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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft eine magnetische Sensor-Einheit mit Winkelsensor und Geber, wie sie in dem Stand der Technik als Alternative zu Potentiometern verwendet werden, insbesondere in einer plattenförmigen flachen Bauform des Winkelsensors.
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Technischer Hintergrund
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Bei derartigen magnetischen Winkelsensoren erfolgt die Drehwinkelübertragung zwischen dem Geberelement, der hier ein Magnet ist, und dem Sensorelement, der insbesondere in Form 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 kann, sofern das Magnetfeld des Gebermagneten in diesen Raum bis zum Sensorelement vordringen kann.
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Im Rahmen solcher Sensor-Einheiten werden als Sensorelemente nach dem Hall-Prinzip oder dem Magneto-resistiven-Prinzip arbeitende Winkelsensoren eingesetzt.
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Definitionen:
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Die vor allem in den Ansprüchen verwendeten Begriffe sind wie folgt zu verstehen:
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Der Winkelsensor 1 ist die Baugruppe, die das eigentliche Sensorelement 4 enthält, meist als Chip 7 ausgebildet.
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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.
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Die Sensor-Einheit 100 besteht aus dem Winkelsensor und der Magnet-Einheit 50.
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Die prinzipielle Bauform und auch die konkreten Abmessungen vor allem des Winkelsensors einer solchen Sensor-Einheit werden durch den Anwendungsfall in der Regel in engen Grenzen vorgegeben, wobei häufig der Fall vorliegt, dass der zur Verfügung stehende Bauraum eine relativ große radiale Breite des Winkelsensors zulässt, aber nur eine demgegenüber geringere axiale Erstreckung, so dass ein flacher, plattenförmiger Winkelsensor benötigt wird.
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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.
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Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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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 (Plattenform) form- und größenoptimiert ist und darüber hinaus einen Einsatz unabhängig davon ermöglicht, ob in der Einsatzumgebung störende magnetische Fremdfelder vorhanden sind oder nicht.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Einsatz unter dem Einfluss auch von magnetischen Fremdfeldern wird durch eine magnetisch leitfähige Abschirmung um das Sensor-Element herum erreicht, die beispielsweise aus ferromagnetischen Material besteht.
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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.
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Zusätzlich soll die Abschirmung aufgrund ihrer magnetischen Leitfähigkeit als Flussleitstück für das magnetische Nutzfeld 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.
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Zu diesem Zweck umfasst die Abschirmung einerseits eine Sensorabschirmung, die wenigstens die Längsseiten des Sensorelementes und auch die vom Geberelement abgewandte Rückseite des Sensorelements abdeckt, während die dem Gebermagnet zugewandte vordere Stirnseite vorzugsweise nicht abgeschirmt sein darf, um das Eindringen des Nutzfeldes nicht zu behindern.
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Die Abschirmung umfasst ferner eine Geberabschirmung, die den Gebermagneten auf den Längsseiten und der vom Sensorelement abgewandten Rückseite abschirmt.
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Dabei sind Sensorabschirmung und Geberabschirmung jeweils topfförmig oder schalenförmig, insbesondere jeweils einstückig, ausgebildet, und reichen bevorzugt 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.
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Dabei ist die Sensorabschirmung wie das Sensorelement ortsfest angeordnet, während die Geberabschirmung zusammen mit dem sich drehenden Gebermagnet drehbar ist.
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Um ein Einkoppeln des Nutzfeldes in das Sensorelement unbeeinflusst von der momentanen Drehstellung von Geber zu Sensorelement zu ermöglichen, wird die Abschirmung bevorzugt 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 verändern kann, indem er an 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.
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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 Winkonnten.
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Das Material der Abschirmung besitzt dabei bevorzugt eine ausreichend hohe relative Permeabilität von µ >> 100, besonders bevorzugt > 1000 oder > 50.000, um den magnetischen Fluss des Nutzfeldes zu erleichtern, aber Fremdfelder abzuhalten.
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Wenn die Abschirmung sehr nahe dem Sensorelement angeordnet werden muss, ist ein Abschirmmaterial mit einer geringen Koerzitivfeldstärke Hc bez. Remanenz zu wählen, da sonst im Abschirmmaterial Restfelder bestehen bleiben, die die Sensorgenauigkeit beeinflussen können.
