DE102008020455A1

DE102008020455A1 - Magnetischer Encoder

Info

Publication number: DE102008020455A1
Application number: DE102008020455A
Authority: DE
Inventors: Kristian Dr. Müller; Christoph Dr. Gund; Ralf Dr. Heinrich; Benno Schmied
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Magnetischer Encoder (1), umfassend einen Tragkörper (2) auf dem auf zumindest einer Seite (3) eine magnetisierbare Spur (4) angeordnet ist, wobei die magnetisierbare Spur (4) mit einem magnetischen Polmuster (5) versehen ist, wobei die magnetisierbare Spur (4) in zumindest einer Raumrichtung betrachtet an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Schichtdicken aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Magnetischer Encoder, umfassend einen Tragkörper auf dem auf zumindest einer Seite eine magnetisierbare Spur angeordnet ist, wobei die magnetisierbare Spur mit einem magnetischen Polmuster versehen ist.
Stand der Technik
Derartige Encoder sind allgemein bekannt und werden häufig an Kurbelwellen eines Kraftfahrzeugmotors zur Bestimmung der Winkellage der Kurbelwelle und damit zur Motorsteuerung eingesetzt. Die Encoder bestehen meist aus einem ringförmigen Tragkörper aus Blech auf dem eine Spur aus einem magnetisierbaren Elastomer aufgebracht wurde. Magnetisierbare Elastomere sind beispielsweise spritzgießfähige elastomere Werkstoffe, denen magnetisierbare Partikel beispielsweise Ferritpartikel beigemischt wurden. Die auf den Tragkörper aufgebrachte magnetisierbare Spur weist eine im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit liegende gleichmäßige Schichtdicke auf, so dass sich eine gleichmäßige Amplitude des magnetischen Feldes ergibt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Encoder mit einer verbesserten Auslesbarkeit und der Möglichkeit auf einer magnetisierbaren Spur zusätzliche Informationen zu speichern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Zur Lösung der Aufgabe weist die magnetisierbare Spur in zumindest einer Raumrichtung an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Dicken auf. Durch die variierende Schichtdicke ergibt sich ein ebenfalls variierender Amplitudenverlauf der magnetischen Feldstärke. Die Ausbildung der unterschiedlichen Schichtdicken kann dabei so erfolgen, dass diese und die daraus resultierenden variierenden Amplituden der magnetischen Feldstärke als Träger einer Information verwendet werden können. So ist beispielsweise denkbar, dass der dem oberen Totpunkt zugeordnete Abschnitt eines an einer Kurbelwelle angeordneten Encoders eine andere, nämlich eine größere oder kleinere, Schichtdicke aufweist als die übrigen Abschnitte. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Absolutbestimmung des oberen Totpunkts, ohne das periodische magnetische Muster des Polmusters in dem oberen Totpunkt zugeordneten Abschnitt ändern zu müssen. Das magnetische Muster und damit die Auflösung des Encoders kann über den Umfang betrachtet gleich gewählt werden.
Der Tragkörper kann ringförmig ausgebildet sein und die magnetisierbare Spur kann über den Umfang betrachtet unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Für rotierende Einrichtungen, beispielsweise Kurbelwellen, wird für deren Winkelbestimmung zweckmäßigerweise ein ringförmiger Tragkörper gewählt, der innen- und/oder außenumfangsseitig mit wenigstens einer magnetisierbaren Spur versehen ist. Die magnetisierbare Spur kann dabei über den Umfang betrachtet eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen und somit Träger zusätzlicher Information sein.
Bestimmte Schichtdicken können jeweils magnetischen Polen zugeordnet sein. Hierbei kann ein Polpaar mit einer geringen Schichtdicke benachbart zu zwei Polpaaren mit einer hohen Schichtdicke angeordnet sein. Dabei ergibt sich, je nach Messverfahren, ein abwechselndes Muster hoher und geringer Amplituden oder steilere und flachere Gradienten der magnetischen Feldstärke. Durch dieses zusätzliche Unterscheidungsmerkmal benachbarter Polpaare verbessert sich die Messgenauigkeit einer Winkelmesseinrichtung in der der magnetische Encoder ausgelesen wird.
Beidseitig des Tragkörpers kann eine magnetisierbare Spur angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, weitere Informationen auf dem Tragkörper zu codieren. Der Tragkörper kann auch allseitig mit dem Werkstoff der magnetisierbaren Spur umgeben sein und dadurch den Tragkörper vollständig gegen Einflüsse aus der Umgebung schützen.
Der Tragkörper kann Ausnehmungen oder Durchbrechungen oder eine Kombination aus Ausnehmungen und Durchbrechungen aufweisen, die mit dem Werkstoff der magnetisierbaren Spur ausgefüllt sind. Die Ausnehmungen und die Durchbrechungen verbessern einerseits die Haftung der magnetisierbaren Spur auf dem Tragkörper und ermöglichen andererseits auf besonders einfache Weise die Herstellung einer magnetisierbaren Spur mit variierender Schichtdicke.
Die Ausnehmungen oder die Durchbrechungen können magnetischen Polen zugeordnet sein. Durch die Zuordnung weisen die magnetischen Pole, die den Ausnehmungen oder Durchbrechungen zugeordnet sind, eine höhere magnetische Flussdichte und damit auch eine höhere Amplitude auf. Die Ausnehmungen oder Durchbrechungen können auch so angeordnet sein, dass sie ein zusätzlicher Träger von Information sind, wodurch auf dem magnetischen Encoder mehr auslesbare Informationen gespeichert sind. Es ist beispielsweise denkbar, bestimmte Stellen des Encoders mit Ausnehmungen oder Durchbrechungen zu versehen, die dann dem oberen Totpunkt und weiteren Stellen einer Kurbelwelle zugeordnet sind. Es ist auch denkbar, jedes zweite Polpaar einer Durchbrechung oder Ausnehmung zuzuordnen. Hierbei steigt die Trennschärfe der benachbarten Polpaare.
