DE10002331C2

DE10002331C2 - Rotation angle measuring device

Info

Publication number: DE10002331C2
Application number: DE2000102331
Authority: DE
Inventors: Jaime Estevez
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: DE10002331A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehwinkelmesser, der den Winkel, um den ein drehbares Teil bewegt wird, mit tels eines GMR mißt.The present invention relates to a rotation angle meter, which defines the angle through which a rotatable part is moved of a GMR.

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.A rotating movement of a ring, a disc or one Knob can be detected and evaluated by clicking on the moving part a magnet, e.g. B. a permanent magnet made of iron, is attached and the changing with the rotary movement Alignment of the magnetic field generated by this magnet is recorded by means of a GMR. Such a GMR (giant magne tic resistor) consists of a layer sequence of materials, through which an electron flow through the alignment of an ex magnetic field is enabled or prevented. We then such a GMR then applied an electrical voltage the strength of the current flowing through the GMR changes, if the magnetic field in which the GMR is located changes changed. However, such a GMR has manufacturing tolerances as well a hysteresis indicating the precision of the angle measurement restrict by means of such a GMR. A precise registration solution of a rotation angle below typically about 3-4 degrees is not possible without a measurement error. Reliable the number sig recognizable positions, d. H. the distinguishable out directions of the rotatable part, is limited to approx. 40. The corresponds to an angle difference between two on top of each other following positions of about 9 degrees.

Eine Vorrichtung zur Winkelmessung ist beispielsweise in der DE 195 06 938 beschrieben, wobei die Winkelstellung einer Achse mittels eines an der Achse befestigten Zahnrades be stimmt wird, das wiederum in zwei einen jeweiligen Magneten tragende Zahnräder eingreift. Die Orientierung dieser Magnete wird von zwei Sensoren erfaßt und der Drehwinkel der Achse aus dieser Orientierung von einer elektronischen Auswerte schaltung bestimmt.A device for angle measurement is for example in the DE 195 06 938 described, the angular position of a Axis by means of a gear wheel attached to the axis is true, which in turn in two respective magnets engaging load-bearing gears. The orientation of these magnets is detected by two sensors and the angle of rotation of the axis from this orientation of an electronic evaluation circuit determined.

Weiterhin zeigt die DE 197 24 387 einen Sensor, bei dem eine Weglänge in eine Drehbewegung eines Magnets umsetzbar ist. Die Drehung des Magnets wird dann von einem Sensorelement er faßt.Furthermore, DE 197 24 387 shows a sensor in which one Path length can be converted into a rotary movement of a magnet. The rotation of the magnet is then controlled by a sensor element summarizes.

Darüberhinaus beschreibt die DE 198 02 381 die Verwendung ei nes GMR als Sensor zur Erfassung der Drehung einer Drehwahl scheibe.In addition, DE 198 02 381 describes the use of egg GMR as a sensor for detecting the rotation of a rotation selection disc.

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.Before the rotation angle detection begins, the amplitudes of the electrical measurement signal, which is present when the span results in the GMR results, so that their who is available as a table of target values (database). The The characteristic curve of the GMR is temperature-dependent. Therefore, the value of the temperature coefficients flowing into the evaluation corrected.

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.The object of the present invention is a simple specify adjustable device with which even small rotary kel of a disc, a wheel, a knob or the like. can be determined very precisely.

Diese Aufgabe wird mit dem Drehwinkelmesser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is done with the rotary angle meter with the features of claim 1 solved. Refinements result from the dependent claims.

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.The rotary angle meter according to the invention comprises a magnet, which is rotated depending on the rotary movement, and a GMR influenced by this magnet with one on it connected electronic circuit. Between the shoot the part whose angular position is to be determined, and the magnet has a mechanical transmission, de ren translation is chosen so that small angle changes of the rotatable part a plurality of complete rotations of the magnet. The Auswer connected to the GMR Circuitry detects the electrical Si generated by the GMR signals that correspond to one full turn of the magnet chen. Each full rotation of the magnet corresponds to one given by the translation small change in angle of the rotatable part. With a suitable choice of translation therefore in principle any small change in angle of the rotatable part can be determined with this rotary angle meter. The translation between the rotation of the rotatable part and the rotation of the shaft provided with the magnet hence, so to speak, the unit in which the rotary movement ge will measure.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfin dungsgemäßen Drehwinkelmessers anhand der beigefügten Fig. 1 bis 3.The following is a more detailed description of examples of the rotational angle meter according to the invention with reference to the attached FIGS . 1 to 3.