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Bei einem Abstand von weniger als 10 mm zum Sensorelement muss ein Magnetmaterial mit einem Hc < 5 A/cm, bevorzugt < 1 A/cm, besonders bevorzugt < 0,1 A/cm gewählt werden.
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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 eines Gehäuses selbst sein, indem das Gehäuse aus einem entsprechenden Material besteht, vorzugsweise ein hülsenförmiges zylindrisches Gehäuse mit vorzugsweise geschlossenem Boden.
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Das Gehäuse kann am vorderen Ende einen veränderten, also vergrößerten oder 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.
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Der Außenquerschnitt des Gehäuses weist Befestigungsvorrichtungen zum Befestigen an einem umgebenden Bauteil auf, insbesondere Befestigungslaschen, wobei das Gehäuse vorzugsweise auch einen runden Außenumfang besitzt.
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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.
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Die vordere Stirnfläche des Gehäuses des Winkelsensors wird bevorzugt 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.
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Falls der Frontdeckel aus Metall besteht, vorzugsweise aus nicht ferromagnetischen Material wie Messing, Aluminium, wird ein Aufschweißen auf dem Gehäuse bevorzugt, insbesondere mittels Laser.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, einen solchen Frontdeckel - 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 Magnetkraft 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.
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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 exzentrich versetz ist, in seiner Längsachse gekippt ist zur Längsachse des Winkelsensors oder andere unscharfe Zuordnungsmerkmale aufweist.
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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.
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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 Platine von außen sichtbar wird.
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Für den Frontdeckel kann ebenfalls im Innenquerschnitt des Gehäuses eine Schulter zwischen einem reduzierten und einem nicht reduzierten Querschnitt vorhanden sein, in dem der Frontdeckel anliegt.
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Weiterhin kann der Frontdeckel auch als topfförmiger Überstülpdeckel ausgebildet sein, der von der offenen Vorderseite her über das Gehäuse gestülpt wird und dort verklebt, verschweißt oder verschraubt wird.
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Eine andere Möglichkeit des Verschlusses besteht darin, das Innere des Gehäuses einfach bis zur Frontfläche mit Vergussmasse zu füllen, so dass die Vergussmasse selbst den Frontdeckel darstellt. Insbesondere wird dabei zweilagig vergossen, indem zunächst mit einem Elastomer, insbesondere Silikonharz oder Polyurethanharz vergossen wird bis die elektrischen Bauelemente davon vollständig umgeben sind.
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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.
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Ebenso kann der Verguss insgesamt und einlagig mit einer nicht vollständig aushärtenden Vergussmasse, etwa einem Elastomer wie Polyurethan, erfolgen.
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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.
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Wenn zwischen dem Winkelsensor und der Magnet-Einheit eine Vermittler-Einheit angeordnet wird, übt diese wiederum eine Art zentrierende Wirkung aus.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser Vermittler-Magnet in der Vermittler-Einheit mittels eines Magnetofluids gelagert, was besonders geringe Haftreibungskräfte der Lagerung ergibt.
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Die 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.
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Vorzugsweise kann die Sensor-Einheit auch mit zwei galvanisch voneinander getrennten Sensorelementen ausgestattet sein, um eine 100%ige 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.
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Die Auswerteelektronik des Winkelsensors ist vorzugsweise im komplett fertigen, auch vergossenen, Zustand noch programmierbar, entweder über wenigstens einen zusätzlichen elektrischen Leiter im Kabel oder drahtlos mittels Funk oder optischen Signalen.
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Der Winkelsensor der Sensor-Einheit ist bevorzugt plattenförmig gestaltet, besitzt also eine relativ große radiale Erstreckung, die größer, insbesondere mindestens 2 Mal so groß, ist als die axiale Erstreckung gemessen auf der Achse lotrecht zur Ebene des Sensorelementes. Dabei ist die radiale Erstreckung am besten mindestens 3 Mal so groß wie die axiale Erstreckung.