Der Tragkörper kann als Folie ausgebildet sein. Folien sind flexibel und nahezu beliebig formbar, so dass auch komplizierte Geometrien des Encoders hergestellt werden können oder der Encoder in komplizierten Einbausituationen montierbar ist.
Der Tragkörper kann aus polymerem Werkstoff gebildet sein. Polymere Werkstoffe sind kostengünstig und in verschiedenen Herstellungsverfahren mit einer großen Formenvielfalt herstellbar.
Der zuvor beschriebene magnetische Encoder eignet sich insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise zum Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen und hier insbesondere zur Winkelbestimmung von Kurbelwellen und Nockenwelle, da die verbesserte Detektierbarkeit der magnetischen Pole die Genauigkeit einer Winkelmesseinrichtung auch bei robustem Einsatz ermöglicht. Weitere Verwendungen des magnetischen Encoders finden sich im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise zur Geschwindigkeitsmessung, als Unterstützung für Antiblockiersysteme oder für eine elektronische Stabilitätskontrolle. So ist beispielsweise durch einen unterschiedlichen Flankenverlauf des Messsignals problemlos eine Vorwärts- /Rückwärtslauf-Erkennung möglich. Weitere Verwendungen sind in Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehmaschinen und Fräsmaschinen denkbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen magnetischen Encoders werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
1 einen ringförmigen magnetischen Encoder mit Ausnehmungen;
2 den Verlauf der magnetischen Feldstärke des Encoders;
3 den Verlauf der magnetischen Feldstärke des Encoders;
4 einen ringförmigen magnetischen Encoder mit Durchbrechungen;
5 einen ringförmigen magnetischen Encoder mit beidseitig angeordneter magnetisierbare Spur
Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen Magnetischen Encoder 1 als Bestandteil einer Kraftfahrzeug-Elektronik, beispielsweise einer Winkelmesseinrichtung für einen Verbrennungsmotor oder einer Winkelmesseinrichtung im Antriebsstrang. Der magnetische Encoder 1 besteht aus einem ringförmigen Tragkörper 2 auf dem auf der Außenseite 3 eine magnetisierbare Spur 4 aus einem polymeren Werkstoff stoffschlüssig befestigt ist. Der Tragkörper 2 ist als Folie ausgebildet und besteht ebenfalls aus einem polymeren Werkstoff. Die magnetisierbare Spur besteht aus einem spritzgießfähigen oder lackierfähigen Werkstoff, welcher mit magnetisierbaren Partikeln 8, hier Ferritpartikeln, versehen ist. Die magnetisierbare Spur 4 ist mit einem permanenten magnetischen Polmuster 5 versehen ist, welches aus abwechselnd angeordneten Nord- und Südpolen besteht. Der Tragkörper 2 weist außenumfangsseitig über den Umfang verteilt Ausnehmungen 6 auf, in die sich der elastomere Werkstoff der magnetisierbaren Spur 4 erstreckt. Dadurch weist die magnetisierbare Spur 4 über den Umfang betrachtet an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Schichtdicken auf. Die Ausnehmungen 6 und das Polmuster 5 sind so angeordnet, dass jeweils ein Polpaar in einer Ausnehmung 6 angeordnet ist und die dazu benachbarten Polpaare in der benachbarten Erhöhung angeordnet sind. Dadurch sind bestimmte Schichtdicken jeweils magnetischen Polen 5 zugeordnet. Der erfindungsgemäße magnetische Encoder 1 ist nicht auf ringförmige Geometrien beschränkt. Es sind auch gestreckte Geometrien denkbar, insbesondere wenn es beispielsweise darum geht, Wegstrecken zu bestimmen.
2 zeigt einen magnetischen Encoder gemäß 1 und das dazugehörige Diagramm des Verlaufs der magnetischen Feldstärke, wenn der Encoder mittels eines Differenzen-Hallsensors ausgelesen wird. Die Anordnung der Pole ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass sich in den Ausnehmungen 6 und in den Erhöhungen jeweils ein Polpaar befindet. Dabei sind die Pole insgesamt alternierend angeordnet, so dass immer gegensätzliche Pole benachbart sind. Es ist zu erkennen, dass die Amplitude 9 der magnetischen Feldstärke an Stellen größerer Schichtdicke der magnetisierbaren Spur 4 größer ist, als an Stellen geringer Schichtdicke.
3 zeigt einen magnetischen Encoder gemäß 1 und das dazugehörige Diagramm des Verlaufs der magnetischen Feldstärke, wenn der Encoder mittels eines Differenzen-Hallsensors ausgelesen wird. Die Anordnung der Pole ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass sich in den Ausnehmungen 6 und in den Erhöhungen ebenfalls jeweils ein Polpaar befindet. Dabei ist das Polpaar in den Ausnehmungen 6 gegenüber dem Polpaar auf den Erhebungen gedreht angeordnet, so dass am Übergang von der Erhebung zu der Ausnehmung identische Pole angeordnet sind. Hierbei ist zu erkennen, dass der Gradient 9 der magnetischen Feldstärke an Stellen größerer Schichtdicke der magnetisierbaren Spur 4 steiler ist, als an Stellen geringer Schichtdicke.
4 zeigt einen magnetischen Encoder 1 gemäß 1, wobei in dieser Ausführung statt der Ausnehmungen 6 Durchbrechungen 7 vorgesehen sind. Es können auf einem Tragkörper auch eine Kombination von Ausnehmungen 6 und Durchbrechungen 7 vorgesehen werden.
5 zeigt einen magnetischen Encoder 1 gemäß 4, wobei in dieser Ausgestaltung beidseitig des Tragkörpers 2 jeweils eine magnetisierbaren Spur 4 vorgesehen ist.

