DE10002331A1 - Drehwinkelmesser - Google Patents

Abstract

Eine Drehung eines Teils (1) wird auf einen Magneten (2), der einen GMR (3) mit einer daran angeschlossenen elektronischen Schaltung beeinflußt, mittels einer mechanischen Transmission aus Wellen (10, 11, 12) mit Zahnrädern (60, 51, 61, 52, 62) übertragen, deren Übersetzung so gewählt ist, daß kleine Winkeländerungen des drehbaren Teils eine Mehrzahl vollständiger Umdrehungen des Magneten bewirken. Bei ausreichend hoher Übersetzung kann daher eine im Prinzip beliebig kleine Winkeländerung des drehbaren Teils bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehwinkelmesser, der den Winkel, um den ein drehbares Teil bewegt wird, mit­ tels eines GMR mißt.

Eine Drehbewegung eines Ringes, einer Scheibe oder eines Drehknopfes kann erfaßt und ausgewertet werden, indem an das bewegliche Teil ein Magnet, z. B. ein Dauermagnet aus Eisen, angebracht wird und die bei der Drehbewegung sich ändernde Ausrichtung des von diesem Magneten erzeugten Magnetfeldes mittels eines GMR erfaßt wird. Ein solcher GMR (giant magne­ tic resistor) besteht aus einer Schichtfolge von Materialien, durch die ein Elektronenfluß durch die Ausrichtung eines ex­ ternen Magnetfeldes ermöglicht oder unterbunden wird. Wird an einen solchen GMR eine elektrische Spannung angelegt, dann ändert sich die Stärke des den GMR durchfließenden Stromes, wenn sich das Magnetfeld, in dem sich der GMR befindet, än­ dert. Ein solcher GMR weist jedoch Fertigungstoleranzen sowie eine Hysterese auf, die die Präzision der Drehwinkelmessung mittels eines solchen GMR einschränken. Eine präzise Erfas­ sung eines Drehwinkels unterhalb von typisch etwa 3-4 Grad ist damit ohne Meßfehler nicht möglich. Die Anzahl zuverläs­ sig erkennbarer Positionen, d. h. der unterscheidbaren Aus­ richtungen des drehbaren Teiles, ist auf ca. 40 begrenzt. Das entspricht einem Winkelunterschied zwischen zwei aufeinander folgenden Positionen von ca. 9 Grad.

Bevor die Drehwinkelerfassung beginnt, müssen die Amplituden des elektrischen Meßsignales, das sich bei Anliegen der Span­ nung an dem GMR ergibt, ausgewertet werden, so daß deren Wer­ te als Tabelle von Sollwerten (Datenbasis) vorhanden ist. Die Kennlinie des GMR ist temperaturabhängig. Daher muß auch der in die Auswertung einfließende Wert des Temperaturkoeffizien­ ten korrigiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach her­ stellbare Vorrichtung anzugeben, mit der auch kleine Drehwin­ kel einer Scheibe, eines Rades, eines Drehknopfes oder dergl. sehr genau bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem Drehwinkelmesser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Drehwinkelmesser umfaßt einen Magneten, der in Abhängigkeit von der Drehbewegung gedreht wird, und einen von diesem Magneten beeinflußten GMR mit einer daran angeschlossenen elektronischen Schaltung. Zwischen dem dreh­ baren Teil, dessen Winkelposition bestimmt werden soll, und dem Magneten befindet sich eine mechanische Transmission, de­ ren Übersetzung so gewählt ist, daß kleine Winkeländerungen des drehbaren Teiles eine Mehrzahl vollständiger Umdrehungen des Magneten bewirken. Die an dem GMR angeschlossene Auswer­ teschaltung erfaßt die von dem GMR erzeugten elektrischen Si­ gnale, die jeweils einer Volldrehung des Magneten entspre­ chen. Jede solche Volldrehung des Magneten entspricht einer durch die Übersetzung vorgegebenen kleinen Winkeländerung des drehbaren Teiles. Durch geeignete Wahl der Übersetzung kann daher eine im Prinzip beliebig kleine Winkeländerung des drehbaren Teiles mit diesem Drehwinkelmesser bestimmt werden. Die Übersetzung zwischen der Drehung des drehbaren Teiles und der Drehung der mit dem Magneten versehenen Welle definiert daher gewissermaßen die Einheit, in der die Drehbewegung ge­ messen wird.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfin­ dungsgemäßen Drehwinkelmessers anhand der beigefügten Fig. 1 bis 6.

