DE102007018758A1

DE102007018758A1 - Winkelsensor

Info

Publication number: DE102007018758A1
Application number: DE102007018758A
Authority: DE
Inventors: Peter Wirth; Klaus Manfred Steinich
Original assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Current assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2027-04-21
Also published as: DE202007011837U1; US9062988B2; US20080164867A1; DE102007018758B4

Abstract

Um magnetische Winkelsensoren dünn und schlank bauen zu können und dennoch die magnetischen Fremdfelder zu minimieren, ist der Winkelsensor aus einer in Längsrichtung verlaufenden Hauptplatine und dem quer vor deren Ende angeordneten Sensorelement in einem stiftförmigen, hülsenartigen Gehäuse untergebracht, bei dem zumindest die Seitenwände im Bereich des Sensors magnetisch abgeschirmt sind und zusätzlich auch die Rückseite und Umfangsfläche des Gebermagneten.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen magnetischen Winkelsensor, wie er im Stand der Technik als Alternative zu Potentiometern oder anderen Winkel-Sensorprinzipien eingesetzt wird.
Bei derartigen magnetischen Winkelsensoren erfolgt die Drehwinkelübertragung zwischen dem Geberelement, der hier ein Magnet ist, und dem Sensorelement, eines elektronischen Chips (IC) ausgebildet ist, ausschließlich über Magnet-Feldlinien und vor allem ohne eine mechanische Kopplung, so dass das Sensorelement mechanisch vollständig gekapselt in einem eigenen Raum untergebracht werden sofern das Magnetfeld in diesem Raum bis zum Sensorelement vordringen kann.
II. Technischer Hintergrund
Im Rahmen solcher Sensor-Einheiten werden als Sensorelemente nach dem Hall-Prinzip oder dem magneto-resistiven Prinzip arbeitende Winkelsensoren eingesetzt.
Definitionen:
Die vor allem in den Ansprüchen verwendeten Begriffe sind wie folgt zu verstehen:
Der Winkelsensor 1 ist die Baugruppe, die das eigentliche Sensorelement 4 enthält, meist als Chip 7 ausgebildet.
Die Magnet-Einheit 50 ist die Baugruppe, die zum Winkelsensor 1 meist gegenüberliegt und den Gebermagneten 50a, b... enthält, der den Winkelsensor 1 beeinflussen soll.
Die Sensoreinheit 100 besteht aus dem Winkelsensor und der Magnet-Einheit 50.
Die prinzipielle Bauform und auch die konkreten Abmessungen vor allem des Winkelsensors einer solchen Sensor-Einheit werden durch den Anwendungsfall in der Regel in Grenzen vorgegeben, wobei häufig der Fall vorliegt, dass der zur Verfügung stehende Bauraum eine relativ große axiale Länge des Winkelsensors zulässt, aber nur eine relativ geringe radiale Erstreckung, so dass oft ein schlanker, stiftförmiger Winkelsensor benötigt wird.
Typische Anwendungen sind der Einsatz als Scharniersensor, um an einen Scharnier die Drehstellung des Scharniers und damit der daran aufgehängten Tür oder Klappe zu detektieren, oder auch industrielle Anwendungen, bei denen über mehr als eine Umdrehung gemessen wird (Multi-Turn-Anwendungen).
Dagegen sind die derzeit am Markt befindlichen magnetischen Winkelsensoren meist nicht auf eine spezifische Abmessung (Durchmesser oder Länge) hin optimiert, sondern meist blockförmig ausgebildet, mit einer Dimensionierung, die in alle Raumrichtungen etwa gleich groß ist.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Winkelsensor und eine damit gebildete Sensor-Einheit zu schaffen, die einerseits im Hinblick auf eine spezifische äußere Bauform (Stiftform) größenoptimiert ist und darüber hinaus einen Einsatz unabhängig davon ermöglicht, ob in der Einsatzumgebung störende magnetische Fremdfelder vorhanden sind oder nicht.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 17, 50 und 52 und 53 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Einsatz unter dem Einfluss auch von magnetischen Fremdfeldern wird durch eine magnetisch leitfähige Abschirmung um die Sensor-Einheit herum erreicht, die beispielsweise aus ferromagnetischen Material besteht. Die Abschirmung soll so gestaltet werden, dass sie möglichst dicht gegen das Eindringen von Fremdfeldern in den inneren Freiraum der Abschirmung ist, so dass dort lediglich das vom Gebermagneten erzeugte Nutzfeld auf das Sensorelement einwirkt. Zusätzlich soll die Abschirmung aufgrund ihrer magnetischen Leitfähigkeit als Flussleitstück dienen und dabei einerseits eine gezielte Führung des Nutzfeldes des Gebermagneten bewirken und dessen Flussführung optimieren und andererseits den nicht vermeidbaren Streuanteil dieses Nutzfeldes gezielt in diese Abschirmung ableiten.
Zu diesem Zweck umfasst die Abschirmung einerseits eine Sensorabschirmung, die wenigstens die Längsseiten des Gehäuses des Sensorelementes zumindest in dem Längenbereich, in dem sich das Sensorelement befindet, umfasst, vorzugsweise auch die vom Geberelement abgewandte Rückseite des Sensorelements, während die dem Gebermagnet zugewandte vordere Stirnseite nicht abgeschirmt sein darf, um das Eindringen des Nutzfeldes nicht zu behindern.
Die Abschirmung umfasst ferner vorzugsweise eine Geberabschirmung, die den Gebermagneten auf den Längsseiten und der von Sensorelement abgewandten Rückseite abschirmt.
Wenn die Magnetachse des Gebermagneten dabei quer zur Längsachse, d. h. parallel zur Bodenfläche einer topfförmigen Geberabschirmung, liegt, soll ein Abstand aus nicht magnetisierbarem Material zwischen dem Gebermagneten und der Geberabschirmung vorhanden sein, der umso größer sein muss, je größer der Abstand zwischen Gebermagnet und Sensorelement ist.
Vorzugsweise sind Sensorabschirmung und Geberabschirmung dabei jeweils topfförmig bzw. schalenförmig, insbesondere jeweils einstückig ausgebildet, und reichen mit ihren offenen Seiten so nah gegeneinander bzw. überlappen in axialer Richtung und tauchen ineinander axial ein mit so geringem radialen Abstand, dass das Eindringen eines Fernfeldes in den Innenraum der Abschirmung weitestgehend vermieden wird.
Dabei ist vorzugsweise die Sensorabschirmung wie das Sensorelement ortsfest angeordnet, während die Geberabschirmung zusammen mit dem sich drehenden Gebermagnet drehbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensoreinheit als magnetische Abschirmung nur eine Geberabschirmung auf, die sich auch mit dem Gebermagneten mitdreht, jedoch soweit axial in Richtung Sensorelement und über dieses axial hinaus erstreckt, dass keine unerwünschten Fremdfelder das Sensorelement erreichen können, wobei die mitdrehende Geberabschirmung insbesondere topfförmig ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine eventuell vorhandene Restmagnetisierung der magnetischen Abschirmung das erhaltene Signal nicht negativ beeinflusst, da es sich in seiner Ausrichtung mit dem Gebermagneten mitdreht.
Dadurch können für die Geberabschirmung weniger teure Materialien verwendet werden.
Vorzugsweise ist dabei das Sensorelement nicht nahe an der Vorderkante, also der offenen Seite, der Abschirmung angeordnet, sondern ins Innere der Abschirmung und damit des Gehäuses in Längsrichtung zurückversetzt, wobei der Rückversatz mindestens 50% besser 60% des freien inneren Durchmessers des Gehäuses bzw. der Sensorabschirmung an dessen vorderen Endes beträgt. Allein dadurch kann das Eindringen von Fremdfeldern bis zum Sensorelement – selbst wenn noch keine Geberabschirmung vorhanden ist – drastisch reduziert werden.