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Erreicht wird dies bevorzugt, indem das Sensorelement, welches insbesondere als Chip ausgebildet ist, parallel zur Hauptebene des Winkelsensors, also dessen Gehäuse, angeordnet ist und vorzugsweise auf der der Öffnung des Gehäuses zugewandten Vorderseite. Um eine einfache Herstellung zu ermöglichen, ist das Gehäuse vorzugsweise in Form eines flachen Topfes gestaltet, welches vorzugsweise aus ferromagnetischem Material, insbesondere Eisen, besteht, der als Abschirmung wirkt, oder einen topfförmigen Einsatz aus einem solchen Material beherbergt, in dem das Sensorelement untergebracht ist. Das Gehäuse besitzt eine vorzugsweise runde Innenkontur, und ebenso besitzt die Platine, auf der das Sensorelement sowie die Auswertelektronik untergebracht ist, eine analoge runde Außenkontur, die in die Innenkontur des Gehäuses genau hineinpasst, insbesondere auf einer entsprechenden Schulter des Innenquerschnitts des Gehäuses aufsitzt, wodurch die axiale Positionierung des Sensorelements vorgegeben wird.
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Das Gehäuse des Winkelsensors wird bevorzugt an einem Bauteil der Umgebung befestigt mit Hilfe von Befestigungsvorrichtungen, die an den Außenflächen, vorzugsweise den Längs-Außenflächen des Gehäuses angeordnet sind, beispielsweise Befestigungslaschen, die in außen im Gehäuse umlaufende Spannnuten eingreifen.
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Durch eine spezielle Gestaltung des Kabelabgangsbereiches auf der vom Sensorelement abgewandten geschlossenen Rückseite des meist topfförmigen Gehäuses kann ein und das gleiche Gehäuse sowohl für axiale als auch für radiale Kabelableitungen eingesetzt werden:
- Zu diesem Zweck ragt bevorzugt auf der Rückseite des Gehäuses von einer ebenen Basisfläche ein erhabener Bereich auf, dessen Höhen geringfügig höher ist als der Durchmesser des abzuführenden Kabels. In der axialen Aufsicht weist dieser erhöhte Bereich etwa tangential gerichtete Einbuchtungen auf, deren Breite geringfügig größer ist als der Durchmesser des abzuführenden Kabels.
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Vorzugsweise sind über den Umfang verteilt zwei oder gar mehrere dieser Einbuchtungen vorhanden.
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Ab Grund der Einbuchtung mündet bevorzugt eine Durchgangsöffnung ins Innere des Gehäuses für das Kabel.
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Die innen liegende Flanke der Einbuchtung geht dabei bevorzugt ohne Absatz in eine konvex-bogenförmige Kontur über, welche von der Einbuchtung aus ihrerseits in die Außenkontur nicht erhöhten Bereiches übergeht.
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Die außen liegende Flanke der Einbuchtung bildet mit der Außenkontur des nicht erhabenen Bereiches bevorzugt eine gerundete Spitze, wobei der nicht erhabene Bereich, also die ebene Basisfläche, in aller Regel eine runde Außenkontur aufweist.
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Durch diese Gestaltung kann das tangential aus der Einbuchtung heraus geführte Kabel entweder entlang der gerundeten innen liegenden Flanke tangential abgeführt werden, oder die radiale Distanz von dem äußeren Ende der Durchgangsöffnung bis zur Außenkontur des nicht erhabenen Bereiches wird dazu benutzt, um das Kabel in eine axiale Position umzulenken, so dass eine axiale Abführung des Kabels entsteht, die nicht über den Außenumfang des Gehäuses vorsteht.
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Vorzugsweise ist in der Durchgangsöffnung ein Innengewinde eingearbeitet, um so auf den Außendurchmesser des Kabels abgestimmt, dass das Kabel mit seinem äußeren Mantel in das Innengewinde eingeschraubt werden kann, welches sich selbst schneidend dabei in den Außenumfang des Mantels des Kabels eingräbt, wodurch einerseits eine sehr dichte Kabeleinführung gewährleistet wird und andererseits eine formschlüssige mechanische Zugentlastung für das Kabel auf einfache Art und Weise und sehr Platz sparend gegenüber dem Gehäuse realisiert wird.
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Um das Eindringen von Längswasser entlang des Kabels ins Innere des Gehäuses zu vermeiden, was den Sensor sehr schnell außer Funktion setzen würde, werden bevorzugt im Inneren des Gehäuses in einem Bereich, in dem der Mantel des Kabels bereits entfernt ist, auch die Isolierung der einzelnen Adern entfernt, wobei auf ausreichende Beabstandung der abisolierten Adern zueinander geachtet werden muss, notfalls durch mechanische Abstandshalter.
