DE102008052804A1

DE102008052804A1 - Magnetischer Drehgeber und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102008052804A1
Application number: DE102008052804A
Authority: DE
Inventors: Michael Neumann; Jacek Krzywinski; Marcus Mohr-Engstler; Martin Dr. Grönefeld
Original assignee: WINDHORST BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH; WINDHORST BETEILIGUNGSGMBH
Current assignee: WINDHORST BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH; WINDHORST BETEILIGUNGSGMBH
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Drehgeber und ein Verfahren zu dessen Herstellung, welcher auf einer Drehwelle befestigt einem Drehwinkelsensor die Winkelposition oder die Rotation der Welle anzeigt. Solche Drehgeber werden meist aus einem Magnetwerkstoff, basierend auf Seltenerdlegierungen, hergestellt. Seltenerdlegierungen sind relativ teuer und die Rohstoffe begrenzt verfügbar, Drehgeber aus anderen güstigeren Werkstoffe erzeugen aber bisher zu geringe Felder für die eingesetzten Sensoren. Die Erfindung beschreibt einen Drehgeber, der aus einem anisotropen Hartferriten hergestellt ist, und bei dem eine bogenförmige Vorzugsrichtung von einer Hälfte zur anderen Hälfte der zum Sensor weisenden Stirnseite verläuft. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Verfahren zu der Herstellung eines solchen Drehgebers im Spritzgußprozess, wobei die Vorzugsrichtung im Drehgeber entweder durch im Spritzwerkzeug angebrachte Magnete oder durch einen Stromleiter oder eine Leiterschar hervorgerufen wird. Der erfindungsgemäße Drehgeber kann aufgrund seiner Ausgestaltung und dem beschriebenen Verfahren kostengünstiger hergesellt werden als bisherige Drehgeber.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Drehgeber der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Anordnungen von magnetischen Drehgebern, die an einem rotierend beweglichen mechanischen Element, z. B. einer Welle, aber auch an Zahnrädern, Drehknöpfen o. ä. gegenüber von fest stehenden elektronischen Sensoren auf der Drehachse angeordnet sind, bilden eine Möglichkeit, die Drehung oder die Drehwinkelposition des mechanischen Elementes berührungslos zu erfassen und finden zahlreiche Anwendungen zum Beispiel im Bereich des Automobilbaus, des Maschinenbaus oder bei Haushaltsgeräten. In der Patentschrift DE 10 2004 020 734 A1 sind Anordnungen und Befestigungsmöglichkeiten für solche Magnete beschrieben. Als typische Sensoren zur Erfassung der Drehgeber kommen als Winkelsensoren beispielsweise der KMZ43 der Firma NXP, der MLX90316 der Firma Melexis, der AS5040 der Firma Austriamicrosystems oder der KMT32B der Firma HL-Planar zum Einsatz. Die marktgängigen Sensoren benötigen eine magnetische Feldstärke in einem vergleichbaren Bereich von typisch mehreren 10 mT. Zur Erzeugung der erforderlichen Feldstärke im ausreichenden Meßabstand basieren die bisher eingesetzten Drehgeber auf einer Magnetlegierung von Seltenerdmetallen. Nachteil dieser Drehgeber ist der relativ hohe Preis aufgrund des teuren Rohmateriales, welches auch je nach Weltbedarf einer Verknappung unterliegt.