Um ein Einkoppeln des Nutzfeldes in das Sensorelement unbeeinflusst von der momentanen Drehstellung von Geber zu Sensorelement zu ermöglichen, wird die Abschirmung rotationssymmetrisch zur Längsachse des Winkelsensors ausgebildet, was insbesondere für Multi-Turn-Anwendungen vorteilhaft ist, da hierbei der Gebermagnet gegenüber dem Sensorelement nicht nur seine Winkellage sondern auch seinen axialen Abstand verändert, der Stirnfläche eines Gewindes angeordnet ist, wobei die Auswertung auch des Magnetabstandes mit hoher Auflösung erfolgen muss, was unter dem Einfluss von Fremdfeldern kaum ausreichend genau möglich ist.
Eine ausreichende Abschirmung erlaubt den Einsatz von Winkelsensoren auch an Stellen, an denen äußerst starke Fremdfelder vorliegen, wie etwa auf dem Wellenstumpf eines Elektromotors, an denen magnetische Winkelsensoren ohne Abschirmung bisher nie eingesetzt wurden.
Das Material der Abschirmung besitzt dabei eine ausreichend hohe Permeabilität von μ >> 100, insbesondere > 5000, insbesondere > 50.000, um den magnetischen Fluss des Nutzfeldes zu erleichtern, aber Fremdfelder abzuhalten.
Wenn die Abschirmung sehr nahe dem Sensorelement angeordnet werden muss, ist ein Abschirmmaterial mit einer geringen Koerzitivfeldstärke (Hc) bez. Remanenz (Br) zu wählen, da sonst im Abschirmmaterial Restfelder bestehen bleiben, die die Sensorgenauigkeit beeinflussen können.
Bei einem Abstand von weniger als 10 mm zum Sensorelement muss ein Magnetmaterial mit einem Hc < 10 A/cm, besser < 1 A/cm, besser 0,1 A/cm gewählt werden.
Hinsichtlich der baulichen Ausführung kann die magnetische Abschirmung ein separates Bauteil sein, welches z. B. aus kunststoffgebundenem Ferrit gespritzt ist oder aus Hartferrit gesintert ist oder auch aus nanokristallinem Eisen besteht. Die Abschirmung kann jedoch auch integraler Bestandteil des Gehäuses selbst sein, indem das Gehäuse aus einem entsprechenden Material besteht, bei einem stiftförmigen Sensorelement würde dies vorzugsweise ein hülsenförmiges zylindrisches Gehäuse mit vorzugsweise geschlossenem Boden sein.
Um bei dem Winkelsensor der Sensor-Einheit eine schlanke, stiftförmige Bauform zu erzielen, besitzt der Winkelsensor ein langes und schlankes, z. B. hülsenförmiges, Gehäuse, welches wenigstens die Längsseiten mechanisch dicht verschließt und den Sensor im Inneren dadurch schützt, und wobei vorzugsweise auch die hintere Stirnfläche des Gehäuses dicht verschlossen ist.
In diesem Gehäuse ist das Sensorelement parallel zu der offenen vorderen Stirnfläche des Gehäuses, also querstehend zur Längsachse des Sensorelementes angeordnet, während die Hauptplatine mit der Auswerteelektronik in Längsrichtung des Gehäuses verlaufend und damit querstehend zur Fläche des Sensorelements im Gehäuse angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist das Sensorelement an der vorderen Schmalseite der Hauptplatine befestigt, vorzugsweise indem es auf einer separaten, querstehend zur Hauptplatine an dieser befestigten Sensorplatine aufgebracht ist, wobei das Sensorelement in der Regel in Form eines Chips (IC) ausgeführt ist.
Hauptplatine und/oder die Sensorplatine bestehen dabei aus einem eigenstabilen Material und bilden auch im miteinander verbundenen Zustand eine eigenstabile Einheit, so dass diese Einheit lediglich eine axial und radiale Abstützung durch die Innenflächen des Gehäuses benötigt. Dies wird erreicht, indem vorzugsweise auf dem hinteren Ende der Hauptplatine direkt ein Führungsstopfen befestigt ist, der die rückwärtige Stirnfläche des z. B. hülsenförmigen Gehäuses dicht verschließt und von der Rückseite in das Gehäuse eingesteckt werden kann, falls es sich um ein beidseitig offenes hülsenförmiges Gehäuse handelt.
Dieser Führungsstopfen ist vorzugsweise direkt die Steckerbuchse, über die eine kabelgebundene Abführung der Signale des Sensors nach außen erfolgt, und die Steckerbuchse bzw. der Führungsstopfen ist am hinteren Ende der Hauptplatine direkt befestigt, vorzugsweise über Löt-Anschlusselemente.
Da die Anschlussstifte, die aus der Rückseite der Steckerbuchse herausragen, einen bestimmten Abstand gegenüber der definiert ebenfalls im Gehäuse angeordneten Hauptplatine besitzen, muss dieser Abstand elektrisch überbrückt werden.
Um dies nicht nur manuell sondern auch automatisch durchführen zu können sind als elektrisch leitfähige Abstandshalter preisgünstigere elektronische Bauelemente auf der Hauptplatine an diesen Löt-Anschlusspunkten aufgesetzt, die die richtige Höhe haben und zu diesem Zweck in unterschiedlichen Höhen zur Verfügung stehen, wie etwa Chip-Kondensatoren oder Chip-Widerstände speziell hergestellte metallische Abstandshalter können andernfalls verwendet werden.
In der Regel wird der Führungsstopfen bzw. die Steckerbuchse einen verbreiterten Bund zum Aufsetzen auf der hinteren Stirnfläche des Gehäuses aufweisen, und/oder eine radial umlaufende Nut zum Einsetzen eines O-Rings.
Am vorderen Ende ist die Sensorplatine mit einer Außenkontur ausgestattet, deren Durchmesser möglichst genau der Innenkontur des Gehäuses entspricht, so dass eine Radialbewegung der z. B. viereckigen Sensorplatine im Gehäuse nicht möglich ist.
Das Gehäuse kann am vorderen Ende einen reduzierten Innenquerschnitt aufweisen, wobei die axiale Länge des reduzierten Innenquerschnitts dem Rückversatz des Sensorelements entspricht, und damit die Sensorplatine in der Schulter zwischen dem reduzierten und nicht reduzierten Innenquerschnitt innen anliegt. Der Innenquerschnitt des Gehäuses ist vorzugsweise rund.
Der Außenquerschnitt des Gehäuses weist Befestigungsvorrichtungen zum Befestigen an einem umgebenden Bauteil auf, insbesondere ein Außengewinde, so dass das Gehäuse vorzugsweise auch einen runden Außenumfang besitzt.
Der Außenumfang kann über einen bestimmten Längenabschnitt zusätzlich unrund ausgebildet sein und insbesondere parallel zueinander verlaufende Werkzeugansatzflächen aufweisen. Ebenso kann ein Längenbereich des Außendurchmessers rund ausgebildet sein, jedoch mit einem Durchmesser geringer als der Kerndurchmesser des Außengewindes in den anderen Längenbereichen.
Das Gehäuse kann auf der Außenseite weiterhin eine Nulllagen-Markierung an einer Stelle des Umfanges aufweisen, insbesondere als Nulllagen-Nut, die in Längsrichtung verläuft, wodurch die Nulllage des Sensorelements gekennzeichnet wird. Ebenso kann die Außenseite des Gehäuses anstelle des Außengewindes eine Vielzahnprofilierung aufweisen, um das Gehäuse des Winkelsensors in definierten Winkelstellungen in eine entsprechende Vielzahn-Innenprofilierung einstecken zu können.
