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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung zum Messen von Drehbewegungen über mehr als eine volle Umdrehung.
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Technischer Hintergrund
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Um die Drehbewegung eines Körpers, im Folgenden generell als Welle bezeichnet - ohne die Erfindung hierauf zu beschränken - anzuzeigen, genügt im einfachsten Fall ein drehfest an der Welle angeordneter Zeiger, der die Drehlage anzeigt.
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Sobald die Welle sich um mehr als eine volle Umdrehung dreht, ist aus einem solchen einfachen Zeiger die Gesamtdrehung nicht mehr ablesbar.
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Ein solcher Zeiger kann mit der Welle rein mechanisch oder auch berührungslos, beispielsweise magnetisch, gekoppelt sein.
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Eine bekannte typische Lösung ist die Anordnung eines PermanentMagneten exzentrisch auf der Welle, und die berührungslose Detektion dessen Drehlage durch einen magnetfeldempfindlichen Sensor, insbesondere eine Multi-Hall-Anordnung.
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Diese in der Regel als Chip ausgebildete Multi-Hall-Anordnung misst die Lage des Magnetfeldes, also der Feldlinien, als Vektor in ihrer Messebene, in der Regel der Chip-Ebene.
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Dies hat den Vorteil, dass sowohl die absolute Feldstärke als auch die Richtung des Magnetfeldes quer zur Messebene das Messergebnis kaum beeinflusst.
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Um Drehungen über mehr als eine Umdrehung (sog. Multi-Turn) anzuzeigen, bestehen mehrere Möglichkeiten:
- Zwischen Welle und Anzeige besteht ein so großes Übersetzungsverhältnis, dass die maximal mögliche Umdrehungszahl mit der einzigen Anzeige angezeigt werden kann. Eine entsprechende Vorrichtung ist aus der US 7 042 211 B2 bekannt, die eine drehend angetriebene Magneteinheit und ein mitdrehendes Flussleitelement aufweist. Aus der US 2007 / 0 194 786 A1 ist eine Winkel-Sensoranordnung bekannt, die Flussleitelemente aufweist.
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Diese Anordnungen haben den Nachteil, dass kleine Drehwinkeländerungen der Welle von der Anzeige nur vergleichsweise ungenau wiedergegeben werden.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Welle mit zwei Anzeigen zu koppeln, beispielsweise die beiden Anzeigen mit unterschiedlichen Stufen eines dazwischen angeordneten Untersetzungsgetriebes zu koppeln.
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Dann jedoch kann die eine Anzeige im Wesentlichen nur die durchgeführten Vollumdrehungen der Welle darstellen, während die andere Anzeige die Bruchteile einer Vollumdrehung wiedergibt.
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Zum einen sind hierbei bei zunehmender Umdrehungszahl zunehmend viele Getriebestufen notwendig und der mechanische Aufbau steigt.
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Da an Stelle eines einfachen Zeigers in der Regel ein elektrisches Signal lieferndes Winkel-Sensorelement beispielsweise das beschriebene magnetfeldempfindliche Winkel-Sensorelement, benötigt wird, hat eine solche Bauform weiterhin den Nachteil, dass die für die unterschiedlichen Getriebestufen benutzten Winkel-Sensorelemente unterschiedlich aufgebaut sein müssen und keine Gleichteile sein können, wie beispielsweise in der
EP 1 076 809 B1 .
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Übersetzungsverhältnis der wenigstens einen Getriebestufe des Untersetzungsgetriebes möglichst gering zu wählen, nämlich bei Verwendung eines Zahnradgetriebes als N:N+/-1, wenn N die Zahl der Zähne auf den zusammenwirkenden Zahnrädern ist.
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Dann zeigt zwar das Winkel-Sensorelement der nicht untersetzten Welle die Drehlage innerhalb einer Vollumdrehung an, das Winkel-Sensorelement der untersetzten nächsten Getriebestufe zeigt jedoch eine von der Anzahl der Vollumdrehungen abweichende Drehlage an.
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Es ist jedoch aus der
DE 10 2005 035 107 A1 ,
DE 10 2008 059 775 A1 und ebenso aus der
DE 198 21 467 A1 bekannt, wie aus der Überlagerung der beiden sich zyklisch wiederholenden, hinsichtlich ihrer Zykluslänge jedoch entsprechendes Übersetzungsverhältnisses unterschiedlichen Signalen der beiden Winkel-Sensorelemente durch eine entsprechende Auswerteelektronik die Anzahl der Vollumdrehungen errechnet werden kann. Eine weitere Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels bzw. eines Drehmoments ist aus der
DE 199 58 504 A1 bekannt. Die
DE 10 2006 048 501 A1 offenbart einen Drehwinkelsensor zur Bestimmung der Position eines Pedals. Der Drehwinkelsensor umfasst einen Magneten und ein einziges Sensorelement.
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Aus der
JP 2008 - 070130 A ist eine Anordnung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Aus der
US 2007 / 0 152 662 A1 ist eine Anordnung ähnlich dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
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Bei diesen Lösungen, sofern sie aus den genannten Gründen vorzugsweise berührungslos mittels magnetfeldempfindlichen Sensoren arbeiten soll, treten jedoch eine Reihe von Problemen auf, die bei dem oben erwähnten Stand der Technik in der Praxis nicht gelöst werden können.
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Zum einen besteht bei einem Winkelsensor wie bei jedem Sensor das Ziel darin, den Sensor so klein wie möglich zu bauen, da er in der umgebenden Anwendung möglichst wenig Bauraum verbrauchen soll.
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Da die auf den einzelnen Getriebestufen angeordneten Magnete prinzipiell jedoch auch den jeweils dem anderen Magneten zugeordneten Sensor mit zunehmender Annäherung beeinflussen können, würde diese Randbedingung eher eine möglichst große Beabstandung der beiden Magnetanordnungen - sei sie in radialer oder axialer Richtung - nahe legen.
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Sofern aus Gründen der Baugröße die Magnetanordnungen und Getriebestufen sehr klein und gering beabstandet, in der Praxis unter 1 cm, beabstandet sein sollen, muss das von der Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld gezielt beeinflusst werden, wobei zwischen dem von dem Sensor Winkel-Sensorelement zu messenden Nutzfeld und dem für die Messung unwichtigen Streufeld zu unterscheiden ist.
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Bei einer Magnetanordnung, die nicht nur aus einem, sondern zwei bezüglich der Rotationsachse gegenüberliegend angeordneten Magneten, z. B. mit ihrer Polachse parallel zur Rotationsachse, in gegenläufiger Polrichtung, ausgebildet wird, ist das Nutzfeld die eine Hälfte des ringförmigen inneren Teils des Magnetfeldes, während das Streufeld die beiden auf den Außenseiten der Magnete jeweils liegenden Feldlinienkreise sind, sowie der Rest des inneren Magnetfeld-Ringes.
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Bekannt ist in diesem Zusammenhang bereits die Abschirmung des magnetfeldempfindlichen Sensors und/oder der Magnetanordnung auf der Rückseite durch einfache magnetisch abschirmende Schirmbleche aus magnetisierbarem Material.
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Solche einfachen Schirmbleche leiten jedoch auch das Nutzfeld unerwünschterweise ab und verschlechtern dabei die Messgenauigkeit eines solchen Sensors.
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Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine gattungsgemäße Winkelsensor-Anordnung zu schaffen, der trotz einfachen Aufbaus eine möglichst geringe Baugröße aufweist und dennoch eine hohe Messgenauigkeit.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zunächst wird bei den Flussleitelementen für den magnetischen Fluss und insbesondere die Richtung, also den Vektor, des magnetischen Flusses zwischen aktiven und passiven Flussleitelementen unterschieden.
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Unter den aktiven Flussleitelementen wird eine solche Gestaltung und Anordnung des mindestens einen Magneten an der Magneteinheit verstanden, die den aus dem Magneten austretenden magnetischen Fluss, also das Nutzfeld, aktiv so gestaltet, dass es in optimal verwertbarer Form das Winkel-Sensorelement erreicht und durchdringt.
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Unter einem passiven Flussleitelement wird die insbesondere räumlich begrenzende Beeinflussung des nicht als Nutzfeld genutzten restlichen Magnetfeldes, des Streufeldes, durch zusätzliche Elemente insbesondere aus Materialien mit geeigneter Permeabilität wie etwa Weicheisen, verstanden.
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Ein solches passives Flussleitelement muss mit der Magnetanordnung unbedingt mitdrehen, um durch Remanenz verursachte Messfehler zu vermeiden.
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Ein solches passives Flussleitelement umgibt die Magneteinheit erfindungsgemäß radial, insbesondere geschlossen ringförmig, und erfindungsgemäß ohne die Magnete zu berühren, also mit Abstand zur Magneteinheit. Ein solches randseitiges Flussleitelement ist insbesondere als Flussleiterring ausgebildet.
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Ergänzend dazu ist die vom Winkel-Sensorelement abgewandte Rückseite des Flussleitelements als Boden und insbesondere plattenförmig ausgebildet als ein weiteres Flussleitelement. Dabei erfüllen die beiden Flussleitelemente funktional ganz verschiedene Zwecke:
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Der die Rückseite der Magneteinheit abdeckende Boden funktioniert als Rückschlusselement, um den vom Winkel-Sensorelement abgewandten Teil des inneren Feldlinienkreises von einem zum anderen Magneten auf kürzestem Weg durch einen Rückschluss zu verschließen, weshalb die Magnete vorzugsweise direkt auf diesem Teil des Flussleitelementes kontaktierend aufsitzen. Wandstärke, Geometrie und Permeabilität in diesem Bereich sind so gewählt, dass ein möglichst konzentrierter Magnetfluss nur innerhalb dieses Rückschlusselementes und nicht außerhalb stattfindet und dabei vorzugsweise auch keine magnetische Sättigung dieses Teils des Flussleitelementes auftritt.
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Der außen umlaufende Rand wirkt dagegen als Flussbegrenzungselement gegen innere und äußere Magnetfelder, das die Magnete umgibt und vorzugsweise überragt. Wandstärkegeometrie sowie Materialeigenschaften, insbesondere Permeabilität, des randseitigen Flussleitelementes sind so gewählt, dass der in die Umgebung außerhalb des Flussbegrenzungselements ausgreifende Streufluss der Magneteinheit minimiert wird und dieser Streufluss optimal vollständig innerhalb des Flussbegrenzungselementes läuft und durch dieses abgeleitet und somit begrenzt wird.
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Ein weiteres passives Flussleitelement kann vorzugsweise als flächiges, plattenförmiges Element und mit sehr geringer Materialstärke parallel zu dem ebenfalls in der Regel flächigen Winkel-Sensorelement insbesondere an dessen von der Magneteinheit abgewandten Rückseite angeordnet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich dieses plattenförmige Flussleitelement in der gleichen Ebene wie das Winkel-Sensorelement, was beispielsweise bei einem Hall-Array möglich ist, indem das plattenförmige Flussleitelement zwischen den z. B. im Viereck angeordneten einzelnen Hall-Sensoren des Hall-Arrays befestigt ist.
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Für ein passives Flussleitelement wird vorzugsweise ein Material mit einer Permeabilität µ von 50 - 1.000, insbesondere 100 - 800 gewählt, beispielsweise ein Weicheisen-Material. Wenn das Flussleitelement einstückig z. B. mit einer Außenverzahnung hergestellt ist. Als separates Bauteil sollte das Flussleitelement dagegen µ > 1000, besser > 5000 haben.
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Als aktive Flussleitelemente können die Magnete zum einen spezifisch angeordnet und ihre Feldaustrittsflächen zum Winkel-Sensorelement hin spezifisch gestaltet sein:
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Magneteinheit zwei symmetrisch zur Rotationsachse sich gegenüberliegende Magnete mit einer Polachse jeweils parallel zur Rotationsachse der Magneteinheit, wobei die Polrichtung des einen Magneten der des anderen Magneten entgegengerichtet ist. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Winkel-Sensorelement vorzugsweise etwas axial beabstandet zu den Magneten, und in radialer Richtung genau dazwischen, also auf der Rotationsachse. Die dem Winkel-Sensorelement zugewandten Polflächen der Magnete sind dabei vorzugsweise vom äußeren Rand zur Rotationsachse hin abfallend geneigt, um einen möglichst großen Anteil der aus dieser Polfläche austretenden Magnetfeldlinien des Nutzfeldes zum Messbereich des Winkel-Sensorelementes hin zu leiten.
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Eine andere Ausführungsform besteht darin, dass die Magneteinheit zwei Magnete umfasst, die wiederum exzentrisch und symmetrisch einander gegenüberliegend zur Rotationsachse der Magneteinheit angeordnet sind, jedoch eine identische Polrichtung aufweisen, die in diesem Fall quer, insbesondere lotrecht, zur Rotationsachse liegt und diese schneidet. In diesem Fall wird das Winkel-Sensorelement insbesondere in dem Zwischenraum zwischen den beiden Magneten angeordnet, da sich hier die Feldlinien des Nutzfeldes nicht bogenförmig zwischen den Polflächen ausbiegen, sondern relativ geradlinig dazwischen von einem zum anderen Magneten verlaufen. Hier könnte insbesondere eine konkave Krümmung der Polflächen einen gebündelten Austritt in Richtung des Messbereiches des Winkel-Sensorelementes bewirken.
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Die Drehverbindung der mindestens zwei Magneteinheiten kann konventionell mechanisch erfolgen, beispielsweise über Verzahnungen, die etwa als Außenverzahnung direkt auf den Magneteinheiten oder einem separaten, als Zahnrad wirkenden Bauteil, mit welchem die Magneteinheiten drehfest verbunden sind, aufgebracht ist. Auch andere mechanische Verbindungen über Reibschluss, Zahnriemen oder ähnliches kommen in Frage.
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Daneben gibt es auch kontaktlose drehbare Kopplungen beispielsweise über entlang des Umfanges abwechselnde Magnetisierungen, wodurch ein magnetisches Getriebe realisiert werden kann.
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Die mechanisch einfachste Bauform ist das Anordnen einer Außenverzahnung direkt auf der Außenseite des z.B. topfförmigen Flussleitelementes. Allerdings muss dann mit den vorhandenen mechanischen Eigenschaften des Materials des Flussleitelementes als vorgegebene Parameter ausgekommen werden, was beispielsweise die notwendige hochpräzise Herstellung der Zahnräder, die in der Regel nur durch Fräsen oder Schleifen möglich ist, erschweren kann.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verzahnung auf einem separaten Zahnrad, welches nicht als Flussleitelement dient, herzustellen, was dann aus jedem beliebigen Material, beispielsweise bruchfestem Stahl oder auch Kunststoff, bestehen kann, und die Magneteinheit und ebenso die gewünschten Teile des Flussleitelementes beispielsweise stirnseitig auf diesem Zahnrad oder in einer topfförmigen Vertiefung des Zahnrades unterzubringen. Dabei kann das Flussleitelement beliebig gestaltet sein, z. B. nur den randseitigen Teil oder auch den bodenförmigen Teil aufweisen oder beide zusammen, und als einstückiges oder auch mehrteiliges, z. B. topfförmiges Flussleitelement gestaltet sein.
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Bei insbesondere einer einstückigen Ausbildung von Verzahnung und Flussleitelement ist auch die Verwendung eines Kunststoffmaterials möglich, welches Magnetpartikel eingelagert enthält, und dabei insbesondere die Verteilung der Magnetpartikel innerhalb des Kunststoffes nicht über das gesamte Flussleitelement gleich ist, sondern je nach dem jeweiligen Funktionsbereich gesteuert wird, und insbesondere im Bereich der Verzahnung nach Möglichkeit überhaupt keine Magnetpartikel mehr eingelagert sind.
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Dabei kämmen die beiden Dreheinheiten, also die Verzahnungen, vorzugsweise direkt miteinander, vor allem angesichts der Tatsache, dass der gesamte Winkelsensor sehr geringe Außenabmessungen von beispielsweise weniger als 2 cm im Durchmesser und ebenso in der axialen Länge aufweisen soll, um möglichst universell einsetzbar zu sein und insbesondere auch die Funktion bisheriger Multiturn-Potentiometer einnehmen zu können, die ebenfalls maximal diese Abmessungen besitzen.
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Um eine erwünschte wechselseitige Beeinflussung der Magneteinheit auf das andere, nicht zugeordnete Winkel-Sensorelement zu vermeiden, würde man natürlich gerne den Abstand zwischen den beiden Einheiten, also den Abstand der Rotationsachsen, vergrößern, was mechanisch auf einfache Art und Weise durch ein dazwischen anzuordnendes Mittenzahnrad möglich ist. Dies jedoch vergrößert die Bauform des gesamten Sensors.
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Hinsichtlich des Getriebeteils des Winkelsensors wird das Drehzahlverhältnis der miteinander kämmenden Zahnräder möglichst gering, also möglichst nahe bei 1, aber noch unterschiedlich von 1, gewählt. In der Praxis erreicht man dies, indem sich bei zwei miteinander kämmenden Zahnrädern die Zähnezahlen nur um einen Zahn unterscheiden. Bei einem solchen sog. „Differenz-getriebe“ ist eine Anzahl von Umdrehungen entsprechend der einen Zähnezahl des einen Zahnrades notwendig, bis für das gesamte Getriebe wiederum der Ausgangszustand erreicht wird.
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Diese Umdrehungsanzahl, die notwendig ist, um den wieder exakt gleichen Ausgangszustand hinsichtlich des gesamten Getriebes zu erreichen, stellt den Messbereich des Winkelsensors dar. Wenn dieser sehr groß benötigt wird, kann es notwendig sein, mehrere Getriebestufen, also mehr als nur zwei miteinander zusammenwirkende Magneteinheiten mit Winkel-Sensorelementen und damit auch mehr als zwei Zahnräder, einzusetzen.
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Wenn beispielsweise um ein zentrales Zahnrad mit einer Magneteinheit, welches von außen angetrieben wird, über den Umfang verteilt mehrere, beispielsweise vier, Zahnräder, die jeweils ebenfalls mit Magneteinheiten ausgestattet sind, sowie zugeordneten Winkel-Sensorelementen, zusammenwirken, kann dadurch auch bei relativ geringer Zähnezahl des einzelnen Zahnrades ein Messbereich einer sehr hohen Gesamt-Umdrehungszahl des Getriebes erreicht werden. Auch dann werden die Zähnezahlen der einzelnen Zahnräder untereinander möglichst wenig unterschiedlich, möglichst nur um einen Zahn unterschiedlich sein.
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Dementsprechend kann als Gehäuse für den Winkelsensor entweder ein rotationssymmetrisches Gehäuse gewählt werden, wobei der Antrieb von außen vorzugsweise auf ein zentral im Gehäuse angeordnetes Zahnrad und dessen Magneteinheit geht.
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Falls der Winkelsensor nur zwei Magneteinheiten umfasst, können diese auch in einem unrunden, beispielsweise kreissegmentförmigen, ovalen oder langlochförmigen Gehäuse untergebracht sein, in dem dann der Antrieb exzentrisch an einem Ende des Gehäuses angeordnet ist.
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Aufgrund der geringen Abmessungen spielt auch eine möglichst reibungsarme und dennoch mechanisch wenig aufwendige Lagerung der drehbaren Teile, also der angetriebenen, das Gehäuse nach außen durchdringenden Welle oder der Wellenzapfen, mit denen die nicht direkt von außen angetriebenen Magneteinheiten oder ihre Zahnräder im Gehäuse gelagert sind, eine große Rolle.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, diese Lagerung statt mit der üblichen Wälzlagerung mittels einer ferrofluidischen Gleitlagerung zu lösen:
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Dabei wird als Gleitschicht zwischen den relativ zueinander bewegten Teilen eine Flüssigkeit, das Ferrofluid, benutzt, indem sehr kleine magnetisierbare Partikel schwimmen bzw. schweben. Indem eines der relativ zueinander zu lagernden Teile magnetisch ausgebildet ist, lagern sich die magnetisierbaren Partikel des Ferrofluids an der Oberfläche dieses Magneten an, und zwar bevorzugt an den Stellen, an denen die Magnetlinien aus diesen Magneten besonders konzentriert austreten, wie etwa Ecken und Kanten.
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Auf diese Art und Weise kann beispielsweise der an einem Zahnrad drehfest angeordnete Wellenzapfen als Magnet ausgebildet sein, der mittels des Ferrofluids im Gehäuse gelagert ist. Als Axiallager wird dann bevorzugt in das Sackloch der Lagerung, in welcher der Wellenzapfen sitzt, ein Metallteil mit möglichst geringer Kontaktfläche, die in axiale Richtung weist, angeordnet, beispielsweise wird bei einem aus Kunststoff bestehenden Gehäuse eine Metallkugel mit dem Durchmesser des Sackloches auf dem Boden des Sackloches eingepresst und dadurch dort gehalten und dient als Axiallager. Eine solche ferrofluidische Lagerung hat den weiteren Vorteil, dass dadurch auch das Abheben, also unerwünschte Herausbewegen, des Wellenzapfens aus dem Sackloch verhindert wird, da es durch die Magnetkraft an dem bodenseitigen Metallteil magnetisch haftet.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen magnetischen Zapfen drehfest in eine Sacklochbohrung des Gehäuses einzupressen und aus diesem axial vorstehen zu lassen, und auf einem solchen Achszapfen wiederum mittels ferrofluidischer Lagerung die Magneteinheit oder deren Zahnrad ferrofluidisch gleitzulagern.
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Des Weiteren sind unterschiedliche Anordnungen der Magneteinheiten und Winkel-Sensorelemente mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen möglich:
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In einer mechanisch einfachen Bauform liegen die Magneteinheiten und/oder deren Zahnräder in derselben Ebene nebeneinander, und die Winkel-Sensorelemente diesen gegenüberliegend ebenfalls in einer gemeinsamen Ebene. Dies ermöglicht es beispielsweise, die Magneteinheiten und Zahnräder in einer ersten Gehäusehälfte, die beispielsweise topfförmig gestaltet ist, unterzubringen, und die Winkel-Sensorelemente und ggf. die zugehörige Auswerteelektronik, die auf einer separaten Platine oder auch innerhalb des als Chip ausgebildeten jeweiligen Winkel-Sensorelementes angeordnet sein kann, in einem Deckel, insbesondere einem topfförmigen Deckel als zweite Gehäusehälfte, des Gehäuses anzuordnen.
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Eine andere Ausführungsform besteht darin, die beiden Winkel-Sensorelemente auf voneinander wegweisenden Seiten derselben Platine und direkt einander gegenüberliegend anzuordnen, so dass dann auch die beiden Magneteinheiten einander gegenüberliegend auf einer gemeinsamen Rotationsachse angeordnet werden. Dann ist jedoch zwischen den beiden die Magneteinheiten tragenden Zahnrädern ein drittes Zahnrad als Vermittlerzahnrad notwendig.
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Eine weitere Lösung besteht darin, die Magneteinheiten und/oder deren Zahnräder zwar auf der gleichen Ebene anzuordnen, aber mit entgegengesetzten, nicht von den Flussleitelementen abgedeckten Seiten. Die zugeordneten Winkel-Sensorelemente befinden sich dann auf bezüglich der Ebene der Magnetelemente gegenüberliegenden Ebenen.
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Dies ist eine Lösung, bei der die unerwünschte wechselseitige Beeinflussung der Magneteinheiten und Winkel-Sensorelemente minimiert wird, die jedoch den mechanischen Aufwand insbesondere für das Gehäuse ebenfalls erhöht.
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Dieser kann nur dann minimiert werden, wenn hierfür als Gehäuse zwei identische Halbschalen verwendet werden, bei der in jedem eine Magneteinheit und daneben das Winkel-Sensorelement für die jeweils andere Magneteinheit untergebracht ist.
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Die verwendeten Winkel-Sensorelemente besitzen vorzugsweise eine gleich hohe Auflösung und auch gleich hohe Messgenauigkeit und sind insbesondere identisch ausgebildet.
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Bei allen erläuterten Lösungen müssen die von den mindestens zwei Winkel-Sensorelementen gelieferten Signale von einer Auswerte-Elektronik gegeneinander verrechnet werden, um die exakte Anzahl vollständig erfolgter Umdrehungen der Antriebswelle zu errechnen, während die exakte Drehlage innerhalb von 360° vom Winkel-Sensorelement der von außen angetriebenen Magneteinheit direkt angezeigt wird. Diese Auswerteelektronik ist entweder separat auf der Platine neben den Winkel-Sensorelementen untergebracht, oder sie kann mit zunehmender Integration mit in dem Micro-Chip, als welches das Winkel-Sensorelement in aller Regel ohnehin ausgeführt ist, mit enthalten sein.
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Wenn jedoch - im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungen - die wenigstens zwei Magneteinheiten mit einem großen, von 1,0 deutlich abweichenden, Übersetzungsverhältnis miteinander gekoppelt sind, beispielsweise indem das eine der beiden Zahnräder ein Einzahn-Zahnrad ist, das andere Zahnrad dagegen viele Zähne aufweist, ist es dann sinnvoller, nur die Magneteinheit des Zahnrades mit der geringeren Zähne-Zahl mit einem hoch auflösenden Winkel-Sensorelemente anzutasten, während an der anderen Magneteinheit ein wesentlich niedriger auflösendes Winkel-Sensorelement ausreichend ist.
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Als Winkel-Sensorelemente können alle Arten von XMR-Elementen, beispielsweise ein AMR-Element, oder auch ein Hall-Array, verwendet werden, wobei letzteres dann bevorzugt aus vier oder mehr einzelnen Hall-Elementen besteht.
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Figurenliste
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: den Winkelsensor in Gesamtdarstellung in einer ersten Bauform,
- 2: eine Bauform mit Mittel-Zahnrad,
- 3: eine erste Bauform mit ferrofluidischer Lagerung,
- 4: eine zweite Bauform mit ferrofluidischer Lagerung,
- 5: eine Bauform mit großem Übersetzungsverhältnis,
- 6: eine Bauform mit gegenüberliegenden Winkel-Sensorelementen,
- 7: eine Bauform mit Winkel-Sensorelementen versetzt und in verschiedenen Ebenen,
- 8: eine Bauform mit mehreren Getriebestufen,
- 9: unterschiedliche Aufbauformen der einzelnen Magneteinheiten, wobei 9b eine erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt,
- 10: eine Bauform mit nur einem Magnet in der Magneteinheit,
- 11: eine spezifische Ausbildung der Magnete in der Magneteinheit.
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Der erfindungsgemäße Winkelsensor ist in 1a im Längsschnitt und in 1b in der Aufsicht - dort insbesondere die beiden Magneteinheiten 5a, b - dargestellt.
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Dabei ist zu erkennen, dass zwei Zahnräder 1a, b miteinander kämmen, die jeweils auf einer Welle sitzen, von denen die Welle 2 des einen Zahnrades 1b durch das Gehäuseunterteil 22a durchgeht und von außen drehend um die Rotationsachse 10 angetrieben wird, während das andere Zahnrad 1a mittels eines Wellenzapfens 11 lediglich im Gehäuseunterteil 22a steckt und drehbar gelagert ist.
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Das Zahnrad 1b besitzt dabei 32 Zähne, das Zahnrad 1a besitzt 31 Zähne, so dass erst nach zweiundreißig Umdrehungen der Welle 2 wieder die gleiche Ausgangssituation erreicht ist, und alle Situationen dazwischen sich hinsichtlich der Winkellage der Welle 2 und/oder des Wellenzapfens 3, also der Magneteinheiten 5a,b, unterscheiden.
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Die Drehlagen von Welle 2 und Wellenzapfen 3 werden detektiert, in dem auf jedem der Zahnräder 1a, b eine Magneteinheit 5a bzw. 5b drehfest angeordnet ist, die im Fall der 1a aus je zwei blockförmigen, insbesondere quaderförmigen, Magneten 4a, b bestehen, die symmetrisch einander gegenüber liegend zur Rotationsachse 10, 10' und mit ihrer Polachse parallel hierzu, jedoch gegenläufig bzgl. der beiden Magnete 4a, b zueinander, angeordnet sind.
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Die Magnete 4a, b sind dabei in einer topfförmigen Vertiefung in der vorderen, gegen ein Winkel-Sensorelement 12 gerichteten, Stirnfläche des jeweiligen Zahnrades 1a, b angeordnet, indem sie auf dem Boden des Topfes befestigt sind und insbesondere das innere des Topfes mit Vergussmasse 6 vergossen ist.
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In möglichst geringem Abstand gegenüber der Magneteinheiten 5a, b, in diesem Fall noch außerhalb der topfförmigen Vertiefung im Zahnrad 1a, b, ist auf jeder Rotationsachse 10, 10' jeweils ein Winkel-Sensorelement 12 angeordnet, welches in der Lage ist, das von der zugeordneten Magneteinheit z. B. 5a erzeugte Magnetfeld, insbesondere hinsichtlich der Richtung der Magnetfeldlinien, also des Magnetvektors, im Bereich des Winkel-Sensorelementes 12 zu messen. Die Winkel-Sensorelemente 12 sind dabei als flächiger Chip auf der Vorderseite einer Leiterplatte 25 angeordnet.
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In 1a ist ferner im Gehäuseoberteil 22b ein topfförmiger Abschirmbecher 21 aus ferromagnetischem Material angeordnet, der wie das Gehäuseoberteil 22b feststeht, also nicht mit den Magneteinheiten 5a,b mitdreht, und alle Winkel-Sensorelemente 12 gemeinsam von der Rückseite und den Umfangsflächen her gegen externe magnetische Störfelder abschirmt.
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2a unterscheidet sich von 1a dadurch, dass zwischen den beiden die Magneteinheiten 5a, b tragenden Zahnräder 1a,b ein Abstandszahnrad 29 zusätzlich angeordnet ist, um vor allem den Abstand zwischen den beiden Winkel-Sensorelementen 12 zu vergrößern. Vorzugsweise wird dabei wiederum die die Drehlage innerhalb einer vollen Umdrehung detektierende Einheit, hier das Zahnrad 1b, drehend angetrieben, jedoch kann es aus Gründen der Gehäusebauform auch notwendig sein, das Abstandszahnrad 29 als mittleres Zahnrad stattdessen anzutreiben.
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Die 1c und d zeigen Schnittdarstellungen, in denen der Verlauf der magnetischen Feldlinien zusätzlich eingezeichnet ist.
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Die obere Hälfte des mittleren Feldlinienringes ist das Nutzfeld 19, also diejenigen Feldlinien, die durch den Messbereich des Sensors verlaufen sollen und deren Richtung vom Sensor gemessen werden soll.
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Die untere Hälfte des mittleren Feldlinienringes 13 als auch die beiden äußeren Feldlinienringe 14 bilden das (Magneteinheit-interne) Streufeld, welches für die Auswertung durch das Winkel-Sensorelement 12 nicht genutzt wird, aber im Gegenteil beispielsweise das benachbarte Winkel-Sensorelement der anderen Magneteinheit unerwünschterweise beeinflussen kann und deren Messergebnis verfälschen kann.
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In 1c nicht eingezeichnet sind darüber hinaus externe Streufelder von anderen in der Umgebung vorhandenen Feldlinienquellen, die das Winkel-Sensorelement 12 ebenfalls unerwünschterweise beeinflussen können.
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Um dies zu minimieren, also einerseits externe Streufelder abzuhalten, vor allem jedoch auch die internen Streufelder zu leiten, sowie das Nutzfeld auf die Sensoreinheit möglichst gut auszurichten, werden aktive oder passive Flussleitelemente eingesetzt.
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In 1a sind die Zahnräder 1a, b selbst solche passiven, in der Regel aus ferromagnetischem Material bestehende Flussleitelemente, deren Remanenz µ in einem geeigneten Bereich, meist zwischen 500 und 1000, liegen sollte.
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Da die Flussleitelemente mit der jeweiligen Magneteinheit 5a,b synchron mitdrehen müssen, um eine Remanenz in dem Flussleitelement zu vermeiden, sind vorzugsweise jeder Magneteinheit 5a,b ein oder mehrere eigene Flussleitelemente zugeordnet, in diesem Fall das einstückig topfförmige Zahnrad 1a welches die Magneteinheiten 5a,b radial ringförmig umschließt und zusätzlich auf der vom Winkel-Sensorelement 12 abgewandten Rückseite vollständig als Flussleitertopf 8 abdeckt.
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Die Welle 2 bzw. der Wellenzapfen 3, die den Boden des Zahnrades 1a durchdringen, sind in diesem Fall dann auch aus dem gleichen ferromagnetischen Material gebildet, ansonsten dürften sie das topfförmige Flussleitelement nicht durchdringen.
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1c zeigt, wie durch diesen Flussleitertopf 8 das interne Streufeld stark gebündelt und in seiner räumlichen, insbesondere radialen räumlichen Ausdehnung minimiert wird und dementsprechend das Nutzfeld 19, welches die zum Winkel-Sensorelement 12 hin gerichtete Hälfte des mittleren Feldlinienringes 13 ist, analog verstärkt wird. Die beiden äußeren Feldlinienringe 14 sind ebenfalls nur Streufeld.
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Dabei ist in 1c zusätzlich ein weiteres Flussleitelement als Flussleiterplatte 7' auf Seiten des Winkel-Sensorelementes direkt am Winkel-Sensorelement 12 angeordnet, welches dort, also im Messbereich des Winkel-Sensorelementes 12, die Feldlinien ebenfalls führt und konzentriert und damit das Messergebnis verbessert.
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In den 3 - 7 ist das Gehäuseoberteil 22b als auch der Abschirmbecher 21 nicht mehr dargestellt und bei 8 darüber hinaus auch nicht die Winkel-Sensorelem ente.
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Die Lösung der 3 unterscheidet sich von derjenigen der 1 durch die Art der Lagerung des Wellenzapfens 11 im Gehäuseunterteil 22a, wofür hier als auch in 4 eine Gleitlagerung mit einer ferrofluidischen Flüssigkeit 24 als Schmiermittel gewählt ist:
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In einer ferrofluidischen Flüssigkeit sind reibungsarme Metallpartikel, insbesondere mikroskopisch kleine, runde Metallpartikel, enthalten.
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Gemäß 3a ist der Wellenzapfen 11 als Lagermagnet 23 ausgeführt, der eine Polrichtung quer zu seiner Rotationsachse 10' besitzt und deshalb im Gegensatz zur 1a den Boden des Flussleitertopfes 8 in Form des Zahnrades 1a nicht vollständig durchdringt und die Magneteinheit nicht erreicht.
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Die Feldlinien dieses Lagermagneten 23 bewirken, dass sich an seiner Oberfläche die im Ferrofluid 24 enthaltenen Metallpartikel anlagern und wie kleine Wälzkörper zwischen dem Wellenzapfen 11 und dem Gehäuse wirken, wobei die Anlagerungen vor allem an den frei zugänglichen Außenkanten des Lagermagneten 23 konzentriert sein werden.
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Am Boden der Sacklochbohrung, in der sich der Lagermagnet 23 dreht, ist vorzugsweise ein axiales Halteteil aus Metall in Form einer Haltekugel 26 fixiert, die einerseits gegenüber dem Lagermagnet 23 als Axiallager dient, andererseits jedoch auch den Lagermagnet 23 in der Bohrung hält und damit ein Abheben des Zahnrades 1a, welches fest auf der Stirnfläche des Lagermagneten 23 fixiert ist, vom Gehäuseunterteil 22a verhindert.
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Zu diesem Zweck ist die Haltekugel 26 im Gehäuseunterteil 22a, beispielsweise eingepresst, wobei das Gehäuseunterteil 22a wie das Gehäuseoberteil 22b durchaus aus Kunststoff oder Aluminium bestehen kann.
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Im Gegensatz dazu ist in 4a die ferrofluidische Lagerung so gelöst, dass der Lagermagnet 23 im Gehäuseunterteil 22a fixiert ist und aus diesem soweit in Richtung der Magneteinheit 5b vorsteht, dass das Zahnrad 1a mit einer entsprechenden Ausnehmung in seiner Rückseite auf diesem vorstehenden Teil des feststehenden Lagermagneten 23 drehbar gelagert ist, wiederum mittels eines Ferrofluids dazwischen als Gleitmittel.
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Die 5 - 7 zeigen andere Lösungen sowohl des Getriebeaufbaus und teilweise auch der Sensoranordnung gegenüber 1:
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In 5a weist das Zahnrad 1b nur einen einzigen Zahn auf, ist also als EinZahnrad 31 ausgebildet, während das Zahnrad 1a mehrere damit kämmende Zähne und Vertiefungen besitzt.
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Nach einer vollen Umdrehung des Zahnrades 1b wird somit das Zahnrad 1a erst um einen einzigen seiner Zähne weitergedreht, so dass hier ein großes Übersetzungsverhältnis vorliegt.
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Während sich in 1 Winkel-Sensorelemente 12 und Magneteinheiten 5a,b jeweils in einer gemeinsamen Ebene befinden, jedoch um getrennte, parallele, beabstandete Rotationsachsen drehen, zeigt 6a eine Lösung, bei der alle drehbaren Elemente um eine gemeinsame Rotationsachse 10 drehen, indem die beiden Winkel-Sensorelemente 12 auf der Vorder- und Rückseite einer Leiterplatte 25 angeordnet sind, und zwar ohne Versatz in der Ebene der Leiterplatte 25 zueinander, und die Magneteinheiten 5a,b dazu axial beabstandet und gegeneinander gerichtet auf der gleichen Rotationsachse 10 angeordnet sind.
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Die auf diese Art und Weise koaxial angeordneten, aber axial beabstandeten Zahnräder 1a,b sind durch ein daneben liegendes Abstandszahnrad 29' drehend miteinander gekoppelt, wobei sich hier die Zähnezahlen der Zahnräder 1a,b der Magneteinheiten 5a,b wiederum nur geringfügig, insbesondere nur um einen einzigen Zahn unterscheiden.
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Von außen angetrieben ist in diesem Fall wiederum nur eine der beiden Wellen bzw. dessen Zahnrad, hier das untere Zahnrad 1a, direkt.
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7 zeigt eine Bauform, bei der die Magneteinheiten 5a, b um parallel beabstandete Rotationsachsen 10, 10' drehen, jedoch auf den Zahnrädern 1a, b an in entgegen gerichtete Richtungen weisenden Stirnflächen angeordnet sind und die Zahnräder 1a,b in einer gemeinsamen Ebene drehen. Dementsprechend befinden sich dann die Winkel-Sensorelemente 12 auf zwei hinsichtlich ihrer Ebene versetzten, insbesondere getrennten, Leiterplatten 25 a, b.
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8 zeigt in der Aufsicht, also in Blickrichtung analog zu 1b, eine Lösung, bei der in einem runden, insbesondere rotationssymmetrischen, Gehäuse 22 ein Zahnrad 1b mit Magneteinheit 5b im Zentrum angeordnet ist und das von außen angetriebene Zahnrad darstellt.
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Um die Mitte herum sind vier Zahnräder 1a,c,d,e angeordnet, die jeweils nur mit dem zentralen Zahnrad 1b kämmen und jeweils auch eine Magneteinheit 5a,c,d,e tragen, und wie die mittlere Magneteinheit 5b jeweils von einem separaten, zugeordneten Winkel-Sensorelement hinsichtlich der Drehlage des Magnetfeldes detektiert werden.
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Eine Auswerteeinheit verarbeitet die Signale aller fünf Winkel-Sensorelemente. Da die umgebenden Zahnräder jeweils untereinander als auch zum zentralen Zahnrad 1b geringfügige, vorzugsweise nur um jeweils einen Zahn unterschiedliche, Zähnezahlen aufweisen, ergibt dies fünf sich periodisch wiederholende Signalkurven, deren Zykluslänge jeweils unterschiedlich ist, so dass erst nach einer sehr großen Anzahl von Umdrehungen des zentralen Zahnrades 1b wieder exakt der gleiche Zustand des Getriebes, also die Drehlage sämtlicher Magneteinheiten jeweils in der gleichen Position wie am Anfang, eintritt. Damit können sehr hohe Gesamtumdrehungszahlen detektiert werden.
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Im Gegensatz dazu zeigt 8b ein nur zwei Zahnräder 1a, b gemäß 1 eng umschließendes, und somit vor allem bezüglich der angetriebenen Welle des einen Zahnrades nicht rotationssymmetrisches, Gehäuse 22 in Langlochform, also mit zwei halbrunden Enden.
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Die 9a zeigen einzelne Zahnräder 1a, ... mit Magneteinheit 5a, ..., bei jeweils gleicher Ausbildung der Magneteinheit z. B. 5a, die wie in 1 aus zwei einzelnen Magneten 4a, b besteht, jedoch mit unterschiedlichem umgebenden Aufbau:
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So ist gemäß 9 das Flussleitelement als Flussleitertopf 8 ausgebildet, der im Gegensatz zu 1 jedoch keine Verzahnung direkt auf seiner Außenseite aufweist, sondern diese ist auf einem separaten Zahnrad 1a wie üblich als Umfangsverzahnung aufgebracht, welches drehfest mit der Antriebswelle 2 oder dem Wellenzapfen 11 verbunden ist und nicht aus ferromagnetischem Material bestehen muss. Auf der vorderen Stirnfläche des Zahnrades 1a sitzt der Flussleitertopf 8 zentrisch mit seiner vom Zahnrad 1a wegweisenden Vertiefung, in der sich die Magneteinheit 5a befindet.
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Während in 9a der Flussleitertopf 8 einstückig ausgebildet ist, ist er gemäß 9b zusammengesetzt aus einem radial umlaufenden Flussleiterring 9 und einer den Boden des Topfes bildenden, separaten, Flussleiterplatte 7, die dicht aneinander anliegen.
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In 9c ist der Flussleitertopf 8 wiederum einstückig ausgebildet, jedoch statt auf der ebenen Stirnfläche des Zahnrades 1a aufgesetzt in eine stirnseitige, passende, Vertiefung des Zahnrades 1a eingelassen.
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9d zeigt eine demgegenüber reduzierte Variante, in der nur eine Flussleiterplatte 7 axial zwischen den Magneten 4a,b und dem Boden der Vertiefung im Zahnrad 1a angeordnet ist, die Magnete 4a,b jedoch nicht radial außen von einem Flussleitelement umgeben sind.
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10a und b zeigt eine Lösung, bei der die Magneteinheit 5a prinzipiell - analog zur 9a oder 9b - auf der offen zugänglichen Stirnseite des Zahnrades z. B. 1a angeordnet ist, die Magneteinheit z. B. 5a jedoch nur aus einem einzigen Magneten 4 besteht, dessen Polrichtung quer, nämlich lotrecht, zu der Rotationsachse 10 der Magneteinheit 5a angeordnet ist und der Magnet 4 darüber hinaus in der Aufsicht betrachtet eine runde Außenkontur besitzt.
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Als Flussleitelement ist lediglich ein radial mit Abstand diesen runden Magneten 4 umgebender Flussleitring 9 vorhanden, der wie der Magnet 4 auf der zugänglichen Stirnfläche des Zahnrades 1a aufsitzt.
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Eine solche Lage der Polachse der Magneteinheit 5a ergibt in der Regel jedoch ein schwächeres Nutzfeld als die Anordnung mit zwei Magneten gemäß 1.
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Die 10c - e zeigen weitere Magnetanordnungen innerhalb der Magneteinheit 5a:
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So ist bei der Lösung gemäß 10c gegenüber den beiden Magneten 4a,b pro Magneteinheit bei 1 ein dritter Magnet 4c im Abstand dazwischen vorhanden, mit seiner Polachse quer zur Rotationsachse 10 liegend und mit seinen Feldlinien-Austrittsflächen insbesondere die beiden Magnete 4a,b kontaktierend. Dabei liegen gleiche Pole der Magnete 4a und 4c sowie 4c und 4b benachbart zueinander.
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Dies, wie auch die 10d und 10e, sind Magnetanordnungen, die darauf abzielen, das nicht nutzbare Streufeld zu minimieren und demgegenüber das Nutzfeld zu verstärken, so dass die Magnetanordnung selbst als (aktives) Flussleitelement wirkt.
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Eine bekannte Magnetanordnung in diesem Zusammenhang ist die sogenannte Halbachanordnung gemäß 10e, wobei es sich um einen aus Einzelmagneten 4a... unterschiedlicher, definierter Polrichtungen zusammengesetzten Kreisring oder Polygonring, der dann koaxial zur Rotationsachse 10 angeordnet wird, handelt. Durch diese spezifische bekannte Polrichtungsanordnung wird ein sehr gutes Nutzfeld erreicht, jedoch ist der Herstellungsaufwand für den Magnetring aufgrund der herrschenden Abstoßungskräfte zwischen den einzelnen Magneten 4a... erheblich.
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10d zeigt eine einfachere Bauform eines stabförmigen, wiederum aus Einzelmagneten 4a... unterschiedlicher, definierter Polachsenorientierung zusammengesetzte, Magneten, die dann mit ihrer Längserstreckung quer und symmetrisch zur Rotationsachse 10 angeordnet wird.
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Des Weiteren ist in 11 separat eine Ausgestaltung der dem Winkel-Sensorelement zugewandten Flussaustrittsflächen 20 in Form einer schräg zur Mitte der Magneteinheit 5a, also der Rotationsachse 10 bzw. 10' hin abfallenden, Flussaustrittsfläche 20 dargestellt, die bewirkt, dass die austretenden Feldlinien stärker zur Mitte des Winkel-Sensorelementes hin gerichtet sind und somit einige Feldlinien, die gemäß 1c außen am Winkel-Sensorelement 12 vorbeilaufen würden, das Winkel-Sensorelement 12 noch im Messbereich durchdringen.
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Es soll ferner klargestellt werden, um welche Größenbereiche hinsichtlich der Abmessungen des Winkelsensors es sich hier handelt.
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Der gesamte Winkelsensor einschließlich Gehäuse 22a,b soll im Durchmesser maximal 36 mm und in der axialen Erstreckung maximal 50 mm betragen, noch besser in beiden Richtungen unter 20 mm betragen, was bedeutet, dass beispielsweise der Durchmesser der Zahnräder 1a, b in der Größenordnung von 5 mm liegt und deren axiale Erstreckung zum Teil sogar unter 5 mm liegen wird.
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Dementsprechend beträgt auch der Abstand der Rotationsachsen nur etwas mehr als 5 mm, und damit der lichte Abstand zwischen den beiden Winkel-Sensorelementen 12 noch weniger, so dass klar wird, wie leicht eine wechselseitige Beeinflussung eines Winkel-Sensorelementes 12 durch eine andere, nicht zugeordnete Magneteinheit möglich wird, ohne Maßnahmen zur Flussleitung.
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Bezugszeichenliste
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- 1a,b
- Zahnrad
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Lager
- 4, 4a,b
- Magnet
- 5a,b
- Magneteinheit
- 6
- Verguss/Verklebung
- 7, 7'
- Flussleiterplatte
- 8
- Flussleitertopf
- 9
- Flussleiterring
- 10, 10'
- Rotationsachse
- 11
- Wellenzapfen
- 12
- Winkel-Sensorelement
- 13
- mittlere Feldlinienring
- 14
- äußere Feldlinienring
- 19
- Nutzfluss/ Nutz-Feld
- 20
- Flussaustrittsflächen
- 21
- Abschirmbecher
- 22
- Gehäuse
- 22a
- Gehäuseunterteil
- 22b
- Gehäuseoberteil
- 23
- Lagermagnet
- 24
- Ferrofluid
- 25
- Leiterplatte
- 26
- Haltekugel
- 27
- Zwischenwelle
- 28
- Außenverzahnung
- 29, 29'
- Abstandszahnrad
- 30
- Auswerteelektronik
- 31
- Einzahnrad
