um movimento rotativo do eixo em direção axial relativamente à bobina. Em uma configuração alternativa, no entanto, pode também estar previsto que o eixo esteja unidopor meio de uma transmissão com o elemento rotativo. Dessa maneira é possível manter compacto o comprimento de construção do eixo ou dispor o eixo de tal maneira que resulte uma forma de construção de todo o dispositivo favorável para a montagem posterior.

Outras vantagens da invenção resultam das características indicadas nas reivindicações dependentes bem como do desenho e da descrição a seguir.

DesenhoA invenção será explicada a título de exemplo a seguir, com auxílio das figuras 1 a 4, sendo que iguais números de referência indicam nas figuras iguais componentes com função igual. Mostram:

Fig. 1: uma representação esquemática de um primeiro exemplo de execução do dispositivo de acordo com a invenção,

Fig. 2: diagramas de um primeiro sinal emitido por um elemento sensor de magnetorresistência bem como de uma freqüência de ressonância produzida por um circuito ressonante em função do ângulo de rotação ou do número das rotações de um eixo associado a um elemento rotativo,

Fig. 3: uma representação esquemática de um segundo exemplo de execução do dispositivo de acordo com a invenção e

Fig. 4: uma representação esquemática de um terceiro exemplo de execução do dispositivo de acordo com a invenção.

Descrição

Na figura 1 está mostrada uma representação esquemática de um primeiro exemplo de execução do dispositivo 10 de acordo com a invenção para a detecção sem contato do ângulo de rotação de um elemento 12 rotativo com um elemento sensor 14 de magnetorresistência, que emite dois sinais Sm,i e Sm,2 para detecção de um ângulo de rotação 0 do elemento 12 rotativo. Para ativação do elemento sensor 14 de magnetorresistência, que nesse caso é executado como sensor 15 anisotrópico, de magnetorresistência (AMR), serve um ímã permanente 16 com um pólo norte N e um pólo sul S. Em lugar de um ímã permanente 16 com apenas dois pólos alternados (par de pólos) naturalmente é igualmente possível empregar ímãs permanentes com nitidamente mais pares de pólos. Igualmente, em lugar do sensor AMR 15 também podem ser empregados outros elementos sensores de magnetorresistência. A seguir, no entanto, para simplificar, sempre se supõe um sensor AMR 15.

O elemento 12 rotativo é configurado nos exemplos de execução aqui mostrados segundo as figuras 1, 3 e 4 como um acionamento auxiliar de direção 18 elétrico, em que um eixo 20 está unido através de uma unidade de acionamento 22, por exemplo uma transmissão para desmultiplicação,aqui não maior descrita, e de um eixo de acionamento 24 com um motor 26 elétrico.

No primeiro exemplo de execução segundo a figura 1, o eixo 20 é uma parte integrante do elemento 12 rotativo. Por meio do sensor AMR 15 e do ímã permanente 16 a ele associado, podem ser exata e inequivocamente detectados ângulos de rotação 0 em uma primeira faixa A de 0o a 180°. O sensor AMR 15 emite então os sinais SM,1 e SM,2 se estendendo em forma de seno e co-seno em função do ângulo de rotação 0 conforme figura 2a e os encaminha a um circuito de avaliação 27. Do curso dos sinais SM,1 e SM,2 se pode depreender que há uma periodicidade de 180° e, assim, não mais podem ser inequivocamente detectados ângulos de rotação 0 de mais de 180 0 com emprego de um único sensor AMR. Para a determinação inequívoca de ângulos de rotação 0 fora dessa primeira faixa A, portanto de mais de 180 °, é então necessário um outro dispositivo. De acordo com a invenção, para tanto está prevista no eixo 20 uma rosca 28, com a qual em função do movimento de rotação do eixo 20 um núcleo de imersão 28, que pode apresentar uma correspondente rosca, não mostrada, ou um mandril igualmente não mostrado, é movido em direção axial R do eixo 20 relativamente a uma bobina 31. De modo vantajoso, o núcleo de imersão 28 consiste em um material ferromagnético, como ferro, neodímio, AINiCo (de uma liga de alumínio-níquel-cobalto) ou semelhante.