Sofern ein Außengewinde vorhanden ist, dient dieses Außengewinde vorzugsweise einem doppelten Zweck, nämlich einerseits im hinteren Bereich zum Aufsetzen und Verschrauben auf die Steckerbuchse passenden Steckers mit Überwurf-Gewindehülse, und im restlichen Bereich um Befestigen des Winkelsensors mittels zweier auf dem Außengewinde verschraubbaren Muttern an einem Bauteil in der Umgebung.
Die vordere Stirnfläche des Gehäuses des Winkelsensors wird mechanisch ebenfalls verschlossen, um das Sensorelement vor schädlichen Einwirkungen zu schützen. Dieses Verschließen kann mittels eines separaten Frontdeckels erfolgen, der auf dem vorderen Rand des Gehäuses dicht aufgebracht wird.
Falls der Frontdeckel aus Metall besteht, allerdings aus nicht ferromagnetischen Material wie Messing, Aluminium, wird ein Aufschweißen auf dem Gehäuse bevorzugt, insbesondere mittels Laser. Falls der Frontdeckel aus Kunststoff besteht, wird dieser aufgeklebt, insbesondere auf die noch weiche Vergussmasse, die ebenfalls aus Kunststoff besteht und mit der das Innere des Sensorgehäuses ausgegossen wird, aufgedrückt. Dabei kann der aus Kunststoff bestehende Frontdeckel insbesondere aus durchsichtigem Kunststoff bestehen, so dass ein optischer Indikator im Inneren wie etwa eine LED auf der Hauptplatine oder Sensorplatine sichtbar wird.
Für den Frontdeckel kann ebenfalls im Innenquerschnitt des Gehäuses eine Schulter zwischen einem reduzierten und einem nicht reduzierten Querschnitt vorhanden sein, indem der Frontdeckel anliegt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass die Geber-Abschirmung 101a insbesondere in Form eines solchen Frontdeckels – der auch einstückig zusammen mit dem übrigen Gehäuse ausgebildet sein kann – sogar aus einem ferromagnetischen Material herzustellen, sofern dieser zumindest in der Mitte, symmetrisch zur Längsachse, auf welcher sich das Sensorelement befindet, einen Bereich aufweist, in dem die Wandstärke so gering ist, dass die Feldstärke des gegenüber angeordneten Gebermagneten ausreicht, um diese dünne Wandstärke aus ferromagnetischen Material nicht nur magnetisch zu sättigen, sondern darüber hinaus die magnetischen Feldlinien durch diesen Bereich hindurch in das Innere des Winkelsensors bis zum Sensorelement eindringen zu lassen.
Dies bietet den Vorteil, dass die Feldlinien durch den Bereich mit der geringen Feldstärke sehr genau zentrisch zu diesem Bereich eingeleitet werden und zwar auch dann, wenn der äußere Gebermagnet exzentrisch versetzt ist, in seiner Längsachse gekippt ist zur Längsachse des Winkelsensors oder andere unscharfe Zuordnungsmerkmale aufweist.
Darüber hinaus gibt es eine weitere Möglichkeit, das Messergebnis des Winkelsensors zu verbessern, falls der Gebermagnet nicht exakt zentrisch und auf der Längsachse des Winkelsensors liegend positioniert ist, sondern dazu gekippt oder radial versetzt.
Wenn zwischen dem Winkelsensor und der Magnet-Einheit eine Vermittler-Einheit angeordnet wird, übt diese wiederum eine Art zentrierende Wirkung aus.
Zu diesem Zweck ist in der Vermittler-Einheit ein Vermittler-Magnet drehbar um die Längsachse gelagert, wobei die Polachse des Vermittler-Magneten vorzugsweise quer zur Längsachse und damit der Rotationsachse des Vermittler-Magneten angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser Vermittler-Magnet in der Vermittler-Einheit mittels eines Ferrofluids gelagert, was besonders geringe Reibungskräfte der Lagerung ergibt.
Das Gehäuse der Vermittler-Einheit kann eine einfache Scheibe, beispielsweise aus Kunststoff sein, die entweder im Inneren des Gehäuses des Winkelsensors oder im Inneren des Gehäuses der Magneteinheit angeordnet, insbesondere eingesteckt werden kann.
Ebenso kann der Führungsstopfen bzw. die Steckerbuchse am hinteren Ende aus durchsichtigem Kunststoff bestehen, damit LED-Indikatoren durch den Stecker durchleuchten können.
Eine andere Möglichkeit des Verschlusses besteht darin, das Innere des Gehäuses einfach bis zur Frontfläche mit Vergussfläche zu füllen, so dass die Vergussmasse selbst den Frontdeckel darstellt. Insbesondere wird dabei zweilagig vergossen, indem zunächst mit einem Elastomer, insbesondere Silikongel oder Polyurethanhertz vergossen wird bis die elektrischen Bauelemente davon vollständig umgeben sind.
Erst der restliche Hohlraum wird dann mit einer äußeren Schicht aus hartem Material, beispielsweise Epoxyharz, vergossen, welches beim Aushärten Spannungen aufbaut, die beim direkten Umschließen der elektrischen Bauelemente diese beschädigen könnten.
Ebenso kann der Verguss insgesamt und einlagig mit einer nicht vollständig aushärtenden Vergussmasse, etwa einem Elastomer wie Polyurethan, erfolgen.
Vorzugsweise kann die Sensor-Einheit auch mit zwei galvanisch voneinander getrennten Sensorelementen ausgestattet sein, um eine Redundanz zu erzielen. Beide Sensorelemente können sogar auf ein- und demselben IC untergebracht sein. Vorzugsweise sind dann auch zwei separate und galvanisch getrennte Kabelausgänge an der Sensor-Einheit vorhanden.
Die Auswerteelektronik der Sensor-Einheit ist vorzugsweise im komplett fertigen, auch vergossenen, Zustand noch programmierbar, entweder über wenigstens einen zusätzlichen elektrischen Leiter im Kabel oder drahtlos mittels Funk, optischen oder magnetischen Signalen.
Der Sensor lässt sich durch diesen Aufbau auch besonders schnell und einfach montieren, indem

– zunächst einerseits die Hauptplatine und andererseits die Sensorplatine mit den entsprechenden Bauteilen bestückt wird,
– dann beide Platinen über eine Reihe von Winkelstiften direkt miteinander verlötet werden, die vorher schon an einer der Platinen angelötet waren und
– am hinteren Ende der Hauptplatine stirnseitig ein Rundstecker angelötet wird und
– diese gesamte Funktionsgruppe von der Stirnseite, vorzugsweise von der hinteren Stirnseite, her eingeführt wird und dann im Inneren des Gehäuses vergossen wird.

Anschließend kann ein Frontdeckel auf die vordere Stirnseite aufgebracht werden. Alternativ kann das Vergießen auch nach dem Verschließen der vorderen Stirnfläche des Gehäuses durch eine Öffnung im Steckerelement oder hinteren Führungsstopfen hindurch erfolgen.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1–3 Längsschnitte durch verschiedene Bauformen von Sensor-Einheiten,
4 verschiedene Bauformen von Geber-Elementen.
5: einen speziellen Frontdeckel, und
6: eine Lösung mit Vermittler-Einheit.
1a zeigt im Längsschnitt die Sensor-Einheit 100, bestehend aus dem Winkelsensor 1 sowie der Magneteinheit 50, der der vorderen Stirnseite des Winkelsensors gegenüberliegend so angeordnet ist, dass er sich um die mit dem Winkelsensor 1 gemeinsame Längsachse 10 drehen kann, während der Winkelsensor 1 feststeht.