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Der Verguss des Inneren des Gehäuses wird dabei bevorzugt so weitgehend durchgeführt, dass sowohl der Bereich des Kabels, in dem der Kabelmantel endet, und aus dem die einzelnen Adern vorstehen, mit vergossen wird als auch der Bereich der Adern, in dem deren einzelne Aderisolierungen enden oder unterbrochen sind. Vorzugsweise wird das Innere des Gehäuses vollständig bis zur vorderen Öffnung des Gehäuses vergossen und dabei darauf geachtet, dass keinerlei Lufteinschlüsse im Verguss entstehen.
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Dadurch kann durch das Kabel weder in den Zwischenräumen zwischen elektrischen Leiter und Aderisolierung noch in den Zwischenräumen den einzelnen Aderisolierungen und dem isolierenden Mantel Längswasser in das Gehäuse eindringen.
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Figurenliste
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Bauformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine erste Bauform einer erfindungsgemäßen Sensor-Einheit mit unterschiedlichen Kabelabgängen,
- 2: unterschiedliche Arten der Führung des Geberelementes,
- 3: unterschiedliche Gestaltungen des Geberelementes,
- 4: eine spezielle Gestaltung des Kabelabgangs des Winkelsensors,
- 5: einen speziellen Frontdeckel, und
- 6: eine Lösung mit Vermittler-Einheit.
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1 a zeigt eine Sensor-Einheit 100 bestehend aus einem Winkelsensor 1 und einer Magnet-Einheit 50 mit zwei Gebermagneten 50a, b geschnitten entlang der Achsen 10a, b, welche Magnet-Einheit 50 und Winkelsensor 1 vorzugsweise gemeinsam haben, wobei der Geber um seine Rotationsachse 10b drehbar ist relativ zu dem in der Regel stillstehenden Winkelsensor 1.
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Die Magnet-Einheit 50 besteht dabei aus einem Geber-Grundkörper 51 in Form eines in der Regel, in der Aufsicht symmetrischen, insbesondere rotationssymmetrischen, runden z. B. Grundkörpers 51, von dessen Rückseite ein nicht vollständig dargestellter zentraler Zapfen 52 abragt, mit dessen Hilfe der Grundkörper 51 in einer Sacklochbohrung eines anderen Bauteils eingesetzt oder eingeklemmt werden kann.
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Auf oder in der vorderen Stirnfläche des Grundkörpers 51 ist der eigentliche Geber montiert, bestehend in diesem Fall aus einer topfförmigen, ebenfalls in der Aufsicht symmetrischen, insbesondere rotationssymmetrischen, z. B runden Geber-Abschirmung 101b, die mit ihrer offenen Seite vom Grundkörper 51 weg in Richtung auf den Winkelsensor 1 weist, und in deren offenen Seite in diesem Fall zwei Gebermagnete 50a, b einander gegenüberliegend und symmetrisch zur Rotationsachse 10b so angeordnet sind, dass ihre Polachsen parallel zur Rotationsachse 10b verlaufen, und sie mit unterschiedlichen Polen in Richtung des Winkelsensors 1 weisen.
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Die beiden Gebermagnete 50a, b sind in dem topfförmigen Abschirmung 101b positionsfest gehalten, in dem sie mittels einer z. B. aushärtenden Vergussmasse 24 in dieser Ausnehmung vergossen sind, wobei weder die Vergussmasse 24 noch die Magnete über den vorderen Rand der topfförmigen Geber-Abschirmung 101b stirnseitig vorstehen.
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Den Gebermagneten 50a, b unmittelbar gegenüberliegend ist der Winkelsensor 1 angeordnet, der ebenfalls eine rotationssymmetrische, runde symmetrische, insbesondere rotationssymmetrische, runde z. B., Grundfläche besitzt, jedoch mit insgesamt größerem Durchmesser als der Geber, und mit einer axialen Erstreckung, die geringer ist als der Durchmesser, insbesondere nur halb so groß oder ein Drittel so groß ist wie der Durchmesser, so dass eine eher plattenförmige Gestalt des Winkelsensors 1 vorliegt.
