CN103261843B - 角度传感器、用于角度传感器的齿轮以及用于制造这样的齿轮的方法 - Google Patents

Abstract

介绍一种用于确定能够旋转的本体（5）比如机动车中的转向柱的旋转角的角度传感器（1）以及一种能够在这种角度传感器中使用的齿轮（3）包括一种能够用于制造这样的齿轮的方法。由所述齿轮（3）产生的磁场应该由磁场传感器（6）在其定向方面来探测。为此，按照本发明，整个齿轮（3）应该由能够磁化的材料比如硬铁氧体来制成，在所述材料中加入了磁化强度，所述磁化强度在所述齿轮（3）的中心区域（9）中比在边缘区域（10）中强烈，在所述边缘区域中布置了齿。为了仅仅较弱地使所述边缘区域（10）磁化并且由此将所述齿的对所产生的磁场的均匀性的负面的影响降低到最低限度，可以在端侧使所述齿轮磁化。所述磁化过程在此可以有利地已经与用于形成所述齿轮（3）的注塑过程同时进行。

Description

角度传感器、用于角度传感器的齿轮以及用于制造这样的齿轮的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测能够旋转的本体的旋转角的像尤其可以用作用于检测机动车中的转向柱的旋转角的转向角传感器一样的角度传感器。此外，本发明涉及一种用于这样的角度传感器的齿轮以及一种用于制造这样的齿轮的方法。

背景技术

角度传感器为人所知，所述角度传感器设计用于绝对地也就是说也在本体静止时测量旋转的本体的角度。这样的角度传感器在DE19506938A1中得到了说明。在此在能够旋转的本体比如车辆的转向柱上设置了第一齿轮，该第一齿轮能够与所述能够旋转的本体一起旋转360°以上。两个标准齿轮与所述第一齿轮处于啮合之中，其中这些标准齿轮的齿的数目小于前面提到的齿轮并且对于所述两个标准齿轮来说齿的数目比如相差一个齿。从所述两个标准齿轮的所测量的角度中可以绝对地检测所述第一齿轮的角度并且由此检测所述能够旋转的本体的角度。

为了能够确定所述标准齿轮的角度，对于传统的角度传感器来说这些标准齿轮具有所谓的磁片。这些磁片由能够磁化的材料比如NdFeB（钕铁硼）或者能够成形的基体材料制成，所述NdFeB颗粒被嵌入到所述基体材料中。将磁片固定地与所述标准齿轮连接起来。比如可以将所述磁片夹入到所述齿轮中。作为替代方案，为了制造整个标准齿轮，可以作为芯部来提供磁片，而后围绕着所述芯部以注塑方法来喷射到其余的标准齿轮中。

由所述磁片产生的磁场的定向可以借助于与所述标准齿轮的端面相邻地布置的磁场传感器来测量。从这种磁场定向中可以推断出相应的标准齿轮的定向并且在知道所述两个标准齿轮的两种定向的情况下最终可以推断出所述能够旋转的本体的定向或者说旋转角。

发明内容

可能存在着对角度传感器以及对用于角度传感器的齿轮以及一种用于制造这样的齿轮的方法的需求，其中所述角度传感器构造简单并且尽管如此也允许精确地检测能够旋转的本体的旋转角。

用按本发明的用于角度传感器的齿轮、按本发明的角度传感器以及按本发明的用于制造用于角度传感器的齿轮的方法可以满足这样的需求。

按照本发明的第一方面，建议一种齿轮，该齿轮可以用作用于角度传感器比如机动车转向角传感器的标准齿轮。所述齿轮在此沿着圆周方向具有多个齿。按照本发明，所述齿轮完全由能够磁化的材料制成，其中在所述齿轮中加入了磁化强度（Magnetisierung），该磁化强度在所述齿轮的中心区域中比在边缘区域中强烈，在所述边缘区域中布置了所述齿。