Der in der Magneteinheit 50 angeordnete Gebermagnet 50a erzeugt ein Magnetfeld, welches sich bis in den Bereich des Sensorelements 4 erstreckt und dort koplanar zur Ebene des Sensorelements 4 verläuft, so dass eine Drehung des Gebermagneten 50a und damit dessen koplanar zum Sensorelement 4 verlaufenden Feldlinien von dem Sensorelement 4, der hier in Form eines Chips 7 vorliegt, detektiert wird und mittels der Auswerteelektronik in verarbeitbare elektrische Signalen umgewandelt wird.
Der Gebermagnet 50a ist dabei in der offenen Seite einer topfförmigen Geber-Abschirmung 101b untergebracht, die wiederum mit ihrer geschlossenen Rückseite auf einem Geber-Grundkörper 18 drehfest angeordnet ist, welcher an dem nicht dargestellten Bauteil, dessen Drehlage detektiert werden soll, drehfest befestigt werden kann, wie beispielsweise in der 4 dargestellt.
Der Gebermagnet 50a ragt axial nicht über den stirnseitigen Rand der Abschirmung 101b hinaus, sondern endet fluchtend in axialer Richtung mit der Abschirmung.
Der Gebermagnet 50a ist bezüglich der Querachse diametral magnetisiert, und besitzt vorzugsweise nur einen Südpol und einen Nordpol, und ist im Zentrum, also mit der Grenzlinie zwischen den Polen auf der Längsachse 10, angeordnet.
Die Magneteinheit 50 ist mit seiner vorderen Stirnseite der vorderen Stirnfläche 2a des Gehäuses 3 des Winkelsensors 1 eng benachbart, aber nicht berührend gegenüberliegend angeordnet, wobei der Abstand so gewählt ist, dass trotz der nicht immer 100%igen Fluchtung der Längsachsen Winkelsensor 1 und Magneteinheit 50 bei Relativverdrehung der beiden zueinander sich diese beiden Bauteile gerade nicht berühren.
Das Gehäuse 3 des Winkelsensors 1 ist topfförmig ausgebildet, wobei der Boden des Topfes die Stirnfläche 2a bildet, die dem Geber gegenüberliegt, und die Längsseiten 11a, b des vorzugsweise zylindrischen Gehäuses sich von dieser Stirnfläche aus axial erstrecken über eine Länge, die ein mehrfaches des Durchmessers der Stirnfläche beträgt, so dass ein das Gehäuse 3 lang und schlank ist.
Die hintere Stirnfläche 2b des Gehäuses 3 ist offen, und von dort her sind die Funktionsteile des Winkelsensors 1 in das Gehäuse 3 eingesetzt, welches bis auf die hintere Stirnfläche und eine seitliche kleine eventuell benötigte Entlüftungsöffnung 28 geschlossen ist.
Die Funktionsteile bestehen aus einer in Längsrichtung 10 des Gehäuses 3 verlaufenden Hauptplatine 6, an deren hinterer Kante 6b eine Steckerbuchse 5 angelötet ist, durch die hindurch die Steckerstifte 17 nach außen führen, und die in den Innenumfang am hinteren Ende des Gehäuses 3 passt, indem ein Bund 21 der Steckerbuchse 5 auf der hinteren Stirnfläche des topfförmigen Gehäuses 3 aufsitzt, wenn die Funktionsteile vollständig in das Gehäuse 3 eingeschoben sind.
An der vorderen Schmalseite 6a der Hauptplatine 6 ist über eine Reihe von nebeneinander liegenden Winkelstiften im rechten Winkel zur Hauptplatine stehend eine sich quer vor der Schmalseite 6a der Hauptplatine erstreckende Sensorplatine 8 befestigt, die den Innenquerschnitt des Gehäuses 3 weitestgehend ausfüllt, und auf deren der Hauptplatine 6 abgewandten Vorderseite das Sensorelement 4 in Form eines Chips 7 aufgelötet und mit der nicht dargestellten Auswerteelektronik auf der Hauptplatine 6 verbunden ist, deren umgeformte Signale dann über die Steckerstifte 11 der Steckerbuchse 5 ausgelesen werden können.
Die Abschirmung 101a des Winkelsensors besteht aus einer Buchse, die in den Innendurchmesser des Gehäuses 3 passt und in deren vorderen Bereich bis zum Anschlag an dem Boden des Gehäuses vorwärts geschoben ist.
Da das Sensorelement 4 etwas beabstandet zu dem Boden positioniert wird, wenn die Steckerbuchse 5 vollständig in das Gehäuse 3 eingeschoben ist, bis ihr Bund 21 an deren hinteren Stirnseite anliegt, ragt die Abschirmung 101 nach vorne über das Sensorelement 4 etwas hinaus, wodurch bereits das Vordringen von magnetischen Fremdfeldern zum Sensorelement 4 sehr erschwert wird, zumal diese nur durch den geringen Axialabstand zwischen der Sensorabschirmung 101 und der Geberabschirmung 101b eindringen könnten.
Vorzugsweise ist hier sowie in allen anderen Bauformen das Innere des Winkelsensors 1 mit Vergussmasse ausgefüllt und/oder der Gebermagnet 50a damit der topfförmigen Abschirmung 101b befestigt.
Die Sensor-Einheit 100 der 1b unterscheidet sich von derjenigen der 1a vor allem dadurch, dass die dem Geber zugewandte Stirnseite des Gehäuses 3 nicht durch einen Boden verschlossen, sondern offen ist und zusätzlich das Sensorelement von der vorderen freien Stirnfläche 2a des Gehäuses etwas weiter versetzt ist.
Wegen des ebenfalls vorhandenen Bundes 21 am hinteren Ende der Steckerbuchse 5 wird auch die Funktionseinheit in der hinteren Stirnfläche her in das hülsenförmige Gehäuse 3 eingeschoben. Falls anschließend ein Vergießen des Inneren des Gehäuses erwünscht ist, so kann dies bei dem stirnseitig geschlossenen Gehäuse der 1a nur über die seitliche Öffnung 28 erfolgen, die gleichzeitig als Entlüftungsöffnung dient, während bei der Lösung der 1b dies von der offenen vorderen Stirnfläche 2a her möglich ist, und die Öffnung 28 lediglich der Entlüftung dient.
Das Aushärten des Vergusses 24 erfolgt dabei bei senkrecht stehendem Gehäuse und nach oben weisender oberer Stirnfläche 2a, wobei der Verguss soweit nach oben reicht, dass das Sensorelement 4 in Form des Chips 7 noch von der Vergussmasse bedeckt ist. Der verbleibende Überstand des Gehäuses 3 und auch der Abschirmung 101a des Sensors wird dazu benutzt, um den Geber 51 in die offene Stirnseite des Gehäuses 3 hineinragen zu lassen, ohne dass der Winkelsensor 1 und der Geber 51 sich berühren.
Zum einen kommen daher die Gebermagnete 50a, b, von denen zwei Stück in der Magneteinheit 50 vorhanden sind, dem Sensorelement 4 näher als bei der Lösung der 1a und zum anderen wird der Spalt zwischen den beiden Abschirmungen 101a und 101b deutlich geringer.
Während die Abschirmung 101a bis zum vorderen Rand der Seitenwände des Gehäuses 3 reichen, sitzen die Magnete 50a, b der Magneteinheit 50 auf einer quer hierzu verlaufenden Platte als Abschirmung 101b auf dem des Grundkörpers 18 auf, die sich über die hülsenförmige Abschirmung 101a hinaus nach außen erstreckt, und dies in einem äußerst geringen axialen Abstand. Als Gebermagnete sind hier zwei Magnete 50a, b mit einer Polrichtung parallel zur Längsachse 10 vorhanden, die diametral aneinander gegenüber bezüglich der Längsachse so angeordnet sind, dass der eine mit seinem Südpol und der andere mit seinem Nordpol zum Sensorelement 4 weisen.
