DE102016222169A1

DE102016222169A1 - Drehwinkelmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102016222169A1
Application number: DE102016222169.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schäfer; Shankar Ravindran; Ritesh Kumar
Original assignee: HARTMANN EXACT KG; Hartmann-exact KG
Current assignee: HARTMANN EXACT KG; Hartmann-exact KG
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17
Also published as: DE112017008186A5; WO2018087269A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelmesseinrichtung (10) zur Messung einer Rotation eines Prüfelements (12) über einen Messbereich, der mehr als eine ganze Umdrehung des Prüfelements (12) umfasst, mit einem Magnetelement (14), das ein Magnetfeld erzeugt, mit einem Magnetfeldsensor (20), der derart in der Nähe des Magnetelements (14) angeordnet ist, dass der Magnetfeldsensor (20) das von dem Magnetelement (14) erzeugte Magnetfeld messen kann, und mit einer Kopplungseinrichtung (22), die die Rotation des Prüfelements (12) mit einer Bewegung des Magnetelements (14) koppelt.Um die Kosten der Drehwinkelmesseinrichtung zu reduzieren wird vorgeschlagen, dass der Magnetfeldsensor (20) ein 2D-Magnetfeldsensor, der einen zweidimensionalen Magnetfeldvektor messen kann, oder ein 3D-Magnetfeldsensor ist, der einen drei dimensionalen Magnetfeldvektor messen kann, und dass die Kopplungseinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass das Magnetelement (14) bei Rotation des Prüfelements (12) um eine Prüfelementachse (16) eine Rotation um eine Magnetelementrotationsachse (18) und eine Translation in Richtung der Magnetelementrotationsachse (18) relativ zu dem Magnetfeldsensor (20) durchführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelmesseinrichtung zur Messung einer Rotation eines Prüfelements über einen Messbereich, der mehr als eine ganze Umdrehung des Prüfelements umfasst, mit einem Magnetelement, das ein Magnetfeld erzeugt, mit einem Magnetfeldsensor, der derart in der Nähe des Magnetelements angeordnet ist, dass der Magnetfeldsensor das von dem Magnetelement erzeugte Magnetfeld messen kann, und mit einer Kopplungseinrichtung, die die Rotation des Prüfelements mit einer Bewegung des Magnetelements koppelt, insbesondere gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Drehwinkelmesseinrichtungen können vielfältig eingesetzt werden. Beispielsweise werden für die Servounterstützung der Lenkbewegung in Kraftfahrzeugen solche Drehwinkelsensoren benötigt. Beim Einsatz als sogenannte Lenkwinkelsensoren müssen die Drehwinkelmesseinrichtungen mehr als eine ganze Umdrehung des Prüfelements messen können.
Aus dem Stand der Technik ist daher bekannt, die Daten aus mehreren Sensoren, beispielsweise zwei, auszuwerten, um beispielsweise mit dem ersten Sensor die Drehposition in einem Bereich von 0 bis 360 Grad zu messen und aus den Daten des zweiten Sensors, der in einem zweiten örtlich getrennten IC-Gehäuse ausgebildet ist, zu bestimmen in welcher Umdrehung das Prüfelement tatsächlich ist. Diesen Verfahren ist gemein, dass mehr als ein Sensor verwendet werden muss, um die Drehung des Prüfelements über einen Messbereich bereitzustellen, der mehr als eine Umdrehung des Prüfelements umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform einer Drehwinkelmesseinrichtung bereitzustellen, die sich insbesondere durch eine geringere Anzahl an benötigten Sensoren auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Daten eines Magnetfeldsensors auszuwerten, um aus dem gemessenen Magnetfeld die Relativlage eines an dem Prüfelement angeordneten Magnetelements relativ zu dem Sensor zu bestimmen. Dabei wird insbesondere eine Winkelposition zwischen 0 und 360 Grad und eine Translationsposition entlang der Rotationsachse aus dem Magnetfeld bestimmt. Dadurch kann der Messbereich vergrößert werden. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor ein 2D-Magnetfeldsensor, der einen zweidimensionalen Magnetfeldvektor messen kann, oder ein 3D-Magnetfeldsensor ist, der einen dreidimensionalen Magnetfeldvektor messen kann, und dass die Kopplungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass das Magnetelement bei Rotation des Prüfelements um eine Prüfelementachse eine Rotation um eine Magnetelementrotationsachse und eine Translation in Richtung der Magnetelementrotationsachse, also parallel zur Magnetelementrotationsachse relativ zum Magnetfeldsensor durchführt. Dadurch, dass sowohl die Rotationslage als auch die Translationslage des Magnetelements mit Hilfe des Magnetfeldsensors bestimmt werden können, kann auf den tatsächlichen Drehwinkel des Prüfelements geschlossen werden. Da die Kopplungseinrichtung eine Translation des Magnetelements entlang der Magnetelementrotationsachse bewirkt, kann durch die axiale Position in Richtung der Magnetelementrotationsachse bestimmt werden, in welchem Umdrehungsumlauf sich das Prüfelement befindet.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einem „2D Magnetfeldsensor“ ein Magnetfeldsensor verstanden, der die magnetischen Flussdichtekomponenten des Magnetfelds in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen messen kann.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einem „3D Magnetfeldsensor“ ein Magnetfeldsensor verstanden, der die magnetischen Flussdichtekomponenten des Magnetfelds in mindestens drei senkrecht zueinander stehenden Richtungen messen kann. Daher sind auch zwei 2D-Magnetfeldsensoren, die in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnet sind, ein 3D Magnetfeldsensor im Sinne der Erfindung, wenn die beiden 2D-Magnetfeldsensoren derart zueinander angeordnet sind, dass sie die magnetischen Flussdichtekomponenten des Magnetfelds in mindestens drei senkrecht zueinander stehenden Richtungen messen können.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „Magnetfeldkomponente“ und „magnetische Flussdichtekomponente“ als Synonym betrachtet, und bezeichnen die physikalische Größe, die durch den Magnetfeldsensor gemessen wird.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen beziehen sich die Begriffe „radial“, „axial“ und „Umfangsrichtung“ bzw. „tangential“ auf die Magnetelementrotationsachse.
Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Magnetfeldsensor radial versetzt zu der Magnetelementrotationsachse angeordnet ist. Dadurch kann der Magnetfeldsensor die im Randbereich des Magnetelements auftretenden axialen Magnetfeldkomponenten messen. Dadurch kann auf die Lage des Magnetelements relativ zum Magnetfeldsensor entlang der Magnetelementrotationsachse geschlossen werden.