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Das Sensorelement 4 des Winkelsensors ist in Form eines Chips 7 auf einer Sensor-Platine 8 angeordnet, die parallel zur Hauptebene des Winkelsensors 1 und damit zur Frontfläche des Gebers 50 angeordnet ist, und zwar in der dem Geber zugewandten Ausnehmung einer topfförmigen Sensor-Abschirmung 101a.
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Die Sensor-Abschirmung 101a sitzt ihrerseits auf der Vorderseite einer Hauptplatine 6, mit der die Sensorplatine 8 durch die Sensor-Abschirmung 101a hindurch elektrisch verbunden ist, und die Hauptplatine 6, auf der sich auch der Rest der Auswerteelektronik befindet, liegt auf dem Absatz zwischen dem normalen runden Innenquerschnitt 9 und einem reduzierten Innenquerschnitt 9' im in der Regel runden Innenumfang eines topfförmigen Gehäuses 3 an, wobei sich der größere Innendurchmesser 9 zum freien Ende des topfförmigen Gehäuses, also zum Geber 50 hin, befindet, so dass von dort die Hauptplatine 8 auf der Schulter aufgesetzt werden kann.
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An der Hauptplatine 6 sind die Adern 26a, b, c eines Kabels 26 elektrisch angeschlossen, das durch das Gehäuse 30 in diesem Fall radial nach außen geführt ist, um die Signale des Winkelsensors 1 nach außen zu führen.
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Dabei ist zu erkennen, dass die Mantelisolierung des Kabels 26 kurz innerhalb des Gehäuses 3 endet, und in ein Innengewinde 12, welches in die Durchgangsöffnung 14 für das Kabel 26 im Gehäuse 3 eingearbeitet ist, eingeschraubt ist zum Zweck der Zugentlastung.
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Es ist ferner zu erkennen, dass im Bereich des entfernten Kabelmantels auch die einzelnen Adern 26a, b, c jeweils von ihrer Aderisolierung befreit sind und in diesem Bereich durch mechanische Abstandshalter auf Abstand gehalten werden, um einen elektrischen Kontakt zu vermeiden.
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Der innere Freiraum im Gehäuse 3, und zwar sowohl unterhalb als auch oberhalb der Hauptplatine 6 und auch die Ausnehmung in der Sensor-Abschirmung 101a um das Sensorelement 4 herum ist jeweils vollständig mittels einer aushärtenden Vergussmasse 24 ausgegossen, wodurch alle vorher erwähnten Bauteile zum einen in Position gehalten und zum anderen gegen ein Vordringen von Feuchtigkeit zu den elektrischen Bauteilen geschützt sind. Insbesondere wird dadurch das Eindringen von Längswasser sowohl zwischen dem Kabelmantel und den einzelnen Adern als auch zwischen den Aderisolierungen und den Litzen in das Innere des Winkelsensors 1 vermieden.
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Zusätzlich ist die dem Geber zugewandte Stirnfläche 2a, also die offene Seite des Gehäuses 3, durch einen Frontdeckel 25 geschützt, der ebenfalls topfförmig gestaltet ist und als Überstülpdeckel auf die offene Frontseite des Gehäuses 3 aufgestülpt ist und dieses also axial über einen Teil seiner Längsseiten 11a, b übergreift.
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Da der Abstand zwischen Geber 50 und Winkelsensor 1 in axialer Richtung gering ist und der Frontdeckel 25 aus einem nicht magnetisierbaren Material besteht, detektiert das Sensorelement 4 Drehbewegungen des Gebers 50.
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Ferner sind die in den Längsseiten 11a, b im Gehäuse 3 und/oder im Frontdeckel 25 und/oder (bei den weiteren Figuren) der Magneteinheit 50 umlaufenden Spannnuten 27 dargestellt, jeweils vorzugsweise im gleichen Abstand zur benachbarten Stirnfläche angeordnet, die zum Eingreifen von Spannpratze 28 und damit der Befestigung dienen, wie in einigen Figuren dargestellt.