Fig. 1 zeigt eine typische Ausgestaltung des Drehwinkelmes sers im Querschnitt. Fig. 1 shows a typical embodiment of the Drehwinkelmes sers in cross section.

Fig. 2 und 3 zeigen Schemazeichnungen für die Anordnung der mechanischen Transmission. Fig. 2 and 3 show diagrams for the arrangement of the mechanical 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. 1, the rotatable part 1 , the angular position of which is to be determined, is shown as an example of an internally hollow rotary knob in cross section. The movable part 1 is arranged above a holder 7 which engages in the interior of the Tei les 1 and through guide grooves 17 or grooves in which an annular attachment or bead is guided on an inner ring of the part 1 , the possible movements of the part. 1 limited to a rotary movement around the central axis. The magnet 2 provided for the detection of the rotary movement is located in sufficient proximity to a GMR 3 on a rotatably mounted shaft 4 . This shaft 4 is in this embodiment inside the fes knob and is aligned coaxially to the axis of rotation of the knob. In other exemplary embodiments, however, this shaft can also be arranged eccentrically. In the embodiment shown in FIG. 1, the magnet 2 is miniaturized as a permanent magnet in a shell 8 made of soft magnetic material that is relatively easily magnetizable, but easily loses the magnetization (e.g. ferrite, permalloy). With this shell 8 , a magnetic shielding of the GMR 3 is effected on the side of the magnet 2 facing away from the GMR. This shell can also be left out. On the rotatably mounted shaft 4 there is a gear 5 or ring gear with which a rotary movement can be transmitted to the shaft. In the example shown in FIG. 1, on the inside of the inner ring of the rotary knob there is a ring gear 6 which drives a series of shafts 10 , 11 , 12 provided with gear wheels. The gears 60, 51/61, 52/62 of these waves form a kind of transmission, with which the rotational movement of the member 1 is transmitted to the shaft 4, and at such a high gear that be already slight angle of rotation around which the part 1 is moved, lead to a large number of full rotations of the magnet 2 . On the GMR 3 is not illustrated in FIG. 1 elec tronic circuit is connected with an electrical voltage can be applied to the GMR 3 and electrical signals at a rotational movement of the magnet 2 of the changing current intensity of the GMR 3 flowing current result, can be detected. The high ratio and the magnetic shielding, preferably caused by the soft magnetic shell 8 , have the consequence that external magnetic fields can hardly influence the angle measurement by the GMR 3 . Decisive for the measurement result is in any case the number of revolutions of the magnet 2 or the associated change in angle of the rotatable part 1 ; and the effect of external magnetic interference remains largely reduced.

In der Fig. 2 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. 2, a sequence of shafts with gears is shown in supervision in the diagram to illustrate the ge given by the mechanical transmission of the rotary angle meter according to the invention. The rotatable part 1 ("main disc") is rotated by a small angle, which is transmitted to a first shaft 10 with a gear 50 enlarged according to the first translation. A second gear wheel 60 , which is present on this shaft 10 , transmits its rotation again in high translation to a subsequent gear 51 of another shaft. Another gear 61 finally drives via the gear 5 on the last shaft to the magnet 2 , which, due to the high gear ratios, which multiply, also executes a large number of full rotations at a small angle of rotation of the rotatable part 1 .

In Fig. 3 ist eine alternative Anordnung der Transmissions elemente gemäß Fig. 2 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.In Fig. 3, an alternative arrangement of the transmission elements according to FIG. 2 is shown, in which the transmission of the rotational movement from the rotatable part 1 to the gear 60 of the subsequent shaft by means of a ring gear 6 on the inside of the part 1 .

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 be schreibt, 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.If a GMR is positioned concentrically to the magnet, the GMR generates a silicon signal with every full rotation of the magnet. If the resulting electrical signal is digitized, for example with a Schmitt trigger, a series of signal pulses results. If e.g. B. the total transmission ratio is 360, so that when the part 1 rotates 1 °, the magnet 2 writes a full rotation, there is a signal pulse for each degree of rotation. In this case, the measurement error is less than 1 °. The maximum measurement error that occurs generally depends only on the transmission ratio of the transmission of the rotation angle sensor. The accuracy of the measurement can therefore be specified with this translation. In particular, an accuracy of less than 3 angular degrees is possible, which in particular also enables the number of reliably recognizable angular positions to be increased significantly above 40.

