DE102008063772A1

DE102008063772A1 - Sensormodul für Drehwinkelsensor

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Publication number: DE102008063772A1
Application number: DE200810063772
Authority: DE
Original assignee: Ipgate AG
Current assignee: Ipgate AG
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor zur Körpers (4, 9), insbesondere einer Welle, wobei der Drehwinkelsensor ein Gehäuse (10, 11, 16) aufweist, in dem mindestens ein Sensorelement (15) zur Erfassung einer Drehbewegung mindestens eines Magneten (14) angeordnet ist, wobei der mindestens eine Magnet (14) im Sensorgehäuse (10, 11, 16) drehbar gelagert ist und der Körper (4) über ein Getriebe (8, 12) den Magneten (14) antreibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehwinkelsensor zur Erfassung der Drehbewegung und/oder Stellung eines Körpers, insbesondere einer Welle, wobei der Drehwinkelsensor ein Gehäuse aufweist, in dem mindestens ein Sensorelement zur Erfassung einer Drehbewegung mindestens eines Magneten angeordnet ist.
Stand der Technik
Elektromotorische Antriebe verwenden zur Steuerung des EC-Motors und zur Positionierung des Antriebes, insbesondere bei einem Spindelantrieb, Drehwinkelsensoren. Hierzu sind induktive, optische, magneto-elektrische, insbesondere Hallsensoren, in der Anwendung. Letztere finden durch kleine Bauweise des Package, geringe Kosten und einfachen Aufbau immer mehr Anwendung. Es wird hier beispielhaft auf eine entsprechende Anordnung in der Achse des drehenden Antriebs, z. B. Motorwelle oder Welle des Übersetzungsgetriebes, verwiesen, wie sie aus der DE 10 2006 026 446 A1 vorbekannt ist. Hier ist der zweipolige Magnet zur Aktivierung des Halls im Zahnrad gelagert, und das Hallelement sitzt auf der gegenüber liegenden Leiterplatte eines Drosselklappenantriebs. Der Sensor dient hier nur zur Positionierung der Drosselklappe.
Oft sind mehrere Sensorelemente auf einer drehbaren Welle oder in einem fest stehenden Gehäuse angeordnet. Der eine oder mehrere Dauermagnete sind im oder am rotierenden Teil angeordnet, so dass der Drehwinkel durch das Inkrementverfahren bestimmt wird, wie es z. B. aus der DE 10 2006 043 291 vorbekannt ist. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass eine Absolutmessung des Drehwinkels nach Abschaltung der Elektronik schwierig ist. Daher ist üblich, einen kleinen Winkel zu durchlaufen, bis wieder eine Normierung möglich ist.
Bei einem Spindelantrieb ist im Zentrum wegen der Spindel kein Bauraum. Das vorgenannte Verfahren könnte eingesetzt werden. Viele Spindelantriebe benötigen jedoch eine nahezu stufenlose Absolutmessung, was bei dem vorbeschriebenen Verfahren nur durch viel Aufwand möglich ist. Bei allen magneto-elektrischen Antrieben ist darüber hinaus von großer Bedeutung, dass das Sensorelement von den starken Magnetfeldern des E-Motors abgeschirmt ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehwinkelsensor, insbesondere für Spindelantriebe bereits zu stellen, der einfach in seinem Aufbau und robust ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Drehwinkelsensor mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Drehwinkelsensors nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor zeichnet sich dadurch aus, dass der oder die Magnet nicht direkt auf der drehenden Welle, sondern zusammen mit dem Sensor in dem Sensorgehäuse angeordnet ist bzw. sind. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die zu ermittelnde Drehbewegung des rotierenden Körpers mit tels eines Getriebes auf die Magnete übertragen wird. Das Getriebe kann im einfachsten Fall durch zwei Zahnräder gebildet sein, wobei das eine erste Zahnrad drehfest mit dem rotierenden Körper verbunden ist und das zweite Zahnrad im Gehäuse des Drehwinkelsensors angeordnet ist, wobei im einfachsten Fall der mindestens eine Magnet direkt auf oder in dem zweiten Zahnrad angeordnet ist. Das Gehäuse des Drehwinkelsensors muss hierfür lediglich eine kleine Durchgriffsöffnung aufweisen, damit die Zahnräder ineinander greifen können. Es ist selbstverständlich möglich auch einen Riementrieb anstelle der zwei Zahnräder vorzusehen.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau kann der Drehwinkelsensor als eine geschlossene Einheit vormontiert und geprüft werden.