Eine zweckmäßige Möglichkeit sieht vor, dass der Magnetfeldsensor derart ausgerichtet ist, dass eine erste Messachse des Magnetfeldsensors im Wesentlichen parallel zu der Magnetelementrotationsachse ausgerichtet ist. Durch die Ausrichtung des Magnetfeldsensors derart, dass eine erste Messachse des Magnetfeldsensors im Wesentlichen parallel zu der Magnetelementrotationsachse ausgerichtet ist, vereinfacht sich die Auswertung des Messsignals des Magnetfeldsensors.
Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass eine zweite Messachse des Magnetfeldsensors im Wesentlichen radial zur Magnetelementachse ausgerichtet ist Eine derartige Ausrichtung des Magnetfeldsensors erleichtert die Auswertung der Messdaten des Magnetfeldsensors.
Eine weitere zweckmäßige Lösung sieht vor, dass eine dritte Messachse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Messachse und der zweiten Messachse ausgerichtet ist. Dadurch kann eine tangentiale Ausrichtung der dritten Messachse erzielt werden, die wiederum die Auswertung der Daten erleichtert.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen bedeutet „im Wesentlichen parallel“ eine Abweichung von ± 10 Grad zu „parallel“. Des Weiteren bedeutet in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen „im Wesentlichen radial“ eine Abweichung von ± 10 Grad von „radial“. Dabei bedeutet „radial“ senkrecht zur und in Verlängerung schneidend mit der Bezugsachse. Ferner heißt in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen „im Wesentlichen senkrecht“ eine Abweichung von ± 10 Grad zu „senkrecht“.
Eine besonders zweckmäßige Möglichkeit sieht vor, dass das Magnetelement bezogen auf die Magnetelementrotationsachse nicht rotationssymmetrisch magnetisiert ist. Dadurch ändert sich das Magnetfeld, wenn das Magnetelement sich um die Magnetelementrotationsachse dreht, sodass aus dem gemessenen Magnetfeld auf die rotatorische Lage den Magnetelements geschlossen werden kann.
Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass das Magnetelement bezogen auf die Magnetelementrotationsachse diametral magnetisiert ist. Das heißt, die Magnetisierungsrichtung ist im Wesentlichen senkrecht zu der Magnetelementrotationsachse. Durch die diametrale Magnetisierung kann die Rotation des Magnetelements sehr einfach durch den Magnetfeldsensor erfasst werden. In Kombination mit der entsprechenden Ausrichtung des Magnetfeldsensors ergibt sich somit eine äußerst einfache Auswertung der Daten des Magnetfeldsensors.
Eine zweckmäßige Variante sieht vor, dass das Magnetelement mehr als zwei, beispielsweise vier, Magnetpole aufweist und dass die Magnetpole an einer radial außenliegenden Fläche liegen. Dadurch kann eine höhere Auflösung der Rotationsmessung erzielt werden. Der gemessene Magnetfeldvektor rotiert dadurch um ein ganzzahliges vielfaches schneller als das Magnetelement. Bei vier Magnetpolen rotiert der gemessene Magnetfeldvektor doppelt so schnell wie das Magnetelement.
Eine weitere zweckmäßige Variante sieht vor, dass das Magnetelement mehr als zwei, beispielsweise vier Magnetpole aufweist, und dass die Magnetpole an axial außenliegenden Flächen liegen. Auch dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht werden.
Eine weitere besonders zweckmäßige Variante sieht vor, dass das Magnetelement mehr als zwei, beispielsweise vier Magnetpole aufweist, und dass die Magnetpole an derselben axial außenliegenden Fläche liegen. Dadurch erstreckt sich das Magnetfeld des Magnetelements hauptsächlich im Bereich des Endes, an dem die Magnetpole liegen. Somit können ungewollte Effekte des Magnetfeldes auf der den Magnetpolen abgewandten Seite verringert werden.
Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass das Magnetelement eine Magnetisierungsstärke aufweist, die in axialer Richtung variiert. Dadurch kann das von dem Magnetelement erzeugte Magnetfeld beeinflusst werden. Insbesondere die Magnetfeldstärke und die Magnetfeldrichtung im Bereich der axialen Enden beeinflusst werden. Somit lässt sich die Genauigkeit der Bestimmung der axialen Position des Magnetelements relativ zu dem Magnetfeldsensor verbessern.
Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass das Magnetelement an axialen Enden des Magnetelements eine geringere radiale Ausdehnung aufweist als in einem Beriech zwischen den axialen Enden des Magnetelements. Durch diese bauchige Form des Magnetelements sind die Magnetfeldlinien im Bereich der axialen Enden des Magnetelements nach außen geneigt, so dass dadurch die Genauigkeit der Bestimmung der axialen Position des Magnetelements relativ zu dem Magnetfeldsensor verbessert werden kann.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Drehwinkelmesseinrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie aus den Messwerten des Magnetfeldsensors den Rotationswinkel des Magnetelements um die Magnetelementrotationsachse bestimmen kann und bestimmt, und dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie aus den Messwerten des Magnetfeldsensors zumindest im Messbereich eine axiale Position des Magnetelements entlang der Magnetelementrotationsachse bestimmen kann und bestimmt. Somit kann mit Hilfe der Auswerteeinrichtung sowohl der Rotationswinkel des Prüfelements bestimmt werden und über die axiale Position des Magnetelements kann erkannt werden, in welchem Umdrehungsumlauf sich das Prüfelement befindet. Dadurch kann eine Messung des Drehwinkels des Prüfelements über mehr als eine ganze Umdrehung erreicht werden.
Eine zweckmäßige Lösung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung den Rotationswinkel des Magnetelements aus dem Rotationswinkel des gemessenen Magnetfeldvektors bestimmt. Mit Kenntnis der Magnetisierung kann aus dem Rotationswinkel des gemessenen Magnetfeldwinkels auf den Rotationswinkel des Magnetelements geschlossen werden.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ist eine Winkelbestimmungsfunktion F definiert durch: $F (x,y) = arctan (x/y), wenn y > 0 und arctan (x/y) + 180°, wenn y < 0$
Das heißt, wenn y größer Null ist, werden die Werte -90° bis +90° ausgegeben, und wenn y kleiner Null ist, werden die Werte 90° bis 270° ausgegeben. Dadurch kann eine volle Umdrehung von 360° gemessen werden. Gegebenenfalls können die Werte von 180° bis 270° auf die äquivalenten Werte -180° bis -90° übersetzt werden, so dass Werte von -180 bis 180° ausgegeben werden.
Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung den Rotationswinkel des gemessenen Magnetfeldvektors durch F(Bx, Bz) bestimmt, wobei Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse liegt und Bz die Magnetfeldkomponente ist, die tangential zur Magnetelementrotationsachse liegt. Alternativ kann der Rotationswinkel des Magnetfeldvektors durch F(Bz, Bx) gebildet werden.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie aus einer Richtung des gemessenen Magnetfeldvektors die axiale Position des Magnetelements bestimmen kann und bestimmt. Je weiter der Magnetfeldsensor sich von einer Magnetisierungsachse des Magnetelements entlang der Magnetelementrotationsachse entfernt, desto stärker ist das Magnetfeld gegenüber der Ebene geneigt, die senkrecht zur Magnetelementrotationsachse verläuft. Somit ist die Richtung bzw. der Winkel des Magnetfeldes ein Maß für die axiale Relativlage zwischen dem Magnetelement und dem Magnetfeldsensor.
Eine günstige Variante sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch die Winkelbestimmungsfunktion F(By, Bx) bestimmt, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementrotationsachse ist, und Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse liegt. Der derart erhaltene Winkel ist ein Maß für die axiale Position des Magnetelements. Zwar springt der derart ermittelte Winkel um 180°, wenn die Magnetfeldkomponenten By und Bx aufgrund der Rotation des Magnetelements das Vorzeichen wechseln. Allerdings können die Sprungstellen durch die Kenntnis des Rotationswinkels des Magnetfeldes erkannt und berücksichtigt werden.
Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch die Winkelbestimmungsfunktion F(By, |Bx|) oder durch die Bildung des Arkustangens(By/Bx) bestimmt, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementrotationsachse ist, und Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse liegt. Der derart erhaltene Winkel ist ein Maß für die axiale Position des Magnetelements. Zwar wechselt der derart ermittelte Winkel sein Vorzeichen, wenn die Magnetfeldkomponenten By aufgrund der Rotation des Magnetelements das Vorzeichen wechseln. Allerdings können die Sprungstellen durch die Kenntnis des Rotationswinkels des Magnetfeldes erkannt und berücksichtigt werden.
Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch die Winkelbestimmungsfunktion F(|By|, |Bx|) oder durch die Bildung des Arkustangens(|By|/|Bx|) bestimmt, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementrotationsachse ist, und Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse liegt. Der derart erhaltene Winkel ist ein Maß für die axiale Position des Magnetelements. Zwar ist der derart bestimmbare Winkelbereich auf 0 bis 90° beschränkt, allerding kann unter Berücksichtigung des Vorzeichens von By und des Rotationswinkels des Magnetfeldes der Winkelbereich auf insgesamt 180° oder sogar auf 360° erweitert werden.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch Berechnung der Winkelbestimmungsfunktion F(By, √(Bz²+Bx²)) bestimmt, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementachse ist, und Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementachse liegt, und Bz die Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zu By und Bx liegt. Dadurch wird der Winkel des Magnetfelds relativ zu der Ebene, die senkrecht zur Magnetelementrotationsachse liegt, bestimmt. Der somit ermittelte Winkel variiert zwar bei Rotation des Magnetfeldes um die Magnetelementrotationsache, allerdings kann dennoch aus dem derart bestimmten Winkel unter Berücksichtigung des Rotationswinkels des Magnetfeldes um die Magnetelementrotationsachse auf die axiale Position des Magnetelements zu dem Magnetfeldsensor geschlossen werden. Dazu kann beispielsweise eine Look-Up-Tabelle angelegt werden, in welcher die aufgrund der mechanischen Kopplung zwischen Rotation und Translation des Magnetelements erwarteten Werte für den derart ermittelten Winkel abhängig von dem Rotationswinkel und dem Umdrehungsumlauf aufgelistet sind.
Eine günstige Möglichkeit sieht vor, die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung in einem Winkelberiech des Rotationswinkels des Magnetfeldes, in welchem die erwarteten Werte für By und Bx klein sind, statt aus dem Winkel aus einem Absolutwert des gemessenen Magnetfeldvektors die axiale Position des Magnetelementes bestimmen kann und bestimmt. Dadurch können Fehler vermieden werden, die in diesem Bereich auftreten könnten, da Signal-Rauschverhältnis in diesem Bereich ungünstig ist. Dieser Bereich erstreckt sich beispielsweise bezogen auf den Rotationswinkel des Magnetfeldes ungefähr von -10° bis 10° um die erwartete Nullstelle von By und Bx, vorzugsweise ungefähr von -5° bis 5°.
Eine weiterte günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung in einem Winkelberiech des Rotationswinkels des Magnetfeldes, in welchem die erwarteten Werte für By und Bx klein sind, auf gespeicherte Messwerte bzw. axiale Positionen oder Umdrehungsumläufe, die ermittelt wurden, bevor das Magnetfeld in diesen Winkelbereich eingetreten ist. Dieser Bereich erstreckt sich beispielsweise bezogen auf den Rotationswinkel des Magnetfeldes ungefähr von -10° bis 10° um die erwartete Nullstelle von By und Bx, vorzugsweise ungefähr von -5° bis 5°. Dadurch, dass dieser Bereich relativ klein ist und dadurch, dass aus der axialen Lage nur ermittelt werden muss, in welchem Umdrehungsumlauf sich das Magnetelement befindet, sind die gespeicherten Werte genau genug. Zur Speicherung der Werte kann vorzugsweise ein nicht flüchtiger Speicher verwendet werden, der beispielsweise als Stack oder Queue ausgebildet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet sein, dass eine Ableitung der Winkelbestimmungsfunktion bestimmt und ausgewertet wird, um die Sprungstelle des Winkelbestimmungsfunktion zu erkennen und die Werte entsprechend zu interpretieren.
Eine zweckmäßige Variante sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung aus einem Absolutwert des gemessenen Magnetfeldvektors die axiale Position des Magnetelementes bestimmen kann und bestimmt. Ein Absolutwert des Magnetfeldvektors ist dabei der Betrag einer der Feldstärkekomponenten des Magnetfeldvektors oder die aus dem Magnetfeldvektor bestimmte Feldstärke. Dadurch kann ein Rückschluss auf den Abstand des Magnetfeldsensor zu dem Magnetelement gezogen werden, so dass auf die axiale Position geschlossen werden kann und damit erkannt werden kann in welchem Umdrehungsumlauf sich das Prüfelement befindet.