Die Lösung der 1c unterscheidet sich von derjenigen der 1a in zwei Punkten:
Auf der Seite des Winkelsensors 1 ist das Gehäuse 3 am vorderen stirnseitigen Ende offen, so dass das Gehäuse 3 die Form einer Hülse besitzt.
Dafür ist die Sensorabschirmung 101a nicht nur als Hülse, sonder topfförmig ausgebildet, so dass der Boden dieser topfförmigen Abschirmung 101a die vordere, ansonsten offene Stirnfläche des Gehäuses 3 verschließt, während die Wände der topfförmigen Abschirmung 1a ins Innere des Gehäuses 3 eingeschoben sind und sich über den Axialbereich des Sensors 4 hinweg erstrecken.
Auf der Seite der Magneteinheit 50 ist der hier wiederum einzelne, in Querrichtung zur Längsachse 10 magnetisierte, Gebermagnet 50 auf einer plattenförmigen Geberabschirmung 101b aufgesetzt und zusammen mit dieser in der frontseitigen Aussparung eines topfförmigen Geber-Grundkörpers 18 aufgenommen, z. B. eingeklebt, wobei Freiräume wiederum mittels Vergussmasse angefüllt sein können.
2a zeigt eine Lösung, bei der das Sensorelement 4 gegenüber der vorderen Stirnfläche 2a des Gehäuses 3 noch weiter zurückversetzt ist, und ansonsten vergossen ist wie bei der Lösung der 1b.
Der weitere Rückversatz wird dazu genutzt, die Magneteinheit 50 weiter ins Innere des Gehäuses 3 eintauchen zu lassen, so dass sich nicht nur der Gebermagnet 50a – hier wieder ein diametral magnetisierter Magnet 50a wie bei 1a – innerhalb des Gehäuses 3 befindet, sondern auch dessen plattenförmige Geber-Abschirmung 101b auf der Rückseite des Magneten 50a in der Ausnehmung des Topfes oder Napfes des Grundkörpers 18 der Magneteinheit 50.
Die Sensor-Abschirmung 101a besteht in diesem Fall nicht aus einem separaten Bauteil in Form einer in das Gehäuse 3 eingesetzten Hülse, sondern das Gehäuse 3 selbst ist aus abschirmenden Material gefertigt, so dass sich die beiden Abschirmungen 101a, b in axialer Richtung weit überlappen.
Um ein axiales Überlappen der Abschirmungen von Sensor und Geber zu erreichen, geht 2b gegenüber der 2a den umgekehrten Weg, indem die topfförmige Abschirmung 101b der Magneteinheit das vordere Ende des Gehäuses 2 des Sensorelements außen übergreift wie eine Kappe, also der gesamte Winkelsensor 1 mit seinem vorderen Bereich in die Abschirmung 101b des Gebers eintaucht.
Dementsprechend kann das Sensorelement 4 bis nahe an die vordere Stirnfläche des Gehäuses 3 heranreichen, und benötigt keinen großen Rückversatz, um nahe an die vor der Stirnfläche des Gehäuses 3 positionierten in diesem Fall zwei Gebermagnete 50a, b (in einer Anordnung wie bei 1a) zu gelangen.
Auch hier empfiehlt sich das Vergießen des Sensorelementes 1 im Gehäuse 3.
2c zeigt die Befestigung des Winkelsensors 1 an einem Bauteil der Umgebung, in diesem Fall an einer Wand 30:
In dieser Wand 30 wird eine Durchgangsbohrung eingebracht, die groß genug ist, das Gehäuse 3 des Winkelsensors 1 hindurch zustecken.
Außenumfang des Gehäuses 3 ist mit einem Außengewinde 12 versehen, welches im mittleren Bereich unterbrochen und dadurch in zwei Gewinde 12a, b unterteilt ist, während im Bereich dazwischen ein unrunder Außenumfang mit parallel und gegenüberliegenden Werkzeug-Ansatzflächen 13a, b vorhanden sein kann, in dessen Bereich sich vorzugsweise auch die Entlüftungsöffnung 28 für das Vergießen befindet.
Auf das vordere Außengewinde 12a sind zwei Muttern 20a, b aufgeschraubt, die durch Verschrauben zwischen sich die Wand 30 verklemmen können, wodurch die Axiallage des Gehäuses 3 und damit des Winkelsensors 1, als auch dessen Winkellage zu dem Bauteil 30, einstellbar und fixierbar ist.
Die Nulllage der Funktionsteile im Gehäuse 3 wird markiert durch eine Nulllagen-Markierung 19 am Umfang der Funktionsteile, vorzugsweise am Bund 21 der Steckerbuchse 5. Ansonsten entspricht die Bauform des Winkelsensors 1 derjenigen der 1a.
3 zeigt eine Lösung, bei der der Geber 51 demjenigen der 1a entspricht bis auf die Tatsache, dass zwei Magnete 50a, b mit axialer Polrichtung wie bei 2b darin angeordnet sind. Der wesentliche Unterschied ist auf der Seite des Winkelsensors 1 vorhanden, indem bei diesem die Weiterleitung der Signale aus der Hauptplatine 6 nicht mittels einer Steckerbuchse sonder mittels eines fest angeordneten Kabels 29 durch eine Dichtmuffe 31 und darüber geschraubte Schraubkappe 32 am hinteren Ende des Gehäuses 3 abgeführt werden.
Die Schraubkappe 32 ist dabei wieder auf dem Außengewinde 12 bzw. 12b aufgeschraubt, und presst dadurch die Dichtmuffe 31 gegen den Außenumfang des Kabels 29.
Um ein Eindringen von Längswasser durch das Kabel hindurch in den Sensor zu verhindern, sind die einzelnen Adern 29a, b des Kabels 29 auf Abstand zueinander gelegt und an jeweils einer Stelle von ihrer Aderisolierung befreit.
Entweder über die noch nicht aufgebrachte Dichtmuffe 31 oder die Entlüftungsöffnung 28 wird das Innere des Gehäuses 3 mit Vergussmasse 26 angefüllt, so dass alle abisolierten Aderstellen 29a, b mit vergossen sind und ebenso das Ende der Mantelisolierung des Kabels 29, aus dem die einzelnen Adern 29a, b vorstehen. Unabhängig davon, ob Längswasser zwischen der Aderisolierung und der Mantelisolierung oder zwischen den Litzen innerhalb der Aderisolierung vorwärts drückt, wird es durch die Vergussmasse 26, die anschließend aushärtet, abgedichtet.
Die 4 zeigt unterschiedliche Bauformen und Befestigungsarten der Magneteinheit 50 an dem hinsichtlich seiner Drehlage zu detektierenden Bauteil in der Regel eine Welle 33.
Bei 4a und 4b ist der Grundkörper 18 des Gebers plattenförmig, mit einem zentralen Fortsatz nach hinten, der in ein entsprechendes Sackloch der Welle 33 eingesteckt und dort mittels einer Madenschraube 34 fixiert werden kann.
Auf der Vorderseite des Grundkörpers 18 sitzt die topfförmige Abschirmung 101b des Gebermagneten 50a, der sich im Zentrum der topfförmigen Ausnehmung der Abschirmung 101b befindet, wenn es sich um einen einzelnen Magneten 50a, der diametral zur Längsachse 10 magnetisiert ist, handelt, wie in 4a oder um zwei parallel liegende, in Längsrichtung 10 gerichtete, bezüglich der Drehachse 10 gegenüberliegende Magnete 50a, b, wie in 4b.
4c zeigt eine Lösung, bei der diese topfförmige Geber-Abschirmung 101b in einem Grundkörper 18 aufgenommen ist, der radial über die Geber-Abschirmung 101b vorsteht und über außerhalb der Abschirmung angeordnete axiale Bohrungen an einem zu detektierenden Bauteil 33 stirnseitig aufgeschraubt werden kann.