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Die Lösung der 1b unterscheidet sich von derjenigen der 1a vor allem vom Aufbau und der Kabelführung des Winkelsensors 1:
- Während bei der Lösung der 1a die Sensor-Abschirmung 101a von der Grundfläche her relativ klein ist, entsprechend etwa der Geber-Abschirmung 101b und im Wesentlichen nur das Sensorelement 4 und die sie tragende Sensorplatine 6 aufnimmt, ist bei der Lösung gemäß 1b nur die Hauptplatine 6 vorhanden, auf der sowohl das Sensorelement 4 als auch die gesamte Auswertelektronik untergebracht sind, und die deshalb eine Fläche besitzt, die im Wesentlichen dem freien inneren Querschnitt des wiederum topfförmigen Gehäuses 3 entspricht.
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Dementsprechend ist die Sensor-Abschirmung 101a zwar ebenfalls wiederum topfförmig gestaltet, jedoch mit wesentlich größerer Grundfläche, so dass sie im Wesentlichen sich über die gesamte innere Freifläche des topfförmigen Gehäuses 3 erstreckt und in einer bestimmten Axiallage in einem entsprechenden Durchmesser - Absatz des Innendurchmessers des Gehäuses 3 sitzt, während die Hauptplatine 6 ihrerseits in einer entsprechenden Schulter im Innendurchmesser der topfförmigen Sensor-Abschirmung 101 a aufsitzt.
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Auch hier ist wiederum der gesamte Innenraum des Gehäuses 3, beidseits der Abschirmung 101a und auch der Hauptplatine 6, mit Vergussmasse 24 ausgefüllt und aushärtend vergossen.
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Das Kabel 26 ist in diesem Fall axial nach hinten durch den Boden des Gehäuses nach außen geführt, aber sowohl die Zugentlastung als auch die Abdichtung gegen Eindringen des Längswasser ist analog zu der Lösung der 1a realisiert.
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Zusätzlich besitzt hier der Grundkörper 51 der Magneteinheit 50 eine Grundfläche, die ebenso groß ist wie die Stirnfläche 2a des Winkelsensors 1.
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Die Lösung der 1c entspricht derjenigen der 1b bis auf die Tatsache, dass der Kabelabgang wiederum zur Seite, also durch die Wand des topfförmigen Gehäuses 3 hindurch verläuft, wie bei der Lösung gemäß 1a und auf der Rückseite des Gehäuses 3 ein Befestigungsflansch 29 radial vorsteht mit axialen Durchgangsöffnungen in Bogenform.
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2a zeigt eine Sensor-Einheit, die derjenigen der 1b entspricht, bis auf die Tatsache, dass die Wände des topfförmigen Gehäuses 3 des Winkelsensors 1 in radialer Richtung wesentlich dicker ausgeführt sind, so das in axialer Richtung von der vorderen zur hinteren Stirnseite entlang und im Inneren der Seitenwände Befestigungsbohrungen 13a, b angeordnet werden können, durch die hindurch der Winkelsensor 1 an einem umgebenden Bauteil verschraubt werden können, wie dies beispielsweise bei der Anwendung gemäß 2b dargestellt ist:
- Dort ist der Winkelsensor 1 auf die vordere Stirnfläche eines Hohlzapfens 15 mithilfe der Befestigungsbohrungen 13a, b aufgeschraubt, so dass der Winkelsensor 1 unmittelbar auf dessen vorderer Stirnfläche sitzt.
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Im Inneren des Lagergehänges 15 ist mittels Lagern 16 der Zapfen 52 des Geber-Grundkörpers 51 und damit der gesamte Geber gelagert, der ansonsten wie in den 1a, b, c ausgeführt ist.
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Die Lösung der 3a entspricht auf der Seite des Winkelsensors 1 der Lösung der 1b mit dem Unterschied, dass die offene Seite des Gehäuses 3, also zum Geber hin, zusätzlich durch einen Frontdeckel 25 in Form eines Überstülpdeckels abgedeckt ist, wie bei 1a vorhanden.
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Unterschiedlich ist weiterhin der Geber ausgebildet, dessen Grundkörper 51 in diesem Fall eine Grundfläche besitzt, die genauso groß ist wie die des Gehäuses 3 des Winkelsensors 1, und wobei der Grundkörper nicht plattenförmig sondern ebenfalls topfförmig wie die ebenfalls topfförmige, darin aufgenommene Geber-Abschirmung 101b gestaltet ist.
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Im Gegensatz dazu ist bei der Lösung gemäß 3b der Geber wiederum mit einer kleineren Grundfläche und analog zu der 1a gestaltet.