按照本发明的第二方面，建议一种角度传感器。该角度传感器作为标准齿轮而具有至少一个齿轮或者优选至少两个齿轮。此外，所述角度传感器具有一个或者多个分配给所述齿轮的磁场传感器。在此应该检测所述能够旋转的本体的旋转角，齿轮在此应该如此与所述能够旋转的本体共同作用，使得所述能够旋转的本体的旋转引起所述齿轮的围绕着其旋转轴线的旋转。所述齿轮在此构造用于在正交于所述旋转轴线的平面中产生基本上均匀的磁场，由所述磁场传感器可以检测所述磁场的方向。按照本发明，所述齿轮在此完全由能够磁化的材料制成。

按照本发明的第三方面，建议一种用于制造用于角度传感器的齿轮的方法。所述方法在此具有以下步骤：首先由能够磁化的材料比如通过注塑或者冲压来一体地制造整个齿轮。随后如此使所述齿轮磁化，从而在所述齿轮的中心区域中存在着比在边缘区域中强烈的磁化作用。

本发明的方面或者说其实施方式基于一些认识和构思，下面对这些认识和构思进行简要的描述并且对按本发明的实施方式的特征和优点进行说明。

已经发现，用于角度传感器的齿轮的制造会引起巨大的人工成本，对于所述角度传感器来说如上面所描述的一样将磁性的片状器件嵌入到所述齿轮中。在传统上首先由能够磁化的材料比如以注塑方法来制造片状器件。随后正相对着地使所述片状器件磁化，使得由其产生的磁场在平行于所述片状器件的表面的平面中至少在中心区域中在很大程度上是均匀的。所述磁化过程通常在注塑完毕的片状器件上实施。随后将经过磁化的片状器件要么夹入要么压入到单独制造的齿轮本体中。作为替代方案，在另一个注塑方法步骤中用齿轮本体来对所述片状器件进行挤压包封。

磁场以所述齿轮为出发点，所述磁场的定向可以借助于磁场传感器来确定，为了简化所述齿轮的制造，现在建议，放弃磁片的单独的制造。已经发现，也可以取代传统的多构件的设计方案用一体的设计方案来如此构造齿轮，从而可以适当地将其用在角度传感器中，对于一体的设计方案来说整个齿轮由能够磁化的材料制成。由能够磁化的材料来一体地构成所述齿轮，这可以显著地简化制造过程。

磁场的定向可以由磁场传感器以足够的精度来确定，为了借助于所述一体地构成的齿轮来产生所述磁场，应该使所述齿轮的磁化程度在中心区域中比在边缘区域中强烈。所述中心区域在此可以是指处于所述齿轮的旋转轴线的附近比如在齿根圆直径的内部的区域。而后在与这个中心区域相邻的情况下，可以在所述角度传感器中布置所述磁场传感器。所述齿轮不像在传统的磁片上均匀地用正相对着的磁化方式来穿透磁化，而是取而代之如此被磁化，从而在中心区域中存在着比在边缘区域中高的磁化作用，由此可以避免这一点，即所述齿轮的布置在边缘区域中的齿的磁化比如向由所述齿轮产生的磁场的均匀性施加干扰性的影响。

为了能够借助于所述磁场传感器来更为精确地检测所述齿轮的定向，在此力求所述齿轮在正交于所述齿轮的旋转轴线的平面中在所述中心区域中产生基本上均匀的磁场。“均匀”在此是指，磁力线平行地伸展。“基本上”在此可以如此来理解，使得所产生的磁场足够均匀，用于能够用磁场传感器以对于所给定的应用情况来说所期望的精度来实施所述磁场的定向。比如偏离磁力线的平行性的偏差应该小于5°，优选小于2°。

为了实现这一点，可以在所述齿轮中加入在端侧的磁化强度。如此经过磁化的齿轮也被称为表面磁化的齿轮。如下面还要详细描述的一样，为了实现这样的在端侧的磁化，不是像在进行传统的正相对着的磁化方式中一样使整个齿轮经受均匀的磁场。取而代之，在使所述能够磁化的材料磁化的过程中使所述齿轮经受不均匀的磁场，该磁场主要从所述齿轮的端面进入到所述齿轮中并且由于其异质性而会引起这一点，即所述齿轮的磁化程度在所述中心区域中比在所述边缘区域中强烈。所述在端侧的磁化也可以设计为2极的磁化。作为替代方案，也可以使用4极的、6极的或者通常2n极的（n=1、2、3、...）磁化。