Eine weitere zweckmäßige Variante sieht vor, dass eine Temperaturkompensation vorgesehen ist. Vorzugsweise wird die Temperaturabhängigkeit der Auswerteeinrichtung, des Magnetfeldsensors und/oder des von dem Magnetelement erzeugtem Magnetfeld kompensiert. Dazu sind mindestens ein, vorzugsweise zwei Temperatursensoren, vorgesehen, die die Temperatur an der Auswerteeinrichtung, dem Magnetfeldsensor und/oder dem Magnetelement messen kann.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung zumindest zum Teil in einem gemeinsamen IC mit dem Magnetfeldsensor ausgebildet ist, und dass vorzugsweise die Auswerteeinrichtung zumindest zum Teil auf einem gemeinsamen Die mit dem Magnetfeldsensor ausgebildet ist. Dadurch wird lediglich ein einzelnes elektronisches Bauelement benötigt, um sowohl den dreidimensionalen Magnetfeldsensor als auch die Auswerteeinrichtung zu bilden. Dadurch kann die Anzahl der insgesamt benötigten elektronischen Komponenten reduziert werden, wodurch Kosten reduziert werden können.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einem „Die“ ein Stück eines Halbleiterwafers verstanden, auf welchem elektronische Schaltkreise ausgebildet sind. Ein „Die“ ist insbesondere ein zusammenhängendes Stück des Halbleiterwafers.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Kopplungseinrichtung einen Magnetelementträger aufweist, an welchem das Magnetelement gehalten ist, dass die Kopplungseinrichtung einen Anker aufweist, der ortsfest zu dem Magnetsensor angeordnet ist und der ein erstes Getriebeelement aufweist, und dass der Magnetelementträger ein zweites Getriebeelement aufweist, das in das zweite Getriebeelement eingreift. Wenn sich nun der Magnetelementträger zusammen mit dem Magnetelement um die Magnetelementrotationsachse dreht, werden der Magnetelementträger und damit auch das Magnetelement aufgrund der beiden Getriebeelemente eine Translation in Richtung der Magnetelementrotationsachse durchführen. Somit ist die Rotation des Magnetelements um die Magnetelementrotationsachse mit der Translation des Magnetelements entlang der Magnetelementrotationsachse gekoppelt. Dadurch kann auch durch die Bestimmung der axialen Lage in Richtung der Magnetelementrotationsachse ermittelt werden, in welchem Umdrehungsumlauf sich die Rotation des Magnetelements befindet. Beispielsweise können das erste und das zweite Getriebeelement durch Gewinde oder durch Führungsnuten und Gleitsteine gebildet sein.
Eine weitere besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der Anker einen hülsenförmigen Abschnitt aufweist, und dass das erste Getriebeelement ein Innengewinde oder ein Außengewinde ist. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass der Anker einen Gewindestab aufweist, und dass das erste Getriebeelement ein Außengewinde ist. Entsprechend ist dann das zweite Getriebeelement an dem Magnetelementträger ein Innengewinde, wenn das erste Getriebeelement ein Außengewinde ist oder ein Außengewinde, wenn das erste Getriebeelement ein Innengewinde ist. Dadurch können diese ineinander greifen und somit die gewünschte Kopplung zwischen Rotation und Translation des Magnetelements bewirken.
Eine günstige Lösung sieht vor, dass die Kopplungseinrichtung ein erstes Kopplungselement, das an dem Prüfelement angeordnet oder ausgebildet ist, und ein zweites Kopplungselement aufweist, das an dem Magnetelementträger oder dem Magnetelement angeordnet und ausgebildet ist, und dass das erste Kopplungselement und das zweite Kopplungselement derart ineinander greifen, dass eine Rotation des Prüfelements zu dem Magnetelementträger übertragen wird, und gleichzeitig eine Translation des ersten Kopplungselements zu dem zweiten Kopplungselement zugelassen ist. Dadurch, dass die Rotation vom Prüfelement auf den Magnetelementträger übertragen wird, kann aus der Rotationsposition des Magnetelements auf den Drehwinkel des Prüfelements geschlossen werden. Die Freihaltung der Translation zwischen den beiden Kopplungselementen erlaubt es, dass sich der Magnetelementträger und damit das Magnetelement axial bewegen können, wodurch die Erkennung von mehreren Umläufen ermöglicht wird.
Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass das erste Kopplungselement mehrere sich axial erstreckende Stifte aufweist, dass das zweite Kopplungselement sich axial erstreckende Ausnehmungen an dem Magnetelementträger aufweist, dass die Stifte in die die in sich axial erstreckenden Ausnehmungen an dem Magnetelementträger greifen, wobei die Ausnehmungen und die Stifte bezogen auf die Magnetelementrotationsachse radial nach außen versetzt angeordnet sind, und dass die Stifte eine axiale Ausdehnung aufweisen, die eine axiale Verschiebung des zweiten Kopplungselements relativ zu dem ersten Kopplungselement ermöglicht. Dadurch ergibt sich eine rotatorische Kopplung zwischen dem ersten Kopplungselement und dem zweiten Kopplungselement. Insbesondere ist die axiale Ausdehnung der Stifte groß genug, um den gewünschten Messbereich abdecken zu können.
Eine weitere besonders günstige Lösung sieht vor, dass das erste Kopplungselement einen axialen Zapfen aufweist, dass das zweite Kopplungselement eine Ausnehmung an dem Magnetelementträger aufweist, dass der Zapfen in die Ausnehmung eingreift, wobei die Ausnehmung und der Zapfen nicht rotationssymmetrisch sind, so dass eine formschlüssige Drehmomentübertragung zwischen dem Zapfen und der Ausnehmung möglich ist, und dass der Zapfen eine axiale Ausdehnung aufweisen, die eine axiale Verschiebung des zweiten Kopplungselements relativ zu dem ersten Kopplungselement ermöglicht. Dadurch ergibt sich eine rotatorische Kopplung zwischen dem ersten Kopplungselement und dem zweiten Kopplungselement. Insbesondere ist die axiale Ausdehnung der Stifte groß genug, um den gewünschten Messbereich abdecken zu können.
Eine zweckmäßige Lösung sieht vor, dass das erste Kopplungselement und das zweite Kopplungselement Zahnräder sind, die ineinander greifen, wobei zumindest eines der beiden Zahnräder eine axiale Ausdehnung aufweist, die eine axiale Verschiebung des zweiten Kopplungselements relativ zu dem ersten Kopplungselement ermöglicht. Dadurch, dass eines der Zahnräder eine axiale Überlänge aufweist, kann zumindest über die Länge dieses Zahnrads das andere Zahnrad verschoben werden und somit eine axiale Verschiebung ermöglicht werden. Insbesondere ist die axiale Ausdehnung zumindest eines der beiden Zahnräder groß genug, um den gewünschten Messbereich abdecken zu können.
Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass der Magnetelementträger eine Trägerplatte aufweist, die eine zentrale Ausnehmung aufweist, durch welche das Prüfelement greift, dass das zweite Kopplungselement durch die zentrale Ausnehmung in der Trägerplatte des Magnetelementträgers gebildet ist, dass das erste Kopplungselement durch einen Abschnitt des Prüfelements gebildet ist, der durch die Ausnehmung in der Trägerplatte greift, und dass das erste Kopplungselement mehrere sich axial erstreckende Nuten oder Federn aufweist, die mit komplementären Nuten oder Federn des zweiten Kopplungselements zusammenwirken, um eine Rotationssperre zwischen dem Prüfelement und dem Magnetelementträger zu erzielen. Durch die Verwendung von Nuten oder Federn, kann sowohl die Rotation übertragen werden, als auch eine axiale Verschiebung der beiden Kopplungselemente zueinander ermöglicht werden. Es versteht sich, dass eine Verzahnung am ersten und zweiten Kopplungselement, die jeweils eine gleiche Anzahl an Zähnen aufweist, ebenfalls als eine Mehrzahl an Nuten und Federn im Sinne der Erfindung ist.
Eine zweckmäßige Anwendung sieht vor, dass das Prüfelement eine Lenksäule eines Kraftfahrzeugs ist. Dadurch kann die Drehwinkelmesseinrichtung als Lenkwinkelsensor verwendet werden. Es versteht sich, dass auch eine Position eines Steuerrades eines Wasserfahrzeugs bestimmt werden kann, um die Steuerung des Ruders zu unterstützen. Es versteht sich, dass andere Steuerungseinrichtungen für Fahrzeuge, wie beispielsweise ein Ruder eines Wasserfahrzeugs, ebenfalls überwacht werden können.
Eine weitere zweckmäßige Anwendung sieht vor, dass das Prüfelement eine Rollachse eines Rolltor, Rollladens oder eines Rollgitters ist.
Eine besonders zweckmäßige Anwendung sieht vor, dass das Prüfelement ein Teil eines Ventils ist, insbesondere ein Ventilkörper des Ventils. Dadurch kann der Zustand des Ventils mittels der Drehwinkelmesseinrichtung überwacht werden.
Eine weitere besonders zweckmäßige Anwendung sieht vor, dass das Prüfelement ein Teil einer motorisierten Sitzverstellung ist. Dadurch kann die Position des Sitzes oder einer Antriebsspindel durch die Drehwinkelmesseinrichtung bestimmt werden.
Eine vorteilhafte Anwendung sieht vor, dass das Prüfelement eine Antriebsspindel eines Stellantriebes ist. Dadurch kann die genaue Position der Antriebsspindel und damit die Position des angetriebenen Elements berührungslos gemessen werden. Solche Stellantriebe werden beispielsweise bei elektrisch verstellbaren Sitzen, bei elektrisch verstellbaren Spiegeln oder bei elektrisch einstellbaren, insbesondere höhenverstellbaren, Fahrwerken eingesetzt.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung sieht vor, dass das Prüfelement ein Bohrkopf, beispielsweise eines Roboters, ist. Dadurch kann beispielsweise beim Gewindeschneiden eine exakte Anzahl an Gewindegängen geschnitten werden. Des Weiteren kann die Drehwinkelmesseinrichtung bei Optiken zur Unterstützung der Fokussierung und/oder des Zoomens verwendet werden.
Eine günstige Anwendung sieht vor, dass das Prüfelement eine Einstellachse eines berührungslosen Potentiometers ist. Durch die Drehwinkelmesseinrichtung kann die Lage der Einstellachse bestimmt werden und entsprechend ein elektrischer Widerstand eingestellt werden oder eine andere zugeordnete Funktion ausgeführt werden.
Eine besonders zweckmäßige Variante sieht vor, dass ein weiteres Magnetelement vorgesehen ist, das in axialer Richtung versetzt zu dem ersten Magnetelement angeordnet ist und rotatorisch mit dem Prüfelement gekoppelt ist, dass ein weiterer Magnetfeldsensor vorgesehen ist, der das von dem weiteren Magnetelement erzeugte Magnetfeld messen kann, dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, das die Auswerteeinrichtung aus den von den beiden Magnetfeldsensoren gemessenen Magnetfeldern Rotationswinkel der Magnetelemente bestimmt, und daraus eine Torsion des Prüfelements bestimmt. Aus der Torsion des Prüfelements kann ein von dem Prüfelement übertragenes Drehmoment bestimmt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 eine Längsschnittdarstellung durch eine Drehwinkelmesseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine Schnittdarstellung durch die Drehwinkelmesseinrichtung aus 1, wobei das Prüfelement eine andere Drehposition eingenommen hat,
3 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Drehwinkelmesseinrichtung,
4 eine Prinzipskizze mit einem Magnetelement und einem Magnetfeldsensor, wobei das Magnetelement gegenüber der in 3 dargestellten Anordnung um 90° gedreht ist,
5-7 mehrere Prinzipskizzen zur Veranschaulichung der Messung der axialen Position mit Hilfe des Magnetelements und des Magnetfeldsensors,
8 ein Diagramm mit Ausgangssignalen des dreidimensionalen Magnetfeldsensors, wobei oben der Arkustangens arctan (By/Bx) dargestellt ist und unten der Drehwinkel des Magnetelements,
9 ein Längsschnitt durch eine Drehwinkelmesseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
10 eine Längsschnitt durch eine Drehwinkelmesseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
11 ein Längsschnitt durch eine Drehwinkelmesseinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform,
12 ein Diagramm, wobei die Magnetisierungsstärke eines ersten alternativen Magnetelements entlang der axialen Richtung dargestellt ist,
13 ein Längsschnitt durch ein zweites alternatives Magnetelement 14,
14 eine perspektivische Darstellung eines dritten alternativen Magnetelements.
15 eine Aufsicht auf das Magnetelement aus 14,
16 eine perspektivische Darstellung eines vierten alternativen Magnetelements, und
17 eine Aufsicht auf das Magnetelement aus 16.

Eine in den 1 bis 8 dargestellte Drehwinkelmesseinrichtung 10 weist ein Prüfelement 12 auf, dessen Drehwinkel mit Hilfe der Drehwinkelmesseinrichtung 10 bestimmt werden kann. Dazu weist die Drehwinkelmesseinrichtung 10 ein Magnetelement 14 auf, das mit dem Prüfelement 12 gekoppelt ist. Die Kopplung erfolgt dabei derart, dass eine Drehung des Prüfelements 12 um eine Prüfelementachse 16 zu einer Rotation des Magnetelements 14 um eine Magnetelementrotationsachse 18 und zu einer Translation des Magnetelements 14 entlang der Magnetelementrotationsachse 18 führt. Vorzugsweise verlaufen die Prüfelementachse 16 und die Magnetelementrotationsachse 18 parallel zueinander. Bei der in den 1 bis 8 dargestellten Ausführungsform liegen die Prüfelementachse 16 und die Magnetelementrotationsachse 18 aufeinander.