Fig. 1 zeigt eine typische Ausgestaltung des Drehwinkelmes­ sers im Querschnitt.

Fig. 2 bis 4 zeigen alternative Ausgestaltungen im Quer­ schnitt.

Fig. 5 und 6 zeigen Schemazeichnungen für die Anordnung der mechanischen Transmission.

In Fig. 1 ist das drehbare Teil 1, dessen Winkelposition be­ stimmt werden soll, als Beispiel eines inwendig hohlen Dreh­ knopfes im Querschnitt dargestellt. Das bewegliche Teil 1 ist über einer Halterung 7 angeordnet, die in das Innere des Tei­ les 1 eingreift und durch Führungsrillen 17 oder Nuten, in denen ein ringförmiger Aufsatz oder Wulst auf einem Innen­ kranz des Teiles 1 geführt wird, die möglichen Bewegungen des Teiles 1 auf eine Drehbewegung um die Mittenachse ein­ schränkt. Der für die Detektion der Drehbewegung vorgesehene Magnet 2 befindet sich in ausreichender Nähe zu einem GMR 3 an einer drehbar gelagerten Welle 4. Diese Welle 4 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel im Inneren des Drehknop­ fes und ist koaxial zur Drehachse des Drehknopfes ausgerich­ tet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann diese Welle aber auch exzentrisch angeordnet sein. Bei dem in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Magnet 2 als Dauermagnet miniaturisiert in einer Schale 8 aus weichmagne­ tischem Material, das relativ leicht magnetisierbar ist, aber die Magnetisierung leicht verliert (z. B. Ferrit, Permalloy). Mit dieser Schale 8 wird eine magnetische Abschirmung des GMR 3 auf der von dem GMR abgewandten Seite des Magneten 2 bewirkt. Diese Schale kann aber auch weggelassen sein. An der drehbar gelagerten Welle 4 befindet sich ein Zahnrad 5 oder Zahnkranz, mit dem eine Drehbewegung auf die Welle übertragen werden kann. Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Beispiel befindet sich auf der Innenseite des Innenkranzes des Dreh­ knopfes ein Zahnkranz 6, der eine Folge von mit Zahnrädern versehenen Wellen 10, 11, 12 antreibt. Die Zahnräder 60, 51/61, 52/62 dieser Wellen bilden eine Art Getriebe, mit dem die Drehbewegung des Teiles 1 auf die Welle 4 übertragen wird, und zwar mit einer solchen hohen Übersetzung, daß be­ reits geringfügige Drehwinkel, um die das Teil 1 bewegt wird, zu einer Vielzahl von Volldrehungen des Magneten 2 führen. An dem GMR 3 ist eine in der Fig. 1 nicht eingezeichnete elek­ tronische Schaltung angeschlossen, mit der eine elektrische Spannung an den GMR 3 angelegt werden kann und elektrische Signale, die bei einer Drehbewegung des Magneten 2 aus der sich verändernden Stromstärke des den GMR 3 durchfließenden Stromes resultieren, erfaßt werden können. Die hohe Überset­ zung sowie die vorzugsweise durch die weichmagnetische Scha­ le 8 bewirkte magnetische Abschirmung haben zur Folge, daß externe magnetische Felder die Winkelmessung durch den GMR 3 kaum beeinflussen können. Ausschlaggebend für das Meßergebnis ist in jedem Fall die Zahl der Umdrehungen des Magneten 2 bzw. die zugehörige Winkeländerung des drehbaren Teiles 1; und die Wirkung einer externen magnetischen Beeinflussung bleibt weitgehend reduziert.

In Fig. 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel darge­ stellt, das gegenüber der Ausführungsform von Fig. 1 wesent­ lich vereinfacht ist. Zwischen dem Zahnkranz 6 des auch hier innen hohlen Drehknopfes, der das drehbare Teil 1 bildet, und dem Zahnrad 5 der drehbar gelagerten Welle 4 mit dem Magne­ ten 2 befindet sich hier nur ein Transmissionsrad 101, das mit einem Zahnrad 60 versehen ist. Es sind noch eingezeichnet der GMR 3, der auch hier in der Halterung 7 angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform von Fig. 3 ist als Transmission ein Zahnrad 60 verwendet, das auf einer geeigneten Strukturie­ rung 10 der Halterung 7 gelagert ist und so in der Position stabilisiert wird. Die drehbar gelagerte Welle 4 ist hier ebenfalls durch ein Zahnrad 5 gebildet, in dessen Innerem der Magnet 2 angebracht ist.