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4a und 4b zeigen im Längsschnitt und in der Aufsicht von der Rückseite her eine spezielle Gestaltung des Kabelabganges, vor allem bei zwei Kabelabgängen vom Gehäuse 3 des Winkelsensors 1:
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3c entspricht der Lösung der 3b, jedoch sind hier im inneren des Winkelsensors 1 die Adern 26a, b, c des Kabels 26 nicht zusätzlich bereichsweise abisoliert.
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3d entspricht der Lösung der 3c, jedoch mit Kabelabgang axial, also durch die Rückwand des Gehäuses 3.
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Der Boden 3a des Gehäuses 3 dient dabei als Basisfläche 17 für einen davon mittig nach unten außen aufragenden erhöhten Bereich 18 der seinerseits wiederum topfförmig ausgestaltet ist, und der zwei einander diametral gegenüberliegende tangential gerichtete Einbuchtungen 20 aufweist, in deren Grund die Durchgangsöffnungen 14 vorzugsweise mit Innengewinden 12 für das Kabel 26 münden. Die Durchgangsöffnungen 14 verlaufen also parallel zur Hauptebene und damit zum Boden 3a des topfförmigen Gehäuses 3 in die Seitenwand des ebenfalls topfförmigen erhöhten Bereiches 18 hinein, der einstückig zusammen mit dem übrigen Gehäuse 3 ausgebildet ist.
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Dabei kommt es wesentlich auf die Gestaltung dieser Einbuchtung 20 an, die eine innere Flanke 21 und eine äußere Flanke 22 bezüglich der Mitte des Gehäuses 3, betrachtet in axialer Richtung, aufweist:
- Im einfachsten Fall ist die Einbuchtung 20 rechwinklig mit einer Flanke in Verlaufsrichtung des Kabels 26 wie links oben dargestellt. Rechts unten ist die bevorzugte Form zu sehen:
- Während die äußere Flanke konvex gekrümmt bogenförmig in die Außenkontur 17' der Basisfläche 17 übergeht - in der Aufsicht der 4b betrachtet - geht die innere Flanke etwa parallel zur äußeren Flanke 21 konkav gekrümmt in eine Spitze 23 über, die somit einerseits von der Außenkontur 17' und andererseits von der äußeren Flanke 22 gebildet wird.
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Wie 4b in der rechts unten zeigt, kann das Kabel 26 auf diese Art und Weise in der Ebene des erhöhten Bereiches 18 und parallel zum Boden 3a des Gehäuses 3 radial oder auf Wunsch auch tangential vom Gehäuse 3 weggeführt werden, wobei die innere Flanke 21 ein Knicken des Kabels verhindert.
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Ebenso kann das Kabel 26 jedoch auch - wie in 4b links oben dargestellt - axial abgeführt werden, indem der Bereich der Einbuchtung 20 dazu benutzt wird, das Kabel 26 in eine axiale Richtung, also parallel zur Längsachse 10a des Gehäuses 3, umzulegen, wobei dieser Raum in der Regel ausreicht, damit das Kabel 26 hierbei nicht über den äußeren Rand des Gehäuses 3 radial vorsteht, und auch nicht allzu sehr geknickt werden muss, da zusätzlich zu der Umbiegung in die axiale Richtung auch eine tangentiale Führung entlang der inneren Flanke 21 erfolgt und damit die Biegung vergleichsweise sanft ausfällt.
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Die 5 und 6 zeigen zusätzliche Möglichkeiten, um die Messgenauigkeit der Sensor-Einheit 100 zu verbessern:
- Dabei zeigt 5 eine Sensor-Einheit 100, die derjenigen der 3a entspricht, bis auf die Tatsache, dass in 5 in dem Winkelsensor 1 eine zusätzliche Vermittler-Einheit 70 vorhanden ist.
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Die Vermittler-Einheit 70 ist ein scheibenförmiger Körper, der im Gehäuse 3 des Winkelsensors 1 und vorzugsweise auch innerhalb deren Abschirmung 101a angeordnet ist und zwar vor dem Sensorelement 4, so dass sie sich zwischen dem Sensorelement 4 und der Magnet-Einheit 50 befindet.
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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 Innenseite des Frontdeckels 25, der hier als Überstülpdeckel ausgebildet ist, befestigt sein.