Das Gehäuse des Drehwinkelsensors dient zuglich zur Abschirmung magnetischer Streufelder. Das Gehäuse muss bei der Montage lediglich im Lagerdeckel des EC-Motors zentriert und befestigt werden. Durch die kleine Bauweise des Hallchips können vorzugsweise zwei Elemente in einem Package eingesetzt werden, so dass für sicherheitsrelevante Antriebe ein redundanter Sensor zur Verfügung steht. Vorteilhaft sitzt dieses Package auf einer Folie, in der in einem System noch weitere Sensoren aufgebracht werden können. Wenn die zentrale ECU für Auswertung der Sensorsignale und z. B. Motorsteuerung in unmittelbarer Nähe liegt, kann auf eine Abschirmung der Signalpfade verzichtet werden. Auch ist es bekanntlich möglich, auf einer Folie oder Leiterplatte eine Abschirmung zu realisieren.
Nachfolgend werden beispielhaft zwei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors zur Erfassung der Drehbewegung einer Spindelmutter eines Spindelantriebs anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Querschnittsdarstellung durch einen Spindelantrieb mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors;
2: Explosionsdarstellung des Drehwinkelsensors gem. 1;
3: zweite mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors;
4: Blockschaltbild.
Die 1 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform des Drehwinkelsensors 10d in einer Anwendung in einem Motor-Spindeltrieb dar. Der Drehwinkelsensor 10d ist achsparallel zur Rotationsachse der Spindel 9 im Lagerdeckel 16 positioniert. Die Drehbewegung des Rotors 4 wird über ein Getriebe 8, 12 auf den Magneten 14 im Drehwinkelsensor 10d übertragen.
Der Sensor 10d ist als eine getrennt vorprüfbares und in sich gelagertes und geschirmtes Modul ausgeführt.
In 2 wir anschließend der Aufbau des Sensor 10d im Detail beschrieben. Der Stator 1 wird von den Spulen 6 kommutiert und treibt über einen nicht dargestellten Rotor und einer Rotoraufnahme 4 die Spindelmutter 5 des Spindeltriebs an. Die Rotoraufnahme 4 ist über das Lager 7 im Lagerschild 2 und Lagerdeckel 3 gelagert. Durch ein zentrales Zahnrad 8, welches mit der Rotoraufnahme 4 fest verbunden ist, wird dessen Drehbewegung über das Sensorzahnrad 12 auf den Magneten 14 übertragen und vom Sensor 15 erfasst. Die Zahnradpaarung 8, 12 ist im Idealfall 1 zu 1 übersetzt, so dass der Winkel des Rotors 4 mit dem Sensorwinkel korreliert. Die Lage des Rotors 4 kann somit absolut erfasst werden.
Für eine hohe Regelgüte ist es vorteilhaft die Zahnradübersetzung zwischen 8 und 12 möglichst spielfrei auszuführen.
Für einen dauerhaft sicheren Betrieb gilt sicherzustellen, dass sich der Winkel zwischen Rotor und Sensoreinheit nicht verändert. Dies würde passieren, falls das zentrale Zahnrad 8 relativ zur Rotoraufnahme 4 verdrehen würde. Dies kann ausgeschlossen werden indem zwischen der Rotoraufnahme 4 und dem Zahnrad 8 ein Formschluss 8a hergestellt wird. Die Rotorauf nahme 4 verfügt hierzu über eine Nut 4a. Am Zahnrad 8 wird nach dessen Montage eine Ausprägung angebracht, welche in die Nut 4a greift. Die Ausprägung kann auch bereits bei der Herstellung des Zahnrades 8 mit hergestellt werden. Alternativ kann das Zahnrad 8 auch eingepresst oder verklebt werden. Es ist auch möglich die Verzahnung direkt auf die Rotoraufnahme 4 anzubringen oder am vorderen Ende nach dem Kugellager ein Zahnrad einzuprägen.