In allen Fällen können der oder die Gebermagnete in der Aussparung der topfförmigen Abschirmung 101b zum Schutz der oder des Magnetes 50 auch vergossen werden, so dass der Geber eine ebene, dem Sensorelement 4 zugewandte, Stirnfläche aufweist.
Die 5 und 6 zeigen zusätzliche Möglichkeiten, um die Messgenauigkeit der Sensoreinheit 100 zu verbessern:
Dabei zeigt 5 eine Sensoreinheit 100, die derjenigen der 3a entspricht, bis auf die Tatsache, dass in 5 in dem Winkelsensor 1 eine zusätzliche Vermittler-Einheit 70 vorhanden ist.
Die Vermittler-Einheit 70 ist ein scheibenförmiger Körper, der im Gehäuse 3 des Winkelsensors 1 und vorzugsweise auch innerhalb dessen Abschirmung 101a angeordnet ist und zwar vor dem Sensorelement 4, so dass sie sich zwischen dem Sensorelement 4 und der Magnet-Einheit 50 befindet.
Der Außenumfang der Vermittlereinheit 70 kann passend zum Innenumfang der topfförmigen Sensor-Abschirmung 101a dimensioniert sein und/oder die Vermittler-Einheit 70 kann an der Rückseite eines Frontdeckels, der als Überstülpdeckel ausgebildet sein kann, befestigt sein.
In der Vermittler-Einheit 70 ist ein Vermittler-Magnet 71 mit seiner Polachse in Richtung der Hauptachse der scheibenförmigen Vermittler-Einheit 70 und damit lotrecht zur Längsachse 10 des Winkelsensors 1 auf dieser Längsachse drehbar in der Vermittler-Einheit 70 gelagert.
Um eine möglichst reibungssarme Lagerung zu bewirken, ist der Vermittler-Magnet 71 in der Vermittler-Einheit 70 mittels eines Ferrofluides gelagert, welches 73 das Schmiermittel und die Lagerung darstellt und an dem Magnet 71 haften bleibt aufgrund von feinsten Eisenpartikeln, die in dem schmierenden Fluid gelöst sind.
Dadurch bleibt das Schmiermittel immer im Lagerungsspalt. Das Trockenlaufen der Lagerungsstelle wird ohne weitere Zusatzmaßnahmen vermieden.
Die Magnetlinien des Gebermagneten 50a wirken somit auf den Vermittler-Magnet 71 ein und drehen diesen mit, und dessen Feldlinien wirken erst auf das Sensorelement 4 ein.
Der Vorteil besteht darin, dass sich der Vermittler-Magnet 71 in der immer gleichen, definierten und richtigen axialen Position zum Sensorelement 1 befindet.
Ein axialer oder radialer Versatz des oder der Gebermagnet(e) 50a, b zur Längsachse 10 bewirkt nach wie vor eine synchrone Mitnahme des Vermittler-Magneten 71, und löst damit am Sensorelement 4 eine korrekte Messung aus, die bei direkter Einwirkung von entsprechend schlecht platzierten Gebermagneten (50a, b) relativ zum Sensorelement 4 bei direkter Einwirkung deutlich schlechter ausfallen würde.
Weiterhin ist in der Vermittlereinheit 70 eine ringförmige Abschirmung 72 zu erkennen, die in der Vermittlereinheit 70 aufgenommen ist und den Vermittlermagnet 71 ringförmig radial als Hülse im Abstand umgibt, um von der Seite Einwirkungen von fremden magnetischen Feldern auf den Vermittlermagneten 71 zu verhindern.
Stirnseitig, also einerseits zum Gebermagnet 50 und andererseits zum Sensorelement 4 hin, ist keine Abschirmung des Vermittlermagneten 71 vorhanden.
Die Lösung der 5b unterscheidet sich von derjenigen der 5a zum einen auf der Seite der Magneteinheit 50 dadurch, dass hier wiederum zwei axial magnetisierte Gebermagnete 50a, b symmetrisch zur Längsachse 10 vorhanden sind.
Auf der Seite des Winkelsensors 1 besteht der Unterschied darin, dass der Vermittlermagnet 71 wie in 5a mit seiner Magnetisierungsachse quer zur Längsachse 10 angeordnet ist und in der Vermittlereinheit 70 drehbar, insbesondere mittels eines Ferrofluides 73 gelagert ist, jedoch um diesen Vermittlermagneten 71 herum keine separate magnetische Abschirmung vorhanden ist, sondern diese durch das entsprechend weit vorgezogene hülsenförmige magnetisch abschirmende Gehäuse 3 geboten wird.
Die Lösung der 6 bezweckt das gleiche Ziel und unterscheidet sich von derjenigen der 1a lediglich durch die Gestaltung der Sensor-Abschirmung 101a, hier in Form des Frontdeckels 27.
Dieser besteht aus magnetisch leitfähigem Material, beispielsweise weichmagnetische Werkstoffe, insbesondere Eisen, was auf den ersten Blick paradox ist, da hierdurch eine abschirmende Wirkung gegenüber der Geber-Einheit 50 eintritt, die auf das Sensorelement 4 einwirken sollen.
Dies ist tatsächlich der Fall in den radial äußeren Bereichen des Frontdeckels 27, indem dieser eine große Wandstärke besitzt.
Im mittleren Bereich, zentrisch um die Längsachse 10 herum, auf der auch das Sensorelement 4 sitzt, ist die Materialstärke der Abschirmung 101a, also des hier des im Prinzip abschirmenden Frontdeckels 27 so stark verringert, dass die magnetische Kraft der Magnet-Einheit 50 ausreicht, um diese geringe Wandstärke nicht nur magnetisch zu sättigen, sondern darüber hinaus mit Feldlinien bis zum Sensorelement 4 zu durchdringen.
Die vorteilhafte Wirkung besteht dabei darin, dass bei einer nicht korrekt zugeordneten Geber-Einheit 50 – etwa wie in 5 dargestellt, einer exzentrisch etwas versetzten Magnet-Einheit 50 – die von dem oder den Geber-Magneten ausgehenden Feldlinien durch den Bereich der verringerten Wandstärke auf deren Mitte, d. h. das Sensorelement 4, zentriert werden und dadurch das Messergebnis durch die unkorrekte räumlich Zuordnung der Magnet-Einheit 50 zum Winkelsensor 1 weniger beeinträchtigt wird, als ohne eine solche Gestaltung der Sensorabschirmung 101a.

1: Winkelsensor
2a, b: Stirnfläche
3: Gehäuse
4: Sensorelement
5: Steckerbuchse
6: Hauptplatine
6a, b: Schmalseite
7: Chip
8: Sensorplatine
9: runder Innenquerschnitt
9': reduzierter Innenquerschnitt
10: Längsachse
11a, b: Längsseite
12a, b: Außengewinde
13a, b: Werkzeug-Ansatzflächen
14: Führungs-Stopfen
15: Stecknut
16: Löt-Anschlusselemente
17: Steckerstift
18: Geber-Grundkörper
19: Nulllagen-Markierung
19': Nulllagen-Nut
20a, b: Mutter
21: Bund
22: Nut
23: O-Ring
24: Führungsabschnitt
25: Schottwand
26: Vergussmaße
27: Frontdeckel
28: Entlüftungsöffnung
29: Kabel
30: Wand
31: Dichtmuffe
32: Schraubkappe
33: Welle
34: Madenschraube
50: Magneteinheit
50a, b: Gebermagnet
70: Vermittlereinheit
71: Vermittlermagnet
72: Abschirmung
73: Vermittlereinheit
100: Sensor-Einheit
101: Abschirmung
101a: Sensor-Abschirmung
101b: Geber-Abschirmung

Claims

Sensor-Einheit (100) mit a) einem um seine Längsachse (10) detektierenden Winkelsensor (1) mit einem magnetisch empfindlichen Stirnflächenbereich, der nach dem Hall-Prinzip oder dem magnetoresistiven Prinzip arbeitet, mit einem Sensorelement (4) in der Nähe seiner Stirnfläche (2a), b) wenigstens einer Magnet-Einheit (50), die so angeordnet ist, dass ihr Magnetfeld den Winkelsensor (1) durchsetzt, und die Feldlinien des wenigstens einen Gebermagneten (50a ...) der Magnet-Einheit (50) insbesondere parallel zur sensitiven Ebene (4') des Sensor-Elementes (4) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einheit (100) eine magnetisch leitfähige Abschirmung (101), insbesondere aus ferromagnetischem Material, aufweist.