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In der Vermittler-Einheit 70 ist ein Vermittler-Magnet 71 mit seiner Polachse 72 in Richtung der Hauptachse der scheibenförmigen Vermittler-Einheit 70 und damit lotrecht zur Längsachse 10a des Winkelsensors 1 auf dieser Längsachse drehbar in der Vermittler-Einheit 70 angeordnet.
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Um eine möglichst reibungsarme Lagerung zu bewirken, ist der Vermittler-Magnet 71 in der Vermittler-Einheit 70 mittels eines Magnetofluids bzw. Ferrofluides 73 gelagert, welches ein Schmiermittel und das Lager darstellt und an dem Magnet haften bleibt aufgrund von feinsten Eisenpartikeln, die in dem schmierenden Fluid gelöst sind.
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Dadurch bleibt das Schmiermittel immer im Lagerungsspalt. Das Trockenlaufen der Lagerungsstelle wird ohne weitere Zusatzmaßnahmen vermieden.
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Die Magnetlinien der in diesem Fall zwei Gebermagnete 50a, b wirken somit auf den Vermittler-Magnet 71 ein und drehen diesen mit, und dessen Feldlinien wirken erst auf das Sensorelement 4 ein.
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Der Vorteil besteht darin, dass sich der Vermittler-Magnet 71 in der immer gleichen, definierten und richtigen axialen Position zum Sensorelement 1 befindet.
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Ein axialer oder radialer Versatz des oder der Gebermagnet(e) 50a, b zur Längsachse 10a bewirkt nach wie vor eine Winkel-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.
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Die Lösung der 6 bezweckt das gleiche Ziel und unterscheidet sich von derjenigen der 1a lediglich durch die Gestaltung des Frontdeckels 25.
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Dieser besteht aus magnetisch leitfähigem Material, beispielsweise weichmagnetischen hochpermeablen Werkstoffen, insbesondere magnetische Ni-Fe-Legierung z. B. der Permalloy-Gruppe , 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.
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Dies ist tatsächlich der Fall in den radial äußeren Bereichen des Frontdeckels 25, indem dieser eine große Wandstärke besitzt.
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Im mittleren Bereich, zentrisch um die Längsachse 10a herum, auf der auch das Sensorelement 4 sitzt, ist die Materialstärke des im Prinzip abschirmenden Frontdeckels 25 so stark verringert, dass die Feldstärke 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.
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Die vorteilhafte Wirkung besteht dabei darin, dass bei einer nicht korrekt zugeordneten Geber-Einheit 50 - etwa wie in 6 dargestellt, einer exzentrisch etwas versetzten Rotationsachse 10b der Magnet-Einheit 50 - die von den Geber-Magneten 50a,b 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 des Deckels 25.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Winkelsensor
- 2a, b
- Stirnfläche
- 3
- Gehäuse
- 3a
- Boden
- 4
- Sensorelement
- 5
- Steckerbuchse
- 6
- Hauptplatine
- 7
- Chip
- 8
- Sensorplatine
- 9
- runder Innenquerschnitt
- 9`
- reduzierter Innenquerschnitt
- 10a
- Längsachse
- 10b
- Rotationsachse
- 11a, b
- Längsseite
- 12
- Innengewinde
- 13a, b
- Befestigungsbohrung
- 14
- Durchgangsöffnung
- 15
- Lagergehäuse
- 16
- Lager
- 17
- Basisfläche
- 17'
- Außenkontur
- 18
- erhöhter Bereich
- 19
- Nulllagen-Markierung
- 20
- Einbuchtung
- 21
- innere Flanke
- 22
- äußere Flanke
- 23
- Spitze
- 24
- Vergussmasse
- 25
- Frontdeckel
- 26
- Kabel
- 27
- Klemmnut
- 28
- Spannspratze
- 29
- Befestigungsflansch
- 50
- Magnet-Einheit
- 50a, b
- Gebermagnet
- 52
- Zapfen
- 70
- Vermittler-Einheit
- 71
- Vermittler-Magnet
- 72
- Polachse
- 73
- Ferrofluid
- 100
- Sensor-Einheit
- 101
- Abschirmung
- 101a
- Sensor-Abschirmung
- 101b
- Geber-Abschirmung