Die Sensoreinheit wird im Lagerdeckel 3 befestigt. Diese kann dort eingeklebt oder per Formschluss befestigt sein. Der Lagerdeckel 3 kann zur Bildung eines Formschlusses eine Ausnehmung 3a aufweisen, in die ein Vorsprung des Gehäusebodens 10 eingreift.
Da sich die Sensoreinheit oftmals in der Nähe von externen Magnetfeldern befindet, wie sie zum Beispiel bei der Kommutierung der Spulen entstehen, ist es für eine hohe Signalgüte wichtig die Sensoreinheit gegen diese störenden Magnetfelder zu schirmen. Deshalb ist der Sensor 10d durch seine magnetisch leitenden Gehäusekomponenten 10, 11 und 16 geschirmt.
Die Sensorsignale können über eine vorzugsweise geschirmte Folie 18 nach außen übertragen werden.
Je nach Anwendung kann es vorteilhaft sein die Zahnradübersetzung ungleich 1 zu 1 auszuführen. Ist die Übersetzung kleiner 1 zu 1 dreht sich das Sensorzahnrad 12 langsamer als das zentrale Zahnrad 8. Somit ist es möglich über einen größeren Bereich die absolute Position des Rotors 4 bzw. der Spindel 9 zu ermitteln. Bei einer Übersetzung größer 1 zu 1 legt das Sensorzahnrad mehr Weg zurück als der Rotor. Somit kann die Sensorauflösung vergrößert werden.
Das Sensorzahnrad 12 wird vorzugsweise aus Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt. Es ist zwischen dem Sensorgehäuse 10 und dem Sensordeckel 11 axial gelagert. Dazu sind am Sensorzahnrad die 2 definierte Auflageflächen 12b und 12c angebracht.
Die Auflagefläche 12b ist im Zentrum des Sensorzahnrades 12 angebracht und hat eine geringe radiale Ausdehnung. Dies hat zur Folge, dass die Lagerreibung im Zahnrad aufgrund des kleinen Hebelarms gering ausfällt.
Das Sensorzahnrades 12 hat einen zylindrischen Absatz. Über eine entsprechend ausgeformten Flansch im Sensordeckel 11 wird das Sensorzahnrad 12 somit radial gelagert.
Die 2 zeigt die in 1 dargestellte Sensoreinheit 10d in Explosionsdarstellung. Die Kernkomponenten des Sensors 10d sind ein gehäusefester Hall Winkelsensor 15 und eine drehbarer Magnet 14. Der Sensor erfasst den Drehwinkel des Magneten absolut innerhalb 360 Grad.
Der Magnet 14 ist mit dem Sensorzahnrad 12 verbunden. Der Magnet 14 kann eingeklebt oder eingepresst werden. Zusätzlich kann durch eine Kerbe oder Abflachung 14a sichergestellt werden, dass sich der Magnet 14 nicht relativ zum Zahnrad 12 verdrehen kann. Das Sensorzahnrad 12 ist, wie bereits in 1 beschreiben, zwischen dem Sensorgehäuse 10 und dem Sensordeckel 11 gelagert. Der axiale Abstand zwischen den beiden Gehäuseteilen 10 und 11 wird durch den Abstandsring 17 definiert. Dieser ermöglicht es außerdem, dass das Sensorgehäuse 10 um den Sensordeckel 11 gebördelt werden kann.
Der Sensor 15 sitzt auf einer Platine bzw. Folie 18 und wird im Aufnahmestück 13 zentriert. Gegebenenfalls sitzt ein weiteres Distanzplättchen 22 dazwischen. Das Aufnahmestück 13 sitzt in einem Abschlussdeckel 16. Dieser verfügt über eine seitliche Aussparung durch welche die Platine bzw. Folie 18 und somit die Sensorsignale nach außen geführt werden können.
Dieser gesamte Aufbau kann auf den Sensordeckel 11 gesteckt werden.
Wie bereits in der Beschreibung der 1 erwähnt, ist es vorteilhaft wenn sämtliche Gehäusekomponenten, hier die Teile 10, 11 und 16 aus magnetisch leitendem Material hergestellt werden. Somit werden eventuelle äußere magnetische Felder vom Gehäuse aufgenommen. Die Störfelder gelangen nicht ins Innere der Sensoreinheit, der Sensor bleibt in der Mitte wie in einem Faradayschen Käfig geschützt.
Die Gehäuseteile 10, 17 und 11 sind an einer Seite hin geöffnet, damit das hier nicht dargestellte Antriebszahnrad 8 das Sensorzahnrad 12 durch die gebildete Durchgriffsöffnung 11e antreiben kann.
Die 3 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der Sensorbaueinheit. Hier hat das Sensorgehäuse 10 eine buchsenartige Ausprägung 10a zur Aufnahme des Lagerzapfens 12a des Zahnrades 12 und zur Zentrierung im Lagerdeckel 3. Eine weitere Ausprägung 10b dient zur Fixierung im Lagerdeckel. Das Sensorgehäuse kann durch Klebung 19 mit dem Lagerdeckel verbunden werden. Der achsnahe Magnet 14 ist mit einer Abflachung zur Verdrehsicherung im Zahnrad durch Kleben oder Ultraschallbördelung befestigt. In derselben Achse ist das Package des Sensorelements 15 auf einer Leiterplatte oder Folie stromleitend befestigt. Das Sensorelement sitzt auf einem Aufnahmestück 13 des Abschlussdeckels. Das antreibende Kunststoffzahnrad 8 ist in eine Bohrung der Rotoraufnahme eingeclipst. Damit ist eine gute Verdrehsicherung möglich. Eine Axiallagerung des Zahnrads 12 mit geringem Spiel wird dadurch möglich, indem bei der Montage der Deckel 11 auf bestimmten Abstand durch eine entsprechende Vorrichtung in das Sensorgehäuse 10 eingefügt wird mit anschließender Verschweißung von Gehäuse 10 und Deckel 11.
Die 4 zeigt den elektrischen Anschlussplan. Üblicherweise haben die Sensorelemente 20, 20a, 20b einen Anschluss von GND und Plus. Das Drehwinkelelement hat mindestens zwei Signalleitungen, dagegen genügt eine Signalleitung bei einem z. B. linearen Hallelement 20b. Wie bereits erwähnt bietet es sich an, alle Sensorelemente und ggf. nicht gezeichnete elektrische Komponenten auf einer Folie zum gemeinsamen Anschluss an die in der Nähe positionierte ECU 21 aufzubringen.

1: Stator
2: Lagerschild
3: Lagerdeckel
3a: Aussparung im Lagerdeckel
4: Rotoraufnahme
4a: Nut
5: Gewindemutter
6: Wicklung
7: Lager
8: Zahnrad
8a: Ausprägung
8b: Rastnase
9: Spindel
10: Sensorgehäuse
10a: Lagerbuchse
10b: Ausprägung
10c: Freisparung
10d: Sensormodul
10e: Durchgriffsöffnung
11: Sensordeckel
11e: Durchgriffsöffnung
12: Sensorzahnrad
12a: Lagerzapfen
12b: Zahnradanlauffläche 1
12c: Zahnradanlauffläche 2
12d: Aussparung für Magnet 14
13: Aufnahmestück
14: Magnet
14a: Kerbe oder Abflachung am Magnet als Verdrehsicherung
15: Sensor
16: Abschlussdeckel
17: Abstandsring
18: Flexfolie
19: Klebung
20: Sensorelement 1
20a: Sensorelement 2
20b: Sensorelement 3
21: ECU
22: Abstandsplättchen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006026446 A1 [0002]
- DE 102006043291 [0003]

Claims

Drehwinkelsensor zur Erfassung der Drehbewegung und/oder Stellung eines Körpers (4, 9), insbesondere einer Welle, wobei der Drehwinkelsensor ein Gehäuse (10, 11, 16) aufweist, in dem mindestens ein Sensorelement (15) zur Erfassung einer Drehbewegung mindestens eines Magneten (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (14) im Sensorgehäuse (10, 11, 16) drehbar gelagert ist und der Körper (4) über ein Getriebe (8, 12) den Magneten (14) antreibt.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (12a) des Magneten (14) neben der Drehachse des Körpers (4), insbesondere achsparallel, angeordnet ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Körper (4) ein erstes Getriebeteil (8) angeordnet oder in diesem integriert oder von diesem gebildet ist, welches sich mit dem Körper (4) bewegt, insbesondere um die Drehachse des Körpers (4) dreht, wobei im Gehäuse (10, 11, 16) des Drehwinkelsensors ein mit dem ersten Getriebeteil (8) korrespondierendes zweites Getriebeteil (12) angeordnet ist, welches den Magneten (14) bewegt und/oder trägt.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeteile Zahnräder (8, 12) bzw. Zähne eines Zahnrads sind.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ge häuse (10, 11) eine Durchgriffsöffnung (10e) für das Getriebe, insbesondere für ein Zahnrad aufweist.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Gehäuse (10, 11, 16) gelagerte Zahnrad (12) einen angeformten Vorsprung (12a), insbesondere einen Lagerzapfen, der vorzugsweise einen geringen Durchmesser hat, aufweist, der in einer korrespondierenden Ausnehmung (10a), die insbesondere im Gehäuseboden (10) ausgebildet ist, einliegt und radial mit geringem Spiel gelagert ist und die Drehwelle des Zahnrads (12) bildet.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem Gehäuseboden (10) und mindestens einem Gehäusedeckelteil (11, 16) gebildet ist, wobei insbesondere der Gehäuseboden (10) und/oder mindestens eines der Gehäusedeckelteile (11, 16) aus magnetisch leitendem Material ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden (10) und der Gehäusedeckel (11, 16) miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt sind.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (12) im Gehäuse (10, 11, 16) von einem unterbrochenen Ring (17) umfasst und in diesem gelagert ist, wobei die Aussparung (17a) im Ring (17) mit der Durchgriffsöffnung (10e, 11e) des Gehäuses (10, 11) übereinstimmt.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäusedeckel das Sensorelement angeordnet, insbesondere befestigt, ist.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mag net (14) gegen Verdrehen formschlüssig in einer Ausnehmung (12d) des Zahnrads (12) einliegt, und insbesondere hierzu eine Kerbe oder Abflachung aufweist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (12d) derart angeordnet ist, dass sich der Magnet (14) auf der Drehachse des Zahnrads (12) befindet.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das antreibende Zahnrad (8) auf dem Körper (4) formschlüssig oder mittels Einpressen gegen Verdrehen relativ zum Körper (4) gesichert ist.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gehäuseteil (10, 11, 16) eine äußere Kontur, insbesondere Vorsprünge (10b) hat, die mit einer entsprechenden Kontur, insbesondere Ausnehmung (3a), eines relativ zum Körper feststehenden Stators oder Lagers (3) korrespondiert und zur Justierung des Drehwinkelsensor relativ zum Stator bzw. Lager (3) dient.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse am Lagerschild (3) eines den Körper (4) lagernden Lagers angeordnet ist.
Verwendung eines Drehwinkelsensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine angetriebene Welle oder Spindelmutter (5) ist.
Verwendung eines Drehwinkelsensors nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine Spindelmutter (5) eines Spindelantriebs eines Bremskraftverstärkers ist.