所述齿轮比如可以用能够磁化的材料构成，对于该材料来说能够磁化的颗粒被埋入到能够成形的基体材料中。所述基体材料在此比如可以是能够以注塑方法或者通过冲压来加工的材料。由此可以在仅仅一个成形步骤中实现所述齿轮的容易的可制造性。

作为用于所述能够磁化的颗粒的材料，在此硬铁氧体已经证实是有利的。所述硬铁氧体可以以低廉的成本来提供并且以有利的方式来磁化。

为了制造所述齿轮，可以将其注塑或者冲压而成，其中可能有利的是，直接在用于制造的模具中使所述齿轮磁化。因为所述齿轮可以用仅仅一个成形过程来一体地构成，所以由此可以在唯一的装置中实施整个制造过程包括磁化过程。在此，比如可以利用这一点，即在注塑材料时效硬化的过程中磁化过程通过所述齿轮引起的磁场比在时效硬化完毕的状态中在后来使所述齿轮磁化时强烈。

所述磁化过程在此可以借助于与所述齿轮的端面相邻地布置的永久磁体和/或电磁体来实施。通过磁体的这样的布置，可以以简单的方式产生所述齿轮的所期望的在端侧的磁化效果。尤其在所述能够磁化的材料中使用铁素体的情况下，事实已经表明，所述铁素体由于其容易的可磁化性也可以通过成本低廉的永久磁体来足够地磁化并且可以放弃昂贵的电磁体。

要说明的是，关于本发明的构思在这方面不仅结合角度传感器或者说能够在所述角度传感器中使用的齿轮之一而且结合一种用于制造齿轮的方法得到了说明。在此，本领域的技术人员清楚地知道，单个的所描述的特征可以不同的方式彼此相组合，并且就这样也实现本发明的其它的设计方案。

附图说明

下面参照附图对本发明的可以无限制地设计的实施方式进行说明。附图仅仅具有示范性并且不按比例。

图1是按本发明的角度传感器的俯视图。

图2是按本发明的角度传感器的横截面视图。

图3是按本发明的齿轮的用于在双极的在端侧的磁化强度的实施例上说明问题的横截面视图。

图4是按本发明的齿轮的用于在双极的在端侧的磁化强度的实施例上说明问题的俯视图。

图5是用于对正相对着的磁化强度进行说明的齿轮。

图6是可以用于按本发明来制造齿轮的装置。

具体实施方式

图1以俯视图示出了按本发明的角度传感器1的示意图。在能够旋转的本体5上比如在车辆的转向柱的轴上固定地安装了较大的齿轮2。两个较小的齿轮3、4与所述较大的齿轮2处于啮合之中，因而它们在所述较大的齿轮2运动时一同旋转。齿的数目对于所述两个较小的齿轮3和4来说相差至少一个齿。所述较小的齿轮3、4完全由能够磁化的材料构成。所述齿轮在此以一定的方式被磁化，使得平行于所述齿轮3、4的端面伸展的磁场在很大程度上是均匀的。

如不仅在图1中而且在图2的横截面视图中示意性地示出的一样，在所述齿轮3、4的端面8的上面分别布置了一个磁场传感器6。这个磁场传感器6适合于探测由所述被磁化的齿轮3产生的磁场11的定向。为此目的，比如可以使用XMR传感器，所述XMR传感器在磁通量的影响下直接改变其电阻并且因此称为“X-磁阻”。比如可以使用GMR传感器或者AMR传感器，其中所述GMR传感器利用“GiantMagnetoResistive（巨磁阻）”效应并且所述AMR传感器利用“AnisotropicMagneticResistance（各向异性磁阻）”效应。

可以将通过这种方式得到的关于所述齿轮3、4的定向的信息传输给测评单元7。在那里在所测量的定向的基础上并且在知道所述两个齿轮3、4的齿的不同的数目的情况下可以绝对地检测与所述齿轮3、4相连接的较大的齿轮2的旋转角。