Girando então o eixo 20 a uma determinada distância, então o núcleo de imersão 30 se move devido à rosca 28 em direção axial R dentro da bobina 31 e produz uma variação de sua indutividade de bobina L. Essa variação é transmitida por meio de um outro sinal Sc a um condensador 32 com a capacidade C, que forma juntamente com a indutividade de bobina L um circuito ressonante 34 com a freqüência de ressonância fR, sendo que a indutividade de bobina L que varia acarreta também uma variação da freqüência de ressonância ír. Em lugar de um único condensador 32 com a capacidade C, naturalmente também podem estar previstos elementos estruturais individuais ou vários outros, que em combinação com a indutividade de bobina L produzem uma freqüência de ressonância ír característica docircuito ressonante em série e/ou paralelo resultante. A seguir, contudo, sempre será suposto um circuito ressonante LC 34.

Na figura 2b se pode ver que a freqüência de ressonância fR do circuito ressonante 34 depende linearmente do ângulo de rotação 0 ou do número de rotações U e, com isso, da profundidade de imersão do núcleo de imersão 30 na bobina 31. Sendo agora no circuito de avaliação 27 os sinais de sensor AMR Sm,1 e Sm,2 combinados com a informação sobre a freqüência de ressonância fR do circuito de ressonância, então é possível uma inequívoca detecção de ângulo de rotação além da primeira faixa A e, ademais, além de uma plena rotação ("multiturn") do eixo 20. Graças a essa medida resulta especialmente a vantagem de uma exata armazenagem mecânica do número de rotações U do eixo 20 devido à indutividade de bobina L imediatamente disponível depois da ligação da ignição do veículo automóvel. Um ajuste mecânico da direção do veículo automóvel não mais representa um problema para a subseqüente detecção de ângulo de rotação mesmo com bateria de veículo interrompida.

A cada rotação plena do eixo 20, o núcleo de imersão 30 se move dentro da bobina 31 ao menos por um trecho D axial. Para manter tão baixas quanto possível as tolerâncias em conexão com uma requerida resolução de posição ou ângulo de rotação, ou as espiras da bobina podem estar dispostas correspondentemente bem juntas entre si ou o trajeto de deslocamento axial do núcleo de imersão 30 pela rosca selecionado relativamente longo. Desses dois parâmetros depende portanto também o trajeto D axial. Assim, o trajeto D axial no caso de espiras de bobina situadas bem juntas entre si pode ser da faixa de alguns milímetros. Maior aumento da resolução de posição é possível, além disso, pelo aumento da taxa de varredura durante a medição da duração de período correspondente à freqüência de ressonância Ír.

Na figura 3 está mostrado um segundo exemplo de execução do dispositivo 10 de acordo com a invenção para a detecção sem contato do ângulo de rotação do elemento 12 rotativo. Em oposição à figura 1, o núcleo de imersão 30 não mais assenta agora diretamente sobre o eixo 20 do ele-mento 12 rotativo, mas sim sobre um eixo 36 disposto paralelo ao eixo 20, que é acionado por meio de uma transmissão 38, que consiste em um primeiro pinhão 40 disposto sobre o eixo 20 e em um segundo 42 disposto sobre o eixo 36. Como o funcionamento do dispositivo 10 de acordo com a invenção coincide com aquele na figura 1, a seguir não se tratará dele novamente. Essencial nesse exemplo de execução é que o compartimento de construção, devido a um menor comprimento do eixo 20, pode ser reduzido relativamente ao primeiro exemplo de execução. A relação de multiplicação da transmissão 38 pode ser adaptada aos requisitos referentes à resolução do ângulo de rotação 0.

Um terceiro exemplo de execução do dispositivo 10 de acordo com a invenção está representado na figura 4. À diferença da figura 3, o eixo 36 está agora unido através da transmissão 38 e os pinhões 40 e 42 aí correspondentemente dispostos de modo perpendicular com o elemento 12 rotativo. Essa disposição garante uma forma de construção ainda mais curta do eixo 20 ou uma eventual adaptação do dispositivo 10 às condições de espaço dadas. Também aqui corresponde o funcionamento do dispositivo 10 àquele segundo a figura 1, de modo que se dispensa maior esclarecimento.