Bei der Ausführungsform von Fig. 4 befindet sich an der drehbar gelagerten Welle 4 eine Vielzahl von im Winkel zuein­ ander angeordneten Magneten 2, was in der Figur durch die Aufeinanderfolge von mit N (Nordpol) und S (Südpol) bezeich­ neten Magnetpolen dargestellt ist. Seitlich zu dem mit dem Magneten 2 versehenen unteren Teil der Welle 4 ist der GMR 3 auf der Halterung 7 angeordnet. Die für die Transmission vor­ gesehene Welle 10 mit dem Zahnrad 60 ist hier mit Ausnahme der Art der Lagerungen ähnlich der Ausführung gemäß Fig. 2 gestaltet.

In der Fig. 5 ist zur Verdeutlichung der durch die mechani­ sche Transmission des erfindungsgemäßen Drehwinkelmessers ge­ gebenen Übersetzung eine Folge von Wellen mit Zahnrädern in Aufsicht im Schema dargestellt. Das drehbare Teil 1 ("Haupt­ scheibe") wird um einen kleinen Winkel verdreht, der auf eine erste Welle 10 mit einem Zahnrad 50 entsprechend der ersten Übersetzung vergrößert übertragen wird. Ein zweites Zahn­ rad 60, das an dieser Welle 10 vorhanden ist, überträgt deren Drehung erneut in hoher Übersetzung auf ein nachfolgendes Zahnrad 51 einer weiteren Welle. Ein weiteres Zahnrad 61 schließlich treibt über das Zahnrad 5 an der letzten Welle den Magneten 2 an, der wegen der hohen Übersetzungsverhält­ nisse, die sich multiplizieren, auch bei einem geringen Dreh­ winkel des drehbaren Teiles 1 eine Vielzahl von Volldrehungen ausführt.

In Fig. 6 ist eine alternative Anordnung der Transmissions­ elemente gemäß Fig. 5 dargestellt, bei der die Übertragung der Drehbewegung von dem drehbaren Teil 1 auf das Zahnrad 60 der nachfolgenden Welle mittels eines Zahnkranzes 6 an der Innenseite des Teiles 1 erfolgt.

Falls ein GMR konzentrisch zum Magneten positioniert wird, wird durch den GMR bei jeder Volldrehung des Magneten ein Si­ nussignal generiert. Wenn das resultierende elektrische Si­ gnal, beispielsweise mit einem Schmitt-Trigger, digitalisiert wird, ergibt sich eine Reihe von Signalpulsen. Falls z. B. das gesamte Übertragungsverhältnis 360 beträgt, so daß bei einer Drehung des Teils 1 um 1° der Magnet 2 eine Volldrehung beschreibt, ergibt sich für jeden Winkelgrad der Drehbewegung ein Signalpuls. Der Meßfehler ist in diesem Fall kleiner als 1°. Der maximale auftretende Meßfehler hängt im allgemeinen nur von der Übersetzung der Transmission des Drehwinkelmes­ sers ab. Die Genauigkeit der Messung kann daher mit dieser Übersetzung vorgegeben werden. Insbesondere ist eine Genauig­ keit unterhalb von 3 Winkelgrad möglich, womit insbesondere auch die Zahl der zuverlässig erkennbaren Winkelpositionen deutlich über 40 erhöht werden kann.

Eine konzentrische Ausrichtung der Welle 4 mit dem Magneten 2 zu der Drehachse des drehbaren Teiles 1 hat den Vorteil, daß diese Teile auch konzentrisch mit dem GMR z. B. als Drehschal­ ter in einem Elektrogerät montierbar sind. Die Drehachse des Magneten muß aber nicht mit der Drehachse des drehbaren Tei­ les zusammenfallen. Die Welle 4 mit dem Magneten kann insbe­ sondere so exzentrisch angeordnet sein, daß es ausreicht, wenn ein Zahnrad der Welle 4 direkt in ein Zahnrad oder einen Zahnkranz des drehbaren Teiles, dessen Drehwinkel gemessen werden soll, eingreift, um die gewünschte hohe Übersetzung zu erreichen.

