-
Die Erfindung betrifft einen Multiturnsensor nach dem GMR-Prinzip insbesondere zur Erfassung mehrerer Umdrehungen eines Kupplungsaktors mit einer um eine Drehachse fest angeordneten Sensorstruktur mit zumindest einem spiralförmig auf einen Träger angeordneten magnetoresistiven Streifen, wobei jede Windung der Sensorstruktur aus jeweils zwei entgegengesetzt magnetisierbaren Halbbrücken gebildet ist, und zumindest einem auf der Drehachse verdrehbar angeordneten, bei jeweils einer Umdrehung eine Domänenwand in der Sensorstruktur erzeugenden Magnetelement.
-
Gemäß dem GMR-Prinzip (giant magnetoresonance) arbeitende Multiturnsensoren sind zur Erfassung von Umdrehungszahlen, das heißt einer Anzahl von Umdrehungen einer Welle oder eines ähnlichen Bauteils beispielsweise aus den Dokumenten
DE 10 2013 018 680 A1 ,
DE 10 2011 088 710 A1 ,
DE 102 39 904 A1 und
WO95/10020 A1 bekannt. Bei einer Umwandlung der Drehbewegung in eine axiale Bewegung beispielsweise in einem drehangetriebenen Kupplungsaktor kann bei Kenntnis der Übersetzung zudem der axiale Vorschub mittels derartiger Multiturnsensoren ermittelt werden.
-
Gattungsgemäße Multiturnsensoren weisen eine Sensorstruktur mit zumindest einem spiralförmig auf einen Träger aufgebrachten magnetoresistiven, beispielsweise in Dünnschichttechnik aufgebrachten Streifen und gegebenenfalls entsprechende Referenzstreifen auf, wobei jede Windung des Streifens beziehungsweise der Sensorstruktur zwei entgegengesetzt magnetisierbare Halbbrücken aufweist. Hierzu können die einzelnen Windungen aus beispielsweise jeweils rechteckig zueinander angeordneten Schenkeln gebildet sein, deren Windungen ineinander geschachtelte Vierecke bilden. Ein mit der Welle fest verbundenes Magnetelement baut dabei ein drehabhängiges Magnetfeld auf und magnetisiert jeweils die beiden parallel zueinander angeordneten Schenkel einer Windung entgegengesetzt. Die Erfassung einer Umdrehung des Multiturnsensors erfolgt, indem jeweils die Halbbrücken der unterschiedlich magnetisierten Halbbrücken der Schenkel ausgewertet werden. Aufgrund des GMR-Effekts erfolgt die Magnetisierung der Sensorstruktur ohne weitere Energieversorgung durch Ausbildung sogenannter Domänenwände in der Sensorstruktur unter Änderung des Widerstands der Halbbrücken. Ein Rückverdrehen der Welle löscht die ausgebildeten Domänenwände, so dass eine absolute Zuordnung der Widerstände der Halbbrücken der Umdrehungszahl möglich ist. Die Magnetisierung der Sensorstruktur und damit die Ausbildung der Domänenwände ist beispielsweise bis zu 90° des Drehwinkels mit Hysterese behaftet, so dass zu Beginn einer Messung in bestimmten Drehpositionen des Magnetelements unklar ist, ob die Ausbildung einer Domäne bereits stattgefunden hat oder noch unterblieben ist. Die Auflösung eines derartigen Multiturnsensors ist daher auf eine Umdrehung begrenzt. Um die Auflösung zu verbessern, werden dem Multiturnsensor winkelauflösende Drehwinkelsensoren zugeordnet, deren Messbereich zwar auf einen Winkel von 360° begrenzt ist, aber eine exakte Drehwinkelerfassung ermöglichen. Derartige Drehwinkelsensoren, beispielsweise Hallsensoren und dergleichen geben lediglich relative Drehwinkelsignale wieder, so dass der Multiturnsensor und der Drehwinkelsensor miteinander synchronisiert werden müssen. Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Multiturnsensors. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, einen Multiturnsensor mit verbesserter Drehwinkelauflösung vorzuschlagen.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
-
Der vorgeschlagene Multiturnsensor arbeitet nach dem GMR-Prinzip und kann zur Erfassung einer Drehbewegung einer Welle um mehr als 360°, insbesondere der Erfassung mehrerer oder einer Vielzahl von Umdrehungen dienen. Der vorgeschlagene Multiturnsensor ist insbesondere zur Erfassung mehrerer Umdrehungen eines Kupplungsaktors vorgesehen. Hierbei ist ein um eine Drehachse angeordneter Drehantrieb wie beispielsweise ein Elektromotor und eine die Drehbewegung des Rotors des Elektromotors in eine Linearbewegung transformierendes Getriebe mit einer Betätigungsvorrichtung zur axialen Verlagerung eines Betätigungshebels einer Reibungskupplung vorgesehen. Insoweit kann die Erfassung der Anzahl der Umdrehungen mittels des vorgeschlagenen Multiturnsensors unter Einbezug der Übersetzung der Drehbewegung in eine Linearbewegung auch der Erfassung eines linearen Wegs dienen.