Das Magnetelement 14 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch, beispielsweise hülsenförmig ausgebildet. Die Magnetisierung des Magnetelements 14 ist dabei im Wesentlichen diametral. Das heißt, die Magnetisierungsachse verläuft senkrecht zur Rotationssymmetrieachse, die gleichbedeutend mit der Magnetelementrotationsachse 18 ist. Andere Magnetisierungen, insbesondere Multipolmagnetisierungen, sind ebenfalls möglich.
Ferner weist die Drehwinkelmesseinrichtung 10 einen Magnetfeldsensor 20 auf, welcher derart angeordnet ist, dass er das Magnetfeld, das von dem Magnetelement 14 erzeugt wurde, messen kann. Das heißt, der Magnetfeldsensor 20 ist nah genug an dem Magnetelement 14 angeordnet, dass das durch das Magnetfeld erzeugte Messsignal im Magnetfeldsensor 20 größer ist als Störgrößen, wie beispielsweise das Messrauschen.
Ferner umfasst die Drehwinkelmesseinrichtung 10 eine Kopplungseinrichtung 22, mit welcher die Bewegungen des Magnetelements 14 zu der Bewegung des Prüfelements 12 gekoppelt wird. Die Kopplungseinrichtung 22 weist einen Anker 24 auf, der ortsfest zu dem Magnetfeldsensor 20 angeordnet ist.
Der Anker 24 weist ein erstes Getriebeelement 26 auf, das zusammen mit einem zweiten Getriebeelement 28 bei Rotation des Magnetelements 14 um die Magnetelementrotationsachse 18 eine Translation des Magnetelements 14 entlang der Magnetelementrotationsachse 18 bewirkt.
Ferner weist die Kopplungseinrichtung 22 einen Magnetelementträger 30 auf, an welchem das Magnetelement 14 gehalten. Der Magnetelementträger 30 trägt das zweite Getriebeelement 28, das zusammen mit dem ersten Getriebeelement 26 des Ankers 24 zusammenwirkt. Beispielsweise ist das erste Getriebeelement 26 am Anker durch ein Außengewinde am Anker 24 gebildet. Entsprechend ist das zweite Getriebeelement 28 beispielsweise als Innengewinde am Magnetelementträger 30 ausgebildet. Die somit durch das erste Getriebeelement 26 und das zweite Getriebeelement 28 gebildete Verschraubung bewirkt bei Rotation des Magnetelements 14 und damit des Magnetelementträgers 30 eine Translation entlang der Magnetelementrotationsachse 18.
Die Kopplungseinrichtung 22 weist ferner ein erstes Kopplungselement 32 und ein zweites Kopplungselement 34 auf, die zusammenwirken, um die Rotation des Prüfelements 12 um die Prüfelementachse 16 auf das Magnetelement 14 zu übertragen. Das erste Kopplungselement 32 ist dazu bezüglich der Prüfelementachse 16 rotationsfest an dem Prüfelement 12 gehalten oder ausgebildet. Das erste Kopplungselement 32 weist mehrere sich axial erstreckende Stifte auf, die sich vorzugsweise parallel zu der Prüfelementachse 16 erstrecken, aber radial beabstandet zu der Prüfelementachse 16 liegen.
Das zweite Kopplungselement 34 weist mehrere Ausnehmungen 38 auf, welche sich in axialer Richtung, das heißt parallel zur Prüfelementachse 16 oder zur Magnetelementrotationsachse 18 erstrecken. Des Weiteren sind die Ausnehmungen 38 radial beabstandet zu der Prüfelementachse 16 angeordnet.
Die Anzahl der Stifte 36 und der Ausnehmungen 38 sind gleich. Ferner sind auch die radialen Abstände der Stifte 36 und der Ausnehmungen 38 gleich, so dass die Stifte 36 des ersten Kopplungselements 32 in die Ausnehmungen 38 des zweiten Kopplungselements 34 eingreifen können. Dadurch, dass die Stifte 36 und die Ausnehmungen 38 radial beabstandet zu der Prüfelementachse 16 angeordnet sind, können über die Stifte 36 und die Ausnehmungen 38 formschlüssig Drehmomente und somit die Rotation übertragen werden.
Durch die axiale Erstreckung der Stifte 36 und der Ausnehmungen 38 kann das erste Kopplungselement 32 und das zweite Kopplungselement 34 in axialer Richtung zueinander verschoben werden ohne die rotatorische Kopplung zu verlieren.
Dadurch bewirken das erste Kopplungselement 32 und das zweite Kopplungselement 34 zwar eine rotatorische Kopplung zwischen dem Prüfelement 12 und dem Magnetelementträger 30 und damit dem Magnetelement 14, lassen aber eine axiale also in Richtung der Prüfelementachse 16 gerichtete Relativbewegung zwischen dem Magnetelement 14 und dem Prüfelement zu.
Diese axiale Relativbewegung zwischen dem Magnetelement 14 und dem Prüfelement 12 wird wie bereits beschrieben durch das erste Getriebeelement 26 am Anker 24 und das zweite Getriebeelement 28 am Magnetelementträger 30 gekoppelt.
Wenn also das Prüfelement 12 rotatorisch ausgelenkt, also gedreht wird, dreht sich das Magnetelement 14 gleichsinnig mit. Zusätzlich führt das Magnetelement 14 eine Translation durch. Mit Hilfe des Magnetfeldsensors 20 kann in einfacher Weise der Rotationswinkel des Magnetelements 14 zu dem Magnetfeldsensor 20 bestimmt werden. Allerdings begrenzt sich dieses Messergebnis zunächst auf einen Winkelbereich von 0 bis 360 Grad. Aufgrund der Kopplungseinrichtung 22, welche eine Translationsbewegung des Magnetelements 14 mit der Rotation des Magnetelements 14 koppelt kann anhand der axialen Lage des Magnetelements 14 relativ zum Magnetfeldsensor 20 bestimmt werden, in welchem Umdrehungsumlauf sich das Magnetelement 14 befindet. Daher kann der Messbereich auf mehr als 360 Grad ausgeweitet werden.
Wie beispielhaft in den 3 und 4 dargestellt ist, sieht der Magnetfeldsensor 20 je nach Ausrichtung des Magnetelements 14 einen Magnetfeldvektor, der eine bestimmte Ausrichtung aufweist. Vergleicht man die 3 und 4 miteinander, ist unschwer zu erkennen, dass sich der gemessene Magnetfeldvektor synchron mit der Rotation des Magnetelements 14 dreht.