如在图2中粗略地示出的一样，由所述齿轮3产生的磁场11仅仅在所述齿轮的中心区域9中被所述磁场探测器6检测到。在所述中心区域9的外部并且尤其在设有所述齿的边缘区域10中，没有对所产生的磁场11进行测量。因此，对于传统的用于角度传感器的标准齿轮来说，仅仅在所述齿轮3的中心处布置了被磁化的片状器件并且该被磁化的片状器件固定地与所述齿轮相连接。

对于这里所建议的完全由能够磁化的材料制成的齿轮3、4来说，已经观察到，在所述边缘区域10的内部的强烈的磁化会对测量精度有负面的影响，在此所述磁场传感器6可以以所述测量精度来确定所齿轮3、4的定向。为了将这样的负面的影响降低到最低限度，在此对于完全由能够磁化的材料制成的齿轮3、4来说加入了磁化强度，所述磁化强度在所述中心区域9中比在所述边缘区域10中强烈得多。比如，所述中心区域中的磁场强度可以具有最大的场强，所述最大的场强可以比所述边缘区域10中的最大的场强高了因数5到10。

为了实现这样的集中于所述中心区域9的磁场分布，已经证实有利的是，以一定的方式使所述齿轮3、4磁化，这可以被称为多极端面磁化或者也可以被称为多极表面磁化。图3和4示意性地示出了对于这种磁化方式来说所述齿轮3的剖视图和俯视图。在图3中示出的横截面在此沿着在图4中示出的线条A-A来绘制。相对于此，图5示出了传统的正相对着的磁化方式。对于示范性地在图3和4中示出的双极的在端侧的磁化来说，通过场力线11来表明的磁场从所述齿轮3的端面8进入到所述齿轮3的体积中并且对于所述磁场的相应足够的强度来说可以使在那里存在的能够磁化的材料磁化。所述磁场11在此从与所述齿轮3的端面邻接的永久磁体或者电磁体（未示出）的南极S伸展到北极N。在横向于所述齿轮3的平面的平面中，如在图3中示出的一样，在此所述磁场11极为不均匀并且主要在所述齿轮3的中心区域9中使该齿轮磁化。相反，在平行于所述齿轮3的端面8的平面中，也就是说在正交于所述齿轮3的旋转轴线12的平面中，如在图4中示出的一样，所述磁场11则十分均匀，也就是说所述场力线（矢量箭头）在很大程度上是平行的。整个齿轮3比如可以是数厘米大，而所述磁场11则仅仅在很小的测量范围13中在所述中心区域9的内部被所述磁场传感器6探测到。在这个测量范围13之内，所产生的磁场11非常均匀并且因此适合于精确地确定所述齿轮3的定向。

仅仅为了比较目的，在图5中示出了一种传统的正相对着的磁化方式。在磁化过程中，在此均匀的磁场11’从整个齿轮3’中穿过。在此，所述齿轮3的所有区域基本上以相同的程度被磁化。已经发现，用这样的正相对着的磁化方式借助于由所述齿轮3’产生的磁场11’不能或者说只能以欠缺的精确度来确定所述齿轮3’的定向。比如已经观察到，对于在其它方面类似的磁化参数来说用一个正相对着地被磁化的齿轮在所述磁场传感器的位置上只能达到不足以用于可靠的角度确定的磁通密度，而用表面磁化或者说在端侧的磁化则能够达到足以用于可靠的角度确定的磁通密度。

图6示出了装置21的横截面，该装置可以用于按本发明来制造齿轮3。如十分简化地示出的一样，所述装置21具有一个由两部分组成的模具22，该模具具有空隙24，在该空隙24中可以以注塑方法来制造所述齿轮3。为此在液态的或者有粘性的状态中将有注塑能力的能够磁化的材料加入到所述空隙24中，用于随后在那里时效硬化并且最后形成所述齿轮3。作为替代方案，所述齿轮3也可以通过冲压来成形。