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.A concentric alignment of the shaft 4 with the magnet 2 to the axis of rotation of the rotatable part 1 has the advantage that these parts are also concentric with the GMR z. B. can be mounted as a rotary switch in an electrical device. The axis of rotation of the magnet does not have to coincide with the axis of rotation of the rotatable Tei les. The shaft 4 with the magnet can in particular be so eccentrically arranged that it is sufficient if a gear of the shaft 4 engages directly in a gear or a ring gear of the rotatable part, the angle of rotation of which is to be measured, in order to achieve the desired high transmission ratio ,

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.With the rotary angle meter according to the invention, the rotation supply of an object, e.g. B. a disc or a rotary knob fes, with basically any high precision and without any Liche mechanical, electrical or optical connection between the rotating part and the GMR sensor are magnetically detected the. A calibration, especially a temperature compensation tion, is no longer necessary because the GMR sensor is full Revolutions of the magnet evaluates and not the respective Value of the resistance formed by the GMR depending different magnet orientations. The Evaluation can be done easily with conventional electro African components, such as. B. a Schmitt trigger or similar electronics. The value of the occurring Signal amplitude is now irrelevant. The number of identi fizbare positions of the rotatable part is equal to that Number of full rotations of the magnet at one full revolution hung of the rotatable part (main disc). With a translation of a total of 360 can 360 different angular positions tions are determined. The rotary angle meter according to the invention is particularly useful when high precision at touch unsatisfactory measurement is required, e.g. B. a sufficient Obtain sealing against dirt, light or the like. Au The invention can also be used in positioning systems Angle of rotation z. B. to detect a steering wheel or Ven insert tilposition.

Claims

1. Rotation angle meter for determining the angular position of a rotatable part ( 1 ), in which
a magnet ( 2 ) and a GMR ( 3 ) are present,
the magnet ( 2 ) is rotatably mounted and mechanically coupled to the rotatable part ( 1 ) in such a way that rotation of the rotatable part causes rotation of the magnet ( 2 ), and
GMR is arranged with respect to the magnet (2) and aligned (3) that, in the GMR by means of a stored electric power by a rotation of the magnet tes (2) may be generated an electrical signal,
the magnet ( 2 ) is attached to a rotatably mounted shaft ( 4 ) with a gear wheel ( 5 ) or ring gear or is provided with a gear wheel,
the rotatable part ( 1 ) has a gear or a ring gear ( 6 ),
a mechanical transmission ( 10 , 11 , 12 ) is present between these gear wheels or gear rings,
there is an electronic circuit with which an electrical signal which is generated by means of an electrical voltage applied to the GMR by a full rotation of the magnet is detected, and
a mechanical transmission is formed by at least one shaft ( 10 , 11 , 12 ) with two different gear wheels ( 50 , 60 ; 51 , 61 ; 52 , 62 ) and
the transmission ratio is chosen so that a full rotation of the magnet ( 2 ) is brought about by a partial rotation of the rotatable part ( 1 ), the smallest partial rotation of the rotatable part ( 1 ), which causes a full rotation of the magnet ( 2 ), less than 10 °.

2. Rotation angle meter according to claim 1, wherein the smallest partial rotation of the rotatable part ( 1 ), which causes a full rotation of the magnet ( 2 ), is less than 3 °.

3. Rotary angle meter according to one of claims 1 or 2, wherein the rotatable part ( 1 ) is a disk-shaped or cylindri cal knob, inside which the mechanical Trans mission and a magnet ( 2 ) provided shaft ( 4 ) are arranged on and which has a toothed ring ( 6 ) along an inner lateral surface, to which the transmission acts.

4. Rotation angle meter according to claim 3, wherein the shaft ( 4 ) provided with the magnet ( 2 ) is arranged coaxially to the axis of the rotary knob.

5. Rotation angle meter according to one of claims 1 to 4, in which the magnet ( 2 ) in a shell ( 8 ) made of soft magnetic Ma material and arranged opposite the GMR ( 3 ) that the shell ( 8 ) on the the GMR ( 3 ) facing away from the magnet ( 2 ).