Der Magnetfeldsensor 20 ist vorzugsweise derart ausgerichtet, dass eine erste Messrichtung des Magnetfeldsensors 20 parallel zur Magnetelementrotationsachse 18 liegt. Das in Richtung der ersten Messachse gemessene Magnetfeld oder Flussdichtekomponente wird im Folgenden als By bezeichnet. Des Weiteren ist der Magnetfeldsensor 20 derart ausgerichtet, dass eine zweite Messachse im Wesentlichen radial zu der Magnetelementrotationsachse 18 ausgerichtet ist. Das Messsignal entlang der zweiten Messachse wird als Bx bezeichnet. Die Messergebnisse entlang der dritten Messachse des Magnetfeldsensors 20, die senkrecht zu der ersten Messachse und der zweiten Messachse liegt, werden als Bz bezeichnet. Der Magnetfeldsensor 20 ist als 3D Magnetfeldsensor ausgebildet. Das heißt, der Magnetfeldsensor 20 kann an einem Punkt drei Magnetfeldkomponenten bzw. magnetischen Flussdichtekomponenten entlang dreier senkrecht zueinander stehenden Achsen gleichzeitig am selben Punkt messen. Ein solcher Magnetfeldsensor ist beispielsweise der MLX90333 von Melexis Microelectronic Integrated Systems.
Die 5 bis 6 zeigen beispielhaft, wie mit Hilfe des dreidimensionalen Magnetfeldsensors 20 aus dem Winkel der Magnetfeldlinien bzw. des gemessenen Magnetfeldvektors auch eine axiale Position des Magnetelements 14 relativ zu dem Magnetfeldsensor 20 bestimmt werden kann. Sind das Magnetelement 14 und der Magnetfeldsensor 20, wie beispielhaft in 5 dargestellt ist, axial fluchtend, so misst der Magnetfeldsensor 20 einen Magnetfeldvektor, der keine Komponenten in Richtung der Magnetelementrotationsachse 18 aufweist. Weicht der Magnetfeldsensor 20 von dieser mittigen Positionierung zu dem Magnetelement 14 ab, wie beispielsweise in den 6 oder 7 dargestellt ist, misst der Magnetfeldsensor 20 einen Magnetfeldvektor, der eine Komponente in der Richtung der Magnetelementrotationsachse 18.
Der Winkel des Magnetfeldes relativ zu einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse 18 kann bestimmt werden. Dieser Winkel ist ein Maß für die axiale Verschiebung Magnetelements 14 relativ zu dem Magnetfeldsensor 20. Je stärker die Verschiebung ist, desto größer ist die Verkippung der Magnetfeldlinien relativ zu der Ebene senkrecht zur Magnetfeldrotationsachse 18.
Die Drehwinkelmesseinrichtung 10 weist eine Auswerteeinrichtung 40 auf, welche die Messdaten des Magnetfeldsensors 20 auswertet. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung 40 zusammen mit dem Magnetfeldsensor in einem gemeinsamen IC Gehäuse untergebracht. Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung 40 zumindest zum Teil auf demselben Die wie der Magnetfeldsensor 20 ausgebildet.
Unter einem Die wird dabei ein zusammenhängendes Stück eines Siliziumwafers verstanden, auf welchem elektronische Schaltkreise ausgebildet sind.
Die Auswerteeinrichtung 40 kann in einfacher und bekannter Weise aus den Magnetfeldkomponenten Bx und Bz den Rotationswinkel 46 des Magnetfelds um die Magnetelementrotationsachse 18 bestimmen. Aus diesem Winkel kann auf den Rotationswinkel 44 des Magnetelements 14 und damit dem Rotationswinkel des Prüfelements 12 bestimmt werden.
Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 40 den Rotationswinkel 46 des gemessenen Magnetfeldvektors durch eine Winkelbestimmungsfunktion F(Bx, Bz) bestimmen, wobei Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse liegt und Bz die Magnetfeldkomponente ist, die tangential zur Magnetelementrotationsachse liegt. Alternativ kann der Rotationswinkel 46 des Magnetfeldvektors durch F(Bz, Bx) gebildet werden.
Dabei ist die Winkelbestimmungsfunktion F definiert durch: $F (x,y) = arctan (x/y), wenn y > 0 und arctan (x/y) + 180°, wenn y < 0$
Das heißt, wenn y größer Null ist, werden die Werte -90° bis +90° ausgegeben, und wenn y kleiner Null ist, werden die Werte 90° bis 270° ausgegeben. Dadurch kann eine volle Umdrehung von 360° gemessen werden. Gegebenenfalls können die Werte von 180° bis 270° auf die äquivalenten Werte -180° bis -90° übersetzt werden, so dass Werte von -180 bis 180° ausgegeben werden. Es versteht sich, dass in äquivalenter Weise auch andere Wertebereiche, die 360° umfassen, ausgegeben werden können, beispielsweise Werte von 0 bis 360°.
Durch Auswertung der Magnetfeldkomponente By entlang der Magnetelementrotationsachse 18 kann die axiale Position des Magnetelements 14 relativ zum Magnetfeldsensor 20 bestimmt werden und somit ermittelt werden, in welchem Umdrehungsumlauf sich das Prüfelement befindet. Auf diese Weise kann der Messbereich über die 360 Grad hinaus erweitert werden.
Die Neigung der Magnetfeldlinien in Y-Richtung variiert mit axialem Abstand zu dem Magnetelement 14. Daher kann aus dem Winkel des Magnetfeldes die axiale Position des Magnetelements 14 relativ zum Magnetfeldsensor 20 bestimmt werden. Dazu kann wieder die Winkelbestimmungsfunktion F(x, y) genutzt werden.
Die Auswerteeinrichtung 40 bestimmt die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch die Winkelbestimmungsfunktion F(By, Bx), wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementrotationsachse 18 ist. Zwar springt der derart ermittelte Winkel um 180°, wenn die Magnetfeldkomponenten By und Bx aufgrund der Rotation des Magnetelements 14 das Vorzeichen wechseln. Allerdings können die Sprungstellen durch die Kenntnis des Rotationswinkels 46 des Magnetfeldes erkannt und berücksichtigt werden. Alternativ können die Sprungstellen auch durch Bildung der Ableitung von F(By, Bx) bestimmt werden.
Eine alternative Möglichkeit zur Bestimmung der axialen Lage des Magnetelements 14 ist durch Bildung der Winkelbestimmungsfunktion F(By, |Bx|) oder durch die Bildung des Arkustangens(By/Bx) gegeben. Zwar wechselt der derart ermittelte Winkel sein Vorzeichen, wenn die Magnetfeldkomponenten By aufgrund der Rotation des Magnetelements 14 das Vorzeichen wechseln. Allerdings können die Sprungstellen durch die Kenntnis des Rotationswinkels 46 des Magnetfeldes erkannt und berücksichtigt werden. Alternativ können die Sprungstellen auch durch Bildung der Ableitung von F(By, Bx) bestimmt werden.