在此，像通常在制造塑料结合的磁体时所使用的一样的由磁粉和塑料粒子构成的混合物可以用作能够磁化的材料。所述包含较小的能够磁化的颗粒的磁粉可以在所述塑料粒子的液化及随后的再凝固之后均匀地分布在塑料基体的内部。对于所述磁粉来说尤其可以使用由硬铁氧体制成的粉末，比如按DINIEC60404-8-1的硬铁氧体16/21p。这种磁粉的成本比较低廉。作为替代方案也可以使用像在制造传统的磁片时所使用的一样的由NdFeB构成的磁粉。这种磁粉虽然原则上可以被更为剧烈地磁化，但是与硬铁氧体相比也昂贵得多并且更加难以磁化。

为了在注塑过程中就已经能够使所述齿轮3磁化，在所述装置21中额外地集成了永久磁体23。所述永久磁体23产生如前面参照图3和4已经解释的一样的磁场11。为此，所述永久磁体23与所述空隙邻接，在所述空隙中形成所述齿轮3。通过这种方式，所述磁场11已经可以作用于用于形成所述齿轮3的能够磁化的材料，只要该材料还没有时效硬化。所述磁场11可以在整个对于常见的注塑方法来说比如可能持续10-20s的时效硬化过程中起作用。已经观察到，通过这种方式在所述齿轮3中产生的磁化作用可以比在后来使已经完全时效硬化的齿轮的磁化时强烈和稳定。由于这种更好的磁化作用，因此对于所述齿轮3来说也可以使用含硬铁氧体的材料，尽管所述硬铁氧体一般来说只能以比NdFeB低的程度来磁化。也已经额外地观察到，所述硬铁氧体可以以比NdFeB低的磁场强度来反复磁化，从而对于所述磁化过程来说，也可以使用一般来说可以提供比电磁体弱的磁场强度的永久磁体。

Claims (9)

1.用于角度传感器（1）的齿轮（3、4），

其中所述齿轮具有多个齿，所述齿沿着所述齿轮的圆周来布置；

其特征在于，

所述齿轮完全由能够磁化的材料制成，并且在所述齿轮中加入了磁化强度（11），所述磁化强度在所述齿轮的中心区域（9）中比在边缘区域（10）中强烈，在所述边缘区域（10）中布置了所述齿。

2.按权利要求1所述的齿轮，其中在所述齿轮中加入了在端侧的磁化强度。

3.按权利要求1或2所述的齿轮，其中在所述齿轮中加入了磁化强度，该磁化强度在所述齿轮的中心区域中在正交于所述齿轮的旋转轴线的平面中是均匀的。

4.按权利要求1或2所述的齿轮，其中所述能够磁化的材料是埋入到能够成形的基体材料中的能够磁化的颗粒。

5.按权利要求1或2所述的齿轮，其中所述能够磁化的材料具有硬铁氧体。

6.角度传感器（1），用于检测能够旋转的本体（2）的旋转角，其中所述角度传感器具有：

至少一个齿轮（3、4）；和

磁场传感器（6）；

其中所述齿轮如此与所述能够旋转的本体共同作用，使得所述能够旋转的本体的旋转引起所述齿轮的围绕着旋转轴线（12）的旋转；

其中所述齿轮构造用于在正交于所述齿轮的旋转轴线的平面中产生均匀的磁场；并且

其中所述磁场传感器构造并且布置用于确定由所述齿轮产生的磁场的定向；

其特征在于，

所述齿轮完全由能够磁化的材料制成，其中所述齿轮构造为按权利要求1到5中任一项所述的齿轮。

7.用于制造用于角度传感器（1）的齿轮（3、4）的方法，

其中所述方法具有：

-由能够磁化的材料来构成整个齿轮；

-如此使所述齿轮磁化，从而在所述齿轮中加入了磁化强度，该磁化强度在所述齿轮的中心区域（9）中比在边缘区域（10）中强烈，在所述边缘区域（10）中布置了所述齿轮的齿。

8.按权利要求7所述的方法，其中在所述齿轮布置在为所述齿轮的形成而使用的模具（22）中时实施所述齿轮的磁化过程。

9.按权利要求7或8所述的方法，其中所述磁化过程借助于与所述齿轮的端面（8）相邻地布置的永久磁体（23）和/或电磁体来实施。