Claims

Magnetischer Encoder (1), umfassend einen Tragkörper (2) auf dem auf zumindest einer Seite (3) eine magnetisierbare Spur (4) angeordnet ist, wobei die magnetisierbare Spur (4) mit einem magnetischen Polmuster (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbare Spur (4) in zumindest einer Raumrichtung betrachtet an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Schichtdicken aufweist.
Magnetischer Encoder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) ringförmig ausgebildet ist und die magnetisierbare Spur (4) über den Umfang betrachtet unterschiedliche Schichtdicken aufweist.
Magnetischer Encoder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Schichtdicken jeweils magnetischen Polen (5) zugeordnet sind.
Magnetischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig des Tragkörpers (2) eine magnetisierbare Spur (4) angeordnet ist.
Magnetischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) Ausnehmungen (6) aufweist, die mit dem Elastomer der magnetisierbare Spur (4) ausgefüllt sind.
Magnetischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) Durchbrechungen (7) aufweist.
Magnetischer Encoder nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) oder die Durchbrechungen (7) magnetischen Polen (5) zugeordnet sind.
Magnetischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) als Folie ausgebildet ist.
Magnetischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) aus polymerem Werkstoff gebildet ist.
Verwendung des magnetischen Encoders (1) nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Kraftfahrzeug.