Finalizando, cabe ainda assinalar que os exemplos de execução mostrados não estão restritos às figuras 1, 3 e 4 nem aos cursos dos sinais de sensor SM,i e Sm,2 bem como à freqüência de ressonância fR resultante do sinal de sensor Sc segundo as figuras 2a e 2b. Assim é especialmente possível que em função do circuito ressonante 34 empregado, do material do núcleo de imersão 30, da rosca 28 e/ou da forma de construção da bobina 31 se ajuste um comportamento não-linear da freqüência de ressonância ír acima do ângulo de rotação 0 ou do número de rotações U. Ademais, também são viáveis outras disposições entre os eixos 20 e 36 bem como da transmissão 38 que os une segundo a demanda de espaço. Nesse particular cabe mencionar que a transmissão 38 naturalmente deve abranger não apenas os dois pinhões 40 e 42, mas sim também pode consistir em um número maior de pinhões, polias, rodas de fricção ou semelhantes. Além disso, é igualmente possível que não apenas o núcleo de imersão 30 se mova relati-vãmente à bobina 31, mas sim também a bobina 31 relativamente ao núcleo de imersão 30, isto é, a bobina 31 é colocada em movimento ou sozinha ou em combinação com o núcleo de imersão 30 pelos eixos 20 ou 36 com meios apropriados, como pinhões etc. O dispositivo de acordo com a invenção e o processo de acordo com a invenção não estão restritos a uma aplicação em combinação com um acionamento auxiliar de direção elétrico, mas sim também podem ser utilizados para detecção de ângulo de rotação "multiturn" de outros elementos rotativos.

Claims

1. Dispositivo (10) para detecção sem contato do ângulo de rotação de um elemento (12) rotativo, com ao menos um elemento sensor (14) de magnetorresistência, que emite ao menos um primeiro sinal (Sm,1,Sm,2) para detecção de um ângulo de rotação (0) do elemento (12) rotativo em uma primeira faixa (A), caracterizado pelo fato de que em função do movimento de rotação de um eixo (20, 36) um núcleo de imersão (30) e uma bobina (31) se movem relativamente em direção (R) axial do eixo (20), sendo que a bobina (31) emite um sinal (Sc) sobre a variação da indutividade da bobina (L), de modo que em combinação com o primeiro sinal (SM,i, Sm,2) são inequivocamente detectáveis ângulos de rotação (0) além da primeira faixa (A).

2. Dispositivo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a posição do núcleo de imersão (30) dentro da bobina (31) é detectável por meio de um circuito ressonante (34), cuja freqüência de ressonância (fR) depende da indutividade de bobina (L).

3. Dispositivo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o núcleo de imersão (30) se move relativamente à bobina (31) por meio de uma rosca (28) que se encontra no eixo (20, 36) e/ou no núcleo de imersão (30).

4. Dispositivo (10) de acordo com uma das reivindicações 1 ou 3 precedentes, caracterizado pelo fato de que o eixo (20) é um componente do elemento rotativo (12).

5. Dispositivo (10) de acordo com uma das reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo fato de que o eixo (36) está unido por uma transmissão (38) com o elemento (12) rotativo.

6. Dispositivo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira faixa (A) abrange ângulos de rotação (0) de 0o a 180°.

7. Dispositivo (10) de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o elemento (12) rotativo é um acionamento auxiliar de direção (18) eletrônico.

8. Dispositivo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento sensor (14) de magnetorresistência é um sensor (15) anisotrópico, de magnetorresistência.

9. Processo para detecção sem contato do ângulo de rotação de um elemento (12) rotativo, com ao menos um elemento sensor (14) de magnetorresistência, que emite ao menos um primeiro sinal sensor (Sm,1,Sm,2) para detecção de um ângulo de rotação (0) em uma primeira faixa (A), caracterizado pelo fato de que por uma bobina (31) é emitido um sinal de bobina (Sc), que descreve a variação da indutividade de bobina (L) quando de um movimento de rotação de um eixo (20, 36) devido ao movimento relativo entre um núcleo de imersão (30) e a bobina (31) em direção (R) axial do eixo (20, 36), sendo que para inequívoca detecção de ângulos de rotação (0) além da primeira faixa (A) o sinal de bobina (Sc) e o ao menos um sinal de sensor de magnetorresistência ( SM,i, Sm,2) são combinados.

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que é detectada a posição do núcleo de imersão (30) dentro da bobina (31) por meio de um circuito ressonante (34), cuja freqüência de ressonância (fR) depende da indutividade da bobina (L).

11. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o núcleo de imersão (30) é movido relativamente à bobina (31) por uma rosca (28) que se encontra no eixo (20, 36) e/ou no núcleo de imersão (30).

12. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a primeira região (A) abrange ângulos de rotação (0) de 0o a 180°.