Sensor-Einheit (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101) wenigstens eine Sensor-Abschirmung (101a) umfasst, – die wenigstens die Längsseiten (11a, b) des Winkelsensors (1) in dem Längenbereich, in dem das Sensorelement (4) angeordnet ist, umfasst und/oder – die Rückseite des Sensorelements (4) umfasst, während – die dem Sensorelement (4) nächstliegende Stirnfläche (2a) mittels einem für magnetische Feldlinien durchlässigen Material verschlossen ist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101) eine Geber-Abschirmung (101b), insbesondere nur eine geberseitige Abschirmung, umfasst, die den Gebermagneten (50a ...) auf der vom Sensor (4) abgewandten Rückseite sowie den Längsseiten (11a, b) abschirmt.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101) die Sensor-Einheit (100) so umgibt, dass sie diese lückenlos abschirmt und insbesondere die Sensor-Abschirmung (101a) und die Geber-Abschirmung (101b) einander in axialer Richtung überlappen.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensor-Abschirmung (101a) wie das Sensorelement (4) ortsfest angeordnet ist und die Geber-Abschirmung (101b) zusammen mit dem Geber-Magneten (50) drehbar angeordnet ist, und – die Sensor-Einheit (100) insbesondere nur eine Geber-Abschirmung (101b) aufweist, die vom insbesondere topfförmigen Gehäuse der Magnet-Einheit (50) aus das Sensorelement (4) in axialer Richtung soweit überlappt, dass kein magnetisches Störfeld das Sensorelement (4) erreicht.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101) aus zwei mit den offenen Seiten gegeneinandergerichteten Halbschalen als Sensor-Abschirmung (101a) und Geber-Abschirmung (101b) besteht.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101), insbesondere die Sensor-Abschirmung (101a), insbesondere hinsichtlich der Innenkontur rotationssymmetrisch zur Längsachse (10) des Winkelsensors (1), insbesondere der Längsachse des Sensorelementes (4), angeordnet ist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101) eine hohe Permeabilität von μ > 100, besser > 5.000, besser > 10.000 aufweist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Abschirmung (101a) sehr nahe am Sensorelement (4) angeordnet ist, insbesondere näher als 6 mm, und das Material dieser Abschirmung eine Koerzitivfeldstärke Hc < 5 A/cm, besser < 1 A/cm, besser < 0,1 A/cm aufweist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung (101) ein separates Bauteil ist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (1) ein Gehäuse (3) aufweist, das wenigstens die Längsseiten (11a, b) des Winkelsensors (1) abdeckt und über die gesamte Länge, aus ferromagnetischem Material, insbesondere weichmagnetischen Werkstoffen, insbesondere Eisen, besteht, oder eine Schicht aus ferromagnetischen Material aufweist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101) aus kunststoffgebundenem Ferrit oder aus Hartferrit oder nanokristallinem Eisen besteht.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (101) aus mehreren Lagen besteht, von denen insbesondere die eine Lage eine besonders hohe Permeabilität und die andere Lage eine besonders niedrige Hysterese aufweist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnet-Einheit (50) zwei Gebermagneten (50a, b) enthält, deren Polachsen parallel zur Rotationsachse (Längsachse 10) und zu dieser einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Winkelsensor (1) und Magnet-Einheit (50) eine Vermittler-Einheit (70) angeordnet ist, in der wenigstens ein Vermittler-Magnet (71), insbesondere mit seiner Polachse (72) parallel zur sensitiven Ebene (4') des Sensorelements (4) verlaufend, drehbar um die Längsachse (10) in der Vermittler-Einheit (70), insbesondere mittels eines Ferro-Fluids, gelagert ist.
Sensor-Einheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermittler-Einheit (70) im Gehäuse (3) des Winkelsensors (1) oder im Gehäuse der Magnet-Einheit (50) lagefixiert ist.
Stiftförmiger, um seine Längsachse (10) detektierender Winkelsensor (1), mit einem magnetisch empfindlichen Stirnflächenbereich, der nach dem Hall-Prinzip oder dem magnetoresistiven Prinzip arbeitet mit – einem Sensorelement (4) in der Nähe seiner Stirnfläche (2a), dadurch gekennzeichnet, dass – eine Hauptplatine (6) in Richtung der Längsachse (10) angeordnet ist und – das Sensorelement (4) an der vorderen Schmalseite (6a, b) der Hauptplatine (6) insbesondere quer zu dieser, befestigt ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) in Form eines Chips (7), insbesondere auf einer quer zur Hauptplatine (6) stehenden Sensorplatine (8) befestigt ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatine (8) mit der Hauptplatine (6) und/oder die Hauptplatine (6) mit einem Stecker über rechtwinkelige Lötstifte oder flexible Leiterbahnen (Starr-Flex-Technik) miteinander verbunden, insbesondere miteinander verlötet, sind.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Winkelsensor (1) ein Gehäuse (3) aufweist, das wenigstens seine Längsseiten (11a, b) abdeckt und – die Sensorplatine (8) in der runden Innenkontur des Gehäuses (3) zentrisch, genau passend, angeordnet ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) benachbart zum vorderen Ende einen reduzierten Innenquerschnitt (9') aufweist und die axiale Länge des reduzierten Innenquerschnitts (9') dem Rückversatz des Sensorelements (4) entspricht. (weitere Details)
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Gehäuse (3) über die gesamte Länge aus ferromagnetischem Material, insbesondere weichmagnetischen Werkstoffen, insbesondere Eisen, besteht, oder eine Schicht aus ferromagnetischem Material aufweist und vorzugsweise als topfförmiges Gehäuse ausgebildet ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Gehäuse (3) einen über die Länge gleich bleibenden, insbesondere runden Innenquerschnitt (9) besitzt.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Gehäuse (3) nahe dem sensorseitigen Endbereich einen reduzierten Innenquerschnitt (9') besitzt.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Gehäuse (3) auf seinen Längsaußenflächen Befestigungsvorrichtungen zum Befestigen an einem umgebenden Bauteil aufweist, insbesondere ein Außengewinde (12a, b), insbesondere über seine gesamte Länge.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Gehäuse (3) auf seiner Außenseite einen Bereich mit unrundem Außenquerschnitt, insbesondere mit parallel zueinander angeordneten Werkzeug-Ansatzflächen (13a, b), und einen Bereich mit einem runden Außendurchmesser geringer als der Kernbereich des Außendurchmessers (12) aufweist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptplatine (6) auf ihrer vom Sensorelement (4) abgewandten, rückwärtigen Schmalseite (6b) an einem Führungs-Stopfen (14) befestigt ist, der die rückwärtige Stirnfläche (2b) des insbesondere hülsenförmigen Gehäuses (3) dicht verschließt und in das Gehäuse (3) eingesteckt ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) auf seiner Außenseite, insbesondere an einer seiner Längsseiten (11a, b), eine Nulllagen-Markierung (19) insbesondere in Form einer Nulllagen-Nut (19') aufweist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungs-Stopfen (14) als Steckerbuchse (5) ausgebildet ist und von außen zugängliche elektrische Kontakte aufweist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckerbuchse (5) aus elektrisch nicht leitendem Material, insbesondere Kunststoff, besteht und zusammen mit dem insbesondere hülsenförmigen Gehäuse (3) mit dessen Außengewinde (12a, b) zum Aufsetzen und Verschrauben eines Steckers mit Überwurf-Gewindehülse passt, und insbesondere mittels eines O-Rings gegenüber dem Innenumfang des Gehäuses abgedichtet ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite des Gehäuses (3) eine Vielzahn-Profilierung vorhanden ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungs-Stopfen (14) bzw. die Steckerbuchse (5) auf ihrer vorderen Stirnfläche (2a, b) eine quer zur Längsachse (10) verlaufende Stecknut (15) zum Einstecken und Befestigen des rückwärtigen Endes der Hauptplatine (6) aufweist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am hinteren Ende der Hauptplatine (6) Löt-Anschlusselemente (16) angeordnet sind zum Verlöten der mit Abstand zur Hauptplatine (6) aus der Steckerbuchse (5) nach vorn herausragenden Steckerstifte (17) und insbesondere als Löt-Anschlusselemente (16) elektronische Bauteile wie etwa Kondensatoren verwendet werden, die in mehreren Höhen als Abstandshalter zwischen der Hauptplatine (6) und den Steckerstiften (17) verfügbar sind.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungs-Stopfen (14) bzw. die Steckerbuchse (5) eine radial umlaufende Nut (22) zum Einsetzen eines O-Rings (23) aufweist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungs-Stopfen (14) bzw. die Steckerbuchse (5) nahe des rückseitigen Bundes (21) einen Führungsabschnitt (24) mit vergrößertem Durchmesser gegenüber dem restlichen Außendurchmesser aufweist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Stirnfläche (2a) des Winkelsensors (1) von einem separaten Frontdeckel (27) aus einem nicht ferromagnetischen Material, insbesondere Messing, Aluminium oder Kunststoff, insbesondere durchsichtigem Kunststoff, verschlossen ist
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Indikator, insbesondere eine LED, auf der Hauptplatine (6) angeordnet ist.
Winkelsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Stirnfläche (2a) des Winkelsensors (1), insbesondere als Frontdeckel (25), aus einem ferromagnetischen Material besteht, dessen Wandstärke in Richtung der Längsachse (10) gemessen in einem symmetrisch zur Längsachse (10) liegenden Bereich so gering ist, dass die Magnetkraft der Magneteinheit (50) ausreicht, dass dieser Bereich magnetisch gesättigt und in der Folge von den Feldlinien der Magneteinheit (50) durchdrungen wird, wobei das Sensorelement (4) auf der Längsachse (10) angeordnet ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frontdeckel (27) an der Schulter zwischen dem reduzierten Innenquerschnitt (9') und dem restlichen Innenquerschnitt (9) anliegt.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frontdeckel (27) aus nicht ferromagnetischem Metall besteht und insbesondere mittels Laser aufgeschweißt ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungs-Stopfen (14) bzw. die Steckerbuchse (5) eine Entlüftungsöffnung (28) in ihrer Schottwand (25) aufweist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungs-Stopfen (14) bzw. die Steckerbuchse (5) aus durchsichtigem Kunststoff besteht. (Verguss)
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche elektronische Baugruppen im Inneren des Gehäuses (3) von einer Vergussmaße (26) umgeben sind.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Stirnfläche (2a, b) des Winkelsensors (1) von der Frontfläche der Vergussmaße (26) gebildet wird.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einheit und zwei galvanisch voneinander getrennte Sensorelemente (4), insbesondere auf einem Chip, umfasst.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) in der Lage ist, auch den Betrag und/oder die Veränderung der Feldstärke zu messen und der Geber-Magnet (50) längsverschiebbar, insbesondere auf einem in Längsrichtung (10) gerichteten Gewinde angeordnet ist und bei Drehung seinen Abstand zum Sensorelement (4) verändert.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik im komplett fertigen Zustand programmierbar ist, insbesondere entweder über wenigstens einen zusätzlichen elektrischen Leiter im Kabel oder drahtlos mittels Funk oder optischen Singalen.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frontdeckel (27) aus Kunststoff besteht und in die noch weiche Vergussmasse eingedrückt ist.
Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss zweilagig erfolgt mit einem die elektrischen Bauelemente umschließenden flexiblen Elastomer, insbesondere Silikongel oder Polyurethanharz und einem diese innere Schicht umschließende harten Schicht, die insbesondere aus Epoxi besteht. (magnetische Aspekte; Abschirmung)
Stiftförmiger, um seine Längsachse (10) detektierender Winkelsensor (1), mit einem magnetisch empfindlichen Stirnflächenbereich, der nach dem Hall-Prinzip oder dem magnetoresistiven Prinzip arbeitet, mit – einem Gehäuse (3), welches wenigstens die Längsseiten (11a, b) abdeckt, – einem Sensorelement (4) im Gehäuse (3) in der Nähe der Stirnfläche (2a), – einer magnetisch leitfähigen Sensor-Abschirmung (101a), die wenigstens die Längsseiten des Sensorelements (4) und insbesondere auch dessen Rückseite abschirmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) von der Vorderkante der Abschirmung (101a), insbesondere des Gehäuses (3), aus ins Innere des Gehäuses (3) in Längsrichtung (10) zurückversetzt angeordnet ist.
Winkelsensor nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückversatz mindestens 50%, besser mindestens 60% des freien inneren Durchmessers (9) der ferromagnetischen Abschirmung, insbesondere des Gehäuses (3), an dessen vorderen Ende beträgt. (Montage-Vorgang)
Verfahren zum Montieren des Sensorelementes (4), dadurch gekennzeichnet, dass – die Hauptplatine (6) mit den Bauteilen für die elektronische Auswerteeinheit bestückt wird, – das Sensor-Element (4) sowie die Steckerbuchse (5) mit der Hauptplatine (6) verbunden wird, – bei dem Gehäuse (3) die sensorseitige Stirnfläche verschlossen wird, – und bei Ausrichtung nach unten eine definierte Menge an Vergussmasse in das Gehäuse (3) eingebracht wird, und – nach Funktionsprüfung der Platinengruppe diese von der Steckerseite her in das Gehäuse (3) eingeführt wird, bis die Steckerbuchse (5) das Gehäuse (3) verschließt.
Verfahren zum Montieren des Sensorelementes (4), dadurch gekennzeichnet, dass – die Hauptplatine (6) mit den Bauteilen für die elektronische Auswerteeinheit bestückt wird, – das Sensor-Element (4) sowie die Steckerbuchse (5) mit der Hauptplatine (6) verbunden wird, – nach Funktionsprüfung der Platinengruppe diese von der Steckerseite her in das Gehäuse (3) eingeführt wird, bis die Steckerbuchse (5) das Gehäuse (3) verschließt, – von der sensorseitigen Stirnöffnung her das Innere des Gehäuses (3) mit Vergussmasse (26) gefüllt wird, und – gegebenenfalls anschließend ein Frontdeckel (27) aufgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4), insbesondere die Sensorplatine (8), als auch die Steckerbuchse (5) mit der Hauptplatine (6) über Starr-Flex-Technik verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüften nach dem Verschließen der Sensorseite durch eine Öffnung in der Steckerbuchse (5) hindurch erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergießen in zwei Stufen hintereinander mit insbesondere verschiedenen Vergussmaterialien erfolgt, wobei insbesondere der erste Vergussvorgang ein Beschichten der Platinengruppe mit einem nicht vollständig aushärtenden Vergussmaterial ist und dass die zweite Vergussstufe ein Ausfüllen des restlichen Freiraumes im Inneren des Gehäuses mit einer, insbesondere aushärtenden Vergussmasse umfasst.