Bei einer weiteren Möglichkeit zur Auswertung des Magnetfeldes, wird zur Bestimmung der axialen Lage innerhalb des Messbereichs die Winkelbestimmungsfunktion F(|By|, |Bx|) berechnet oder der Arkustangens(|By|/|Bx|) berechnet. Der derart erhaltene Winkel ist ein Maß für die axiale Position des Magnetelements 14. Zwar ist der derart bestimmbare Winkelbereich auf 0 bis 90° beschränkt, allerding kann unter Berücksichtigung des Vorzeichens von By und des Rotationswinkels 46 des Magnetfeldes der Winkelbereich auf insgesamt 180° oder sogar auf 360° erweitert werden.
Des Weiteren kann die Auswertung des Magnetfeldes zur Bestimmung der axialen Position innerhalb des Messbereichs durch Berechnung der Winkelbestimmungsfunktion F(By, √(Bz²+Bx²)) erfolgen. Dadurch wird der Winkel des Magnetfelds relativ zu der Ebene, die senkrecht zur Magnetelementrotationsachse 18 liegt, bestimmt. Der somit ermittelte Winkel variiert zwar bei Rotation des Magnetfeldes um die Magnetelementrotationsache 18, allerdings kann dennoch aus dem derart bestimmten Winkel unter Berücksichtigung des Rotationswinkels 46 des Magnetfeldes um die Magnetelementrotationsachse 18 auf die axiale Position des Magnetelements 14 zu dem Magnetfeldsensor 20 geschlossen werden. Dazu kann beispielsweise eine Look-Up-Tabelle angelegt werden, in welcher die aufgrund der mechanischen Kopplung zwischen Rotation und Translation des Magnetelements 14 erwarteten Werte für den derart ermittelten Winkel abhängig von dem Rotationswinkel 46 und dem Umdrehungsumlauf aufgelistet sind.
Einige der vorstehenden Auswertemöglichkeiten haben den Nachteil, dass in einem Winkelberiech des Rotationswinkels 46 des Magnetfeldes die erwarteten Werte für By und Bx klein sind. Daher ist in diesem Bereich das Signal-Rauschverhältnis klein und damit der Fehler groß. Um diese Fehlerquelle zu umgehen, kann vorgesehen sein, in diesem Bereich statt aus dem Winkel des Magnetfeldes aus einem Absolutwert des gemessenen Magnetfeldvektors die axiale Position des Magnetelementes 14 zu bestimmen. Dieser Bereich erstreckt sich beispielsweise bezogen auf den Rotationswinkel des Magnetfeldes von -10° bis 10° um die erwartete Nullstelle von By und Bx, vorzugsweise von -5° bis 5°.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein in dem Winkelberiech des Rotationswinkels 46 des Magnetfeldes, in welchem die erwarteten Werte für By und Bx klein sind, auf gespeicherte Messwerte bzw. axiale Positionen oder Umdrehungsumläufe zurückzugreifen, die ermittelt wurden, bevor das Magnetfeld in diesen Winkelbereich eingetreten ist. Dieser Bereich erstreckt sich beispielsweise bezogen auf den Rotationswinkel des Magnetfeldes von -10° bis 10° um die erwartete Nullstelle von By und Bx, vorzugsweise von -5° bis 5°. Dadurch, dass dieser Bereich relativ klein ist und dadurch, dass aus der axialen Lage nur ermittelt werden muss, in welchem Umdrehungsumlauf sich das Magnetelement 14 befindet, sind die gespeicherten Werte genau genug. Zur Speicherung der Werte kann vorzugsweise ein nicht flüchtiger Speicher verwendet werden, der beispielsweise als Stack oder Queue ausgebildet ist.
Bei einer weiteren alternativen Auswertemöglichkeit wird aus einem Absolutwert des gemessenen Magnetfeldvektors die axiale Position des Magnetelementes 14 bestimmt. Ein Absolutwert des Magnetfeldvektors ist dabei der Betrag einer der Feldstärkekomponenten des Magnetfeldvektors oder die aus dem Magnetfeldvektor bestimmte Feldstärke. Dadurch kann ein Rückschluss auf den Abstand des Magnetfeldsensor 20 zu dem Magnetelement 12 gezogen werden, so dass auf die axiale Position geschlossen werden kann und damit erkannt werden kann in welchem Umdrehungsumlauf sich das Prüfelement 12 befindet.
Vorzugsweise ist eine Temperaturkompensation vorgesehen, die die Temperaturabhängigkeit der Auswerteeinrichtung 40, des Magnetfeldsensors 20 und/oder des von dem Magnetelement 14 erzeugtem Magnetfeld kompensiert. Dazu sind mindestens ein, vorzugsweise zwei Temperatursensoren, vorgesehen, die die Temperatur an der Auswerteeinrichtung 40, dem Magnetfeldsensor 20 und/oder dem Magnetelement 14 messen kann.
In 8 ist beispielhaft dargestellt, wie aus den derart berechneten Größen, die Messbereichserweiterung erfolgen kann. Auf der X-Achse ist der tatsächliche Rotationswinkel 44 des Prüfelements 12 aufgetragen. Unten in y-Richtung ist der durch Bz und Bx bestimmte Rotationswinkel 46 des Magnetelements 14 dargestellt. Es ist unschwer erkennbar, dass diese Größe nur Werte zwischen 0 und 360 Grad ausgibt und an jeweils um 360 Grad beabstandeten Sprungstellen zurückspringt. Daher wäre allein mit diesem Signal es nicht möglich, mehrere Umläufe des Prüfelements 12 zu messen.
Oben in 8 dargestellt ist das Ergebnis 48 des Arkustangens (|By|/|Bx|) bzw. der Winkelbestimmungsfunktion F(|By|, |Bx|). Dieser Wert ist daher ein Maß für die axiale Lage des Magnetelements 14 zum Magnetfeldsensor 20. Dadurch kann mit Hilfe dieses Ausgangswertes erkannt werden, in welchem Durchlauf sich das Prüfelement 12 befindet.
Ferner ist in 8 oben beispielhaft das Ergebnis 50 der Winkelbestimmungsfunktion F(By, √(Bz²+Bx²)). Es ist erkennbar, dass die Werte von F interpretiert werden müssen, um die axiale Position zu bestimmen. Allerdings kann man auch erkennen, dass unter