Mit dem erfindungsgemäßen Drehwinkelmesser kann die Drehbewe­ gung eines Objektes, z. B. einer Scheibe oder eines Drehknop­ fes, mit grundsätzlich beliebig hoher Präzision und ohne jeg­ liche mechanische, elektrische oder optische Verbindung zwi­ schen dem Drehteil und dem GMR-Sensor magnetisch erfaßt wer­ den. Eine Kalibrierung, insbesondere eine Temperaturkompensa­ tion, ist nicht mehr erforderlich, da der GMR-Sensor volle Umdrehungen des Magneten auswertet und nicht den jeweiligen Wert des durch den GMR gebildeten Widerstandes in Abhängig­ keit von unterschiedlichen Ausrichtungen des Magneten. Die Auswertung kann auf einfache Weise mit herkömmlichen elektro­ nischen Bauelementen, wie z. B. einem Schmitt-Trigger oder ähnlicher Elektronik, erfolgen. Der Wert der auftretenden Signalamplitude ist jetzt irrelevant. Die Anzahl der identi­ fizierbaren Positionen des drehbaren Teiles ist gleich der Zahl der Volldrehungen des Magnetes bei einer vollen Umdre­ hung des drehbaren Teiles (Hauptscheibe). Bei einer Überset­ zung von insgesamt 360 können so 360 verschiedene Winkelposi­ tionen bestimmt werden. Der erfindungsgemäße Drehwinkelmesser ist von besonderem Nutzen, wenn hohe Präzision bei berüh­ rungsloser Messung verlangt wird, z. B. um eine ausreichende Abdichtung gegen Schmutz, Licht oder dergl. zu erhalten. Au­ ßer in Positionierungssystemen läßt sich der erfindungsgemäße Drehwinkelmesser z. B. zur Erfassung einer Lenkrad- oder Ven­ tilposition einsetzen.

Claims (7)

1. Drehwinkelmesser zur Bestimmung der Winkelposition eines drehbaren Teiles (1), bei dem

• - ein Magnet (2) und ein GMR (3) vorhanden sind,
• - der Magnet (2) drehbar angebracht ist und derart an das drehbare Teil (1) mechanisch gekoppelt ist, daß eine Drehung des drehbaren Teiles eine Drehung des Magnetes (2) bewirkt, und
• - der GMR (3) derart bezüglich des Magnetes (2) angeordnet und ausgerichtet ist, daß mittels einer an den GMR angelegten elektrischen Spannung durch eine Drehung des Magnetes (2) ein elektrisches Signal erzeugt werden kann,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Magnet (2) an einer drehbar gelagerten Welle (4) mit einem Zahnrad (5) oder Zahnkranz befestigt oder mit einem Zahnrad versehen ist,
• - das drehbare Teil (1) ein Zahnrad oder einen Zahnkranz (6) aufweist,
• - diese Zahnräder bzw. Zahnkränze ineinandergreifen oder zwi­ schen diesen Zahnrädern bzw. Zahnkränzen eine mechanische Transmission (10, 11, 12) vorhanden ist und
• - eine elektronische Schaltung vorhanden ist, mit der ein elektrisches Signal, das mittels einer an den GMR angelegten elektrischen Spannung durch eine Volldrehung des Magnetes er­ zeugt wird, erfaßt wird.

2. Drehwinkelmesser nach Anspruch 1, bei dem

• - eine mechanische Transmission durch mindestens eine Welle (10, 11, 12) mit zwei verschiedenen Zahnrädern (50, 60; 51, 61; 52, 62) gebildet wird und
• - die Übersetzung der Transmission so gewählt ist, daß eine Volldrehung des Magnetes (2) durch eine Teildrehung des dreh­ baren Teils (1) herbeigeführt wird.

3. Drehwinkelmesser nach Anspruch 2 bei dem die kleinste Teildrehung des drehbaren Teils (1), die eine Volldrehung des Magnetes (2) bewirkt, weniger als 10° be­ trägt.

4. Drehwinkelmesser nach Anspruch 2, bei dem die kleinste Teildrehung des drehbaren Teils (1), die eine Volldrehung des Magnetes (2) bewirkt, weniger als 3° beträgt.

5. Drehwinkelmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das drehbare Teil (1) ein scheibenförmiger oder zylindrischer Drehknopf ist, in dessen Innerem die mechanische Transmission und eine mit dem Magneten (2) versehene Welle (4) angeordnet sind und der längs einer inneren Mantelfläche einen Zahn­ kranz (6) aufweist, an den die Transmission angreift.

6. Drehwinkelmesser nach Anspruch 5, bei dem die mit dem Magneten (2) versehene Welle (4) koaxial zu der Achse des Drehknopfes angeordnet ist.

7. Drehwinkelmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Magnet (2) in einer Schale (8) aus weichmagnetischem Ma­ terial angebracht und so gegenüber dem GMR (3) angeordnet ist, daß sich die Schale (8) auf der von dem GMR (3) abge­ wandten Seite des Magnetes (2) befindet.