Es stellt sich daher als Aufgabe für die Erfindung, einen Drehgeber zu entwickeln, der kostengünstig auf der Basis ausreichend vorhandener Rohstoffe hergestellt werden kann und zum Ansteuern der Sensoren ein ausreichendes Feld auf der Drehachse zur Verfügung stellt. Als kostengünstiger Werkstoff wird durch die Erfindung der in vielen anderen Anwendungen schon etablierte Hartferrit vorge schlagen. Dies ist eine Keramik der allgemeinen Bezeichnung XXFe₁₂O₁₉, mit XX = Ba oder Sr. Der Hartferrit kann ähnlich den Seltenerdwerkstoffen in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden, so dass sich Drehgeber kostengünstig mit Standardtechnologien der Kunststofftechnik, z. B. im Spritzguss herstellen lassen. Zum Erreichen der erforderlichen Feldstärke am Sensorort ist allerdings aufgrund der relativ niedrigen magnetischen Kennwerte des Hartferrites eine Technologie erforderlich, bei der dem Material beim Herstellprozeß eine magnetische Vorzugsrichtung aufgeprägt wird, d. h. die Ferritpartikel in der Kunststoffmatrix müssen beim Herstellprozeß eine Orientierung Ihrer kristallographisch günstigsten Magnetisierungsachse erhalten. Diese Orientierung wird über ein Magnetfeld erzeugt, welches beim Herstellprozeß auf die eingebetteten Ferritpartikel wirkt.
Erfindungsgemäß wird als Drehgeber ein Magnet vorgeschlagen, bei dem diese Art der Vorzugsrichtung in einer bogenförmigen Richtung von der einen Hälfte der Srirnseite des Drehgebers auf die zweite Hälfte erfolgt, wobei die Stirnseite z. B. bei einem scheiben- oder ringförmigen Drehgebermagneten als die Seite definiert ist, die in der Anwendung zum Sensor weist. Der Drehgeber kann beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden und kann vorteilhaft eine flache Bauform haben, d. h. als Scheibe oder Ring ausgebildet sein mit einem Durchmesser im Bereich von 10 mm bis 30 mm und einer Dicke von 1,5 mm bis 6 mm. Dank der Formenvielfalt eines Spritzgussteiles können komplexere Formen hergestellt werden, so dass die Erfindung sich nicht auf reine Rotationskörper beschränkt. Weiter ist es denkbar, einen solchen Drehgeber mit einem unmagnetischen Kunststoff zu umspritzen oder in einen Halter einzuspritzen, um z. B. ein direktes Befestigen an einer Drehwelle zu ermöglichen. Die hierbei erzielbaren konstruktiven Ausführungen sind aufgrund ihrer Vielfalt nicht weiter beschrieben und in den Figuren zur Übersichtlichkeit nicht enthalten. Solche erfindungsgemäßen magnetischen Drehgeber erreichen in einem Abstand von 1–4 mm über Ihrer Stirnfläche ein Magnetfeld im Bereich von 10–80 mT und damit ein ausreichendes Feld um einen großen Teil der auf dem Markt befindlichen Magnetfeldsensoren anzusteuern.
Es wird mit der Erfindung auch ein Herstellverfahren beschrieben, welches angewendet werden kann, wenn der Drehgeber seine Form im Spritzgussverfahren erhält. Hierbei kann durch fest im Spritzwerkzeug befindliche Dauermagnete, die mit zwei Gegenpolen ein bogenförmiges Feld in der Spritzform erzeugen, dem Drehgeber die Vorzugsrichtung aufgeprägt werden. Der Aufbau des magnetischen Kreises kann hierbei durch die Anordnung von mehreren Magneten und ggf. auch von weichmagnetischen Flußleitstücken im Werkzeug vielfältig gestaltet werden. Die Eigenschaften des Drehgebers können dadurch auf die spezifische Anwendung hin angepaßt werden, da neben einem ausreichend starken Feld eine vorteilhafte Bogenform der während des Spritzvorganges erzeugten Vorzugsrichtung erzeugt werden kann.
Ein weiteres Herstellverfahren wird mit der Erfindung an die Hand gegeben, bei dem durch einen Leiter oder eine Leiterschar z. B. als Teil einer Spule in der Spritzform, der oder die durch einen hohen Strom beaufschlagt ist, das entsprechende vorziehende Feld erzeugt wird. Dieser Leiter oder die Leiterschar ist parallel zu der Stirnfläche im Werkzeug fest vor der Kavität angeordnet.
Zur Veranschaulichung sind im Folgenden beispielhafte Ausführungen der Erfindung beschrieben.
In 1 und 2 ist ein magnetischer Drehgeber (1) in einem schematischen Spritzwerkzeug aus zwei Ansichten gezeigt. Das Spritzwerkzeug ist auf die relevanten Bereiche Angusstrichter (6), die mit dem Teil deckungsgleiche Spritzform oder Kavität (1), die zur Erzeugung des Feldes für die Vorzugsrichtung eingesetzten Magnete (7) mit der Magnetisierungsrichtung (8) und die Befestigungsplatte für die Magnete (9) reduziert. Das Magnetfeld der im Werkzeug fest angeordneten Magnete ist durch die Feldlinien (4) dargestellt und kann durch die als magnetischer Rückschluß ausgebildete ferromagnetische Befestigungsplatte (9) oder weitere Dauermagnete oder Flußleitstücke noch verstärkt werden. Dieses Feld bewirkt in dem Drehgebers während des Spritzvorganges die gewünschte bogenförmige Vorzugsrichtung (5) durch eine Orientierung der kunststoffgebundenen Magnetpartikel.
In der 3 ist ein weiteres Werkzeugkonzept dargestellt, bei dem das Magnetfeld zur Erzeugung der Vorzugsrichtung durch einen mit hohem Strom beaufschlagten Leiter oder eine Leiterschar (10) entsteht, wobei der Leiter oder die Leiterschar Teil einer Spule sein kann, die sich außerhalb des hier dargestellten Bereiches schließt.
Auch diese Anordnung erzeugt im Drehgeber eine Vorzugsrichtung, die im Bogen von einer Hälfte der Stirnseite des Drehgebers zur anderen Hälfte verläuft, wobei die Stirnseite die Seite ist, die später in der Anwendung zum Sensor weist.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und erlaubt eine Reihe möglicher Abwandlungen, die im Einzelnen hier nicht beschrieben werden können.

1: Magnetischer Drehgeber in der Werkzeugkavität
2: Eine Hälfte der Stirnseite des Drehgebers, die in der Anwendung zum Sensor weist
3: Andere Hälfte der Stirnseite des Drehgebers, die in der Anwendung zum Sensor weist
4: Magnetische Feldlinien des Werkzeuges zur Erzeugung der Vorzugsrichtung
5: Vorzugsrichtung im Magnetmaterial
6: Angusstrichter
7: Dauermagnete im Werkzeug zur Erzeugung der Vorzugsrichtung im Drehgeber
8: Beispielhafte Magnetisierungsrichtung in den Dauermagneten des Werkzeuges
9: Befestigungsplatte im Werkzeug als magnetischer Rückschluß
10: Hochstromführender Leiter oder Leiterschar im Werkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004020734 A1 [0001]

Claims

Magnetischer Drehgeber aus einem kunststoffgebundenen Magnetwerkstoff zur Winkel- oder Rotationserfassung eines drehbaren mechanischen Elementes, z. B. einer Welle, an dem der Drehgeber befestigt ist, und von dort einen stirnseitig vor dem Drehgeber auf der Rotationsachse fest angeordneten magnetischen Winkelsensors ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgeber aus einem kunststoffgebundenen anisotropen Hartferriten besteht und eine magnetische Vorzugsrichtung aufweist, die in bogenförmiger Richtung von der einen zur anderen Hälfte der zum Sensor weisenden Stirnseite des Drehgebers verläuft.
Magnetischer Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgeber einen flache Scheiben- oder Ringform hat, mit einem Außendurchmesser zwischen 10 und 30 mm und einer Höhe von 1,5 bis 6 mm.
Magnetischer Drehgeber nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgeber im Spritzgussprozess hergestellt wird
Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Drehgebers nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Vorzugsrichtung während des Spritzvorganges durch ein bogenförmiges Magnetfeld in der Spritzform hervorgerufen wird, welches von im Spritzwerkzeug fest angebrachte Dauermagnete mit zwei Gegenpolen erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Drehgebers nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Vorzugsrichtung während des Spritzvorganges durch ein bogenförmiges Magnetfeld in der Spritzform hervorgerufen wird, welches von im Spritzwerkzeug fest angebrachte Hochstromleiter erzeugt wird, welche parallel zu der Stirnfläche im Werkzeug fest vor der Kavität angeordnet sind.