-
Der vorgeschlagene Multiturnsensor weist eine um eine Drehachse fest angeordnete Sensorstruktur auf, die beispielsweise in Dünnschichttechnik aus magnetoresisitivem Material gebildet ist. Das Material weist die Eigenschaft auf, dass sich sein Widerstand abhängig von seiner Magnetisierung ändert. Die Sensorstruktur kann aus einem Streifen oder dergleichen gebildet sein, welcher spiralförmig um die Drehachse angeordnet ist. Der Streifen enthält mehrere Windungen, die bevorzugt ineinander geschachtelte Vierecke wie Rechtecke oder Quadrate bilden. Auf diese Weise werden in jeder Windung um die Drehachse angeordnete Schenkel gebildet, die bevorzugt in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Pro Windung können zwei Halbbrücken vorgesehen sein, deren Widerstand beispielsweise von einem Mikroprozessor ausgewertet und gegebenenfalls in einem Speicher abgelegt wird. Zur Magnetisierung der Sensorstruktur sind der Welle drehschlüssig mehrere Magnetelemente beziehungsweise bevorzugt ein Magnetelement zugeordnet, die ein Magnetfeld bevorzugt senkrecht zur Drehachse ausbilden. Bei Verdrehung des zumindest einen Magnetelements um die Drehachse werden die Schenkel der Windungen aufgrund des GMR-Effekts unterschiedlich magnetisiert, so dass in deren Halbbrücken unterschiedliche Widerstände auftreten und erfasst werden. Die Magnetisierung bildet dabei abhängig von der Anzahl der Umdrehungen unterschiedliche Domänenwände in den einzelnen Windungen aus, so dass durch Messung des Widerstands der Halbbrücken der einzelnen Windungen die Zahl der Umdrehungen absolut erfasst werden kann.
-
Um die Hysterese der sich abhängig vom Drehwinkel des Magnetelements ausbildenden Domänenwände und damit des gemessenen Widerstands zu kompensieren und damit die Drehwinkelauflösung des vorgeschlagenen Multiturnsensors zu verbessern, ist zumindest ein vom Drehwinkel des zumindest einen drehenden Magnetelements abhängig schaltender elektrischer Schalter vorgesehen, dessen Schaltflanken auf das Verhalten eines elektrischen Widerstands der Halbbrücken abgestimmt sind. Dies bedeutet, dass die Schaltflanken des zumindest einen Schalters und die Flanken des Widerstands, die durch eine entsprechende, hysteresebedingte Domänenbildung erzeugt werden, aufeinander derart abgestimmt sind, dass einem Schaltzustand ein enger begrenzter Drehwinkel einer idealen Ausbildung einer Domänenwand ohne Hysterese zugeordnet werden kann. Hierbei werden absolute Schaltpositionen des Schalters anhand der Schaltflanken eines durchgängigen und eines sperrenden Zustands des zumindest einen Schalters von einem Mikroprozessor erfasst und einer absoluten Drehposition des zumindest einen Magnetelements zugeordnet. Hierdurch kann die Auflösung des Multiturnsensors abhängig von der Anzahl der verwendeten und gegeneinander bezüglich ihrer Schaltflanken gegeneinander verdrehten Schalter verringert werden. Je nach erwünschter Auflösung des Drehwinkels kann mittels der Verwendung und Auswertung eines oder mehrerer Schalter auf einen relativ messenden Drehwinkelsensor und dessen Synchronisation mit dem Multiturnsensor verzichtet werden. Mit anderen Worten kann eine Erfassung des Drehwinkels eines um die Drehachse verdrehbar angeordneten Bauteils, beispielsweise einer Welle mit dem zumindest einen Magnetelement mittels der Widerstände der Halbbrücken bestimmten Drehwinkels oder einer Umdrehungszahl abhängig vom Schaltzustand des zumindest einen Schalters vorgesehen sein.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Multiturnsensors sind die Schaltflanken eines ersten Schalters auf die Winkelpositionen von Flanken des elektrischen Widerstands der Halbbrücken abgestimmt. Dies bedeutet, dass die Flanken des Widerstands einer oder mehrerer Halbbrücken im Idealzustand der Ausbildung der Domänenwände und die Schaltflanken zusammenfallen, so dass am Drehwinkel der Schaltflanke eine Umdrehung unabhängig davon festgelegt werden kann, ob eine entsprechende Domänenwand mit einem Flankenwechsel des Widerstands aufgrund einer vorgegebenen Hysterese bereits erfolgt ist oder nicht. Es kann daher eine Umdrehung unabhängig von der Hysterese der Ausbildung einer Domänenwand in einem vorgegebenen Drehzahlbereich gezählt werden. Dies trifft insbesondere bei Zuständen des stehenden Magnetelements bei Aufnahme eines Betriebs des Multiturnsensors, beispielsweise bei einem Start eines Kraftfahrzeugs mit einem Kupplungsaktor bei voreingestelltem Kupplungszustand zu, bei dem eine Entscheidung getroffen werden muss, ob eine erste Umdrehung bereits erfolgt ist oder nicht, sofern sich das Magnetelement im Hysteresebereich einer Windung befindet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Multiturnsensors können mehrere Schalter eingesetzt und ausgewertet werden, wobei die Schaltflanken zumindest eines weiteren Schalters auf Winkelpositionen wie Drehwinkeln zwischen den Winkelpositionen wie dem Drehwinkel der Schaltflanken des ersten Schalters eingestellt sind. Auf diese Weise kann im Hysteresebereich jeweils einer Windung die Auflösung des Multiturnsensors weiter verbessert werden. In bevorzugter Weise sind dabei die Schaltflanken mehrerer Schalter bezüglich ihrer Winkelpositionen gleichmäßig über den Umfang verteilt.
-
Der zumindest eine Schalter kann an beliebiger Stelle um die Drehachse angeordnet sein, an dem eine Drehzuordnung zu dem zumindest einen Magnetelement gesichert darstellbar ist. Es hat sich im Sinne einer kompakten und einfachen Anordnung jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn der zumindest eine Schalter in ein Gehäuse des Multiturnsensors integriert ist. Das Gehäuse kann zudem eine Vorortelektronik mit einem Mikroprozessor enthalten, so dass bei entsprechend eingerichteter Energieversorgung die Umdrehungszahl standardisiert ausgegeben werden kann. Alternativ können die erfassten Widerstandssignale der Halbbrücken sowie die Schaltsignale des zumindest einen Schalters in einem extern angeordneten Mikroprozessor verarbeitet und in entsprechende Umdrehungszahlen und Drehwinkel sowie gegebenenfalls eine Axialverlagerung umgewandelt werden.
-
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Multiturnsensors mit Schalter,
- 2 eine schematische Darstellung eines Multiturnsensors mit Schalter und Drehwinkelsensor,
- 3 ein Diagramm der Messsignale des Multiturnsensors der 1 und
- 4 ein Diagramm der Messsignale eines Multiturnsensors mit zwei Schaltern.
-
Die 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung den Multiturnsensor 1 mit der Sensorstruktur 2 und dem Schalter 3, die in einem gemeinsamen Gehäuse 4 untergebracht sind. Die Sensorstruktur 2 ist aus einem an sich bekannten, spiralförmig auf einer Ebene senkrecht zur Drehachse d angeordneten magnetoresistenten Streifen und gegebenenfalls aus einem nicht magnetischen, das heißt hartmagnetischen Referenzstreifen gebildet, die mittels Dünnschichttechnik auf einen Träger, beispielsweise auf eine Platine aufgebracht sind. Die Sensorstruktur 2 ist um die Drehachse d fest angeordnet. An der um die Drehachse d verdrehbar aufgenommenen, um die Drehachse d verdrehbaren Welle 5 ist das Magnetelement 6 angeordnet. Das Magnetelement 6 bildet ein Magnetfeld aus, welches die Sensorstruktur 2 magnetisiert. Abhängig von der Anzahl der Umdrehungen in Richtung des Pfeils 7 werden in den einzelnen Windungen der Sensorstruktur 2 Domänenwände aufgebaut, die bei einer Verdrehung in entgegengesetzte Richtung des Pfeils 7 abhängig von der Anzahl der Umdrehungen wieder abgebaut werden. Die Schenkel sind dabei im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch ausgebildet. Abhängig von den sich ausbildenden Domänenwänden ändert sich der elektrische Widerstand in den einzelnen Windungen, so dass durch Ausbildung von Halbbrücken in den Windungen und die Erfassung der einzelnen Widerstände der Halbbrücken eine Ermittlung der Anzahl der Umdrehungen erfolgen kann. Hierbei magnetisiert das Magnetelement 6 jeweils Schenkel der einzelnen Windungen entgegengesetzt. Durch die reversible Ausbildung und Löschung von Domänenwänden wird die Anzahl der Umdrehungen absolut ermittelt.
-
Die Magnetisierung der Windungen und die Ausbildung der Domänenwände unterliegen einer Hysterese, so dass zwar jeweils eine einzige Umdrehung absolut erfasst werden kann, die Lage wie Drehwinkel oder Drehwinkelposition jedoch nicht exakt vorausgesagt werden kann.
-
Ein Multiturnsensor in allgemeiner Ausbildung ist daher nicht winkelselektiv. Insbesondere bei Beginn einer Messung kann unter Umständen eine Zuordnung einer Umdrehungszahl erst dann erfolgen, wenn eine Umdrehung erfolgt ist.
-
Um die Auflösung des Multiturnsensors 1 zu verbessern, ist der Sensorstruktur 2 der elektrische Schalter 3 zugeordnet, der mit der Drehachse d verdreht wird und zwischen einem durchlässigen und einem sperrenden Zustand wie Schaltzustand abhängig vom Drehwinkel der Drehachse d schaltet. Dabei sind die Schaltflanken des Schalters 3 auf die Flanken eines Widerstands der Windungen im Idealzustand ohne Hysterese abgestimmt. Hierbei zeigt der Schalter 3 im hysteresebehafteten Drehwinkelbereich die Drehposition der Sensorstruktur 2 durch einen Wechsel des Schaltzustands an, so dass die Auflösung auf eine halbe Umdrehung verbessert wird.
-
Die Auswertung der Signale der Halbbrücken und des Schalters 3 erfolgen in dem Mikroprozessor 8. Durch zusätzliche Schalter, die um vorgegebene Drehwinkel gegenüber dem Schalter 3 bezüglich ihrer Schaltflanken versetzt sind, kann eine weitere Verbesserung der Auflösung wie Winkelauflösung des Multiturnsensors 1 erzielt werden.
-
Die 2 zeigt den gegenüber dem Multiturnsensor 1 der 1 erweiterten Multiturnsensor 1a mit der Sensorstruktur 2a, dem Schalter 3a und dem relativ messenden Drehwinkelsensor 9a. Hierdurch wird eine hochauflösende relative Winkelmessung über 360° mittels des Drehwinkelsensors 9a erzielt. Die Zuordnung und Auswertung des Schalters 3a mit der unter 1 beschriebenen Methode ermöglicht eine Auflösung der Umdrehungszahl auf eine halbe Umdrehung. Es versteht sich, dass auch in diesem Ausführungsbeispiel des Multiturnsensors 1a die Auflösung der Umdrehungszahl durch Einsatz mehrerer Schalter erhöht werden kann.
-
Das Diagramm 10 der 3 zeigt unter Bezug auf den Multiturnsensor der 1 die Signalverläufe des Schalters 3 und der Halbbrücken dreier Windungen der Sensorstruktur 2 über die Anzahl n von Umdrehungen der Welle 5. Dabei sind in Teildiagramm I der Verlauf 11 des Schalters 3, in dem Teildiagramm II die entgegengesetzten Verläufe 12, 13 der Halbbrücken einer ersten Windung der Sensorstruktur 2, in dem Teildiagramm III die entgegengesetzten Verläufe 14, 15 der Halbbrücken einer zweiten Windung und in Teildiagramm IV die entgegengesetzten Verläufe 16, 17 der Halbbrücken einer dritten Windung dargestellt. Die Verläufe 12, 13, 14, 15, 16, 17 geben hierbei jeweils die vorliegenden Widerstände als Ströme oder Spannungen einer elektrischen Schaltung wieder. Hierbei zeigen die Verläufe 12, 13 die erste Umdrehung, die Verläufe 14, 15 die zweite Umdrehung und die Verläufe 16, 17 die dritte Umdrehung durch aufeinander folgende Ausbildung von Domänenwänden mit einer Änderung der Widerstände in den jeweiligen Halbbrücken an. Den Verläufen 12, 13, 14, 15, 16, 17 sind jeweils an den Flanken wie Vorzeichenwechseln die Schaltflanken 18, 19 von einem durchgängigen Schaltzustand 20 und einem sperrenden Schaltzustand 21 zugeordnet, so dass eine eindeutige Positionierung der Welle 5 an diesen Positionen festgestellt werden kann. Die Auflösung der Umdrehungszahl kann dabei unabhängig von der Hysterese der Verläufe 12, 13, 14, 15, 16, 17 auf eine halbe Umdrehung absolut festgelegt werden.
-
Die 4 zeigt das Diagramm 22, welches im Unterschied zu dem Diagramm 10 der 3 einen Multiturnsensor mit zwei Schaltern zeigt. Die Schalter sind bezüglich ihrer Schaltflanken um einen Drehwinkel von 90° versetzt angeordnet, so dass deren Verläufe 23, 24 mit den Schaltflanken 25, 26, 27, 28 gegeneinander um 90° versetzt sind, so dass eine Auflösung der Umdrehungszahl auf eine viertel Umdrehung herabgesetzt werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Multiturnsensor
- 1a
- Multiturnsensor
- 2
- Sensorstruktur
- 2a
- Sensorstruktur
- 3
- Schalter
- 3a
- Schalter
- 4
- Gehäuse
- 5
- Welle
- 6
- Magnetelement
- 7
- Pfeil
- 8
- Mikroprozessor
- 9a
- Drehwinkelsensor
- 10
- Diagramm
- 11
- Verlauf
- 12
- Verlauf
- 13
- Verlauf
- 14
- Verlauf
- 15
- Verlauf
- 16
- Verlauf
- 17
- Verlauf
- 18
- Schaltflanke
- 19
- Schaltflanke
- 20
- Schaltzustand
- 21
- Schaltzustand
- 22
- Diagramm
- 23
- Verlauf
- 24
- Verlauf
- 25
- Schaltflanke
- 26
- Schaltflanke
- 27
- Schaltflanke
- 28
- Schaltflanke
- d
- Drehachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013018680 A1 [0002]
- DE 102011088710 A1 [0002]
- DE 10239904 A1 [0002]
- WO 9510020 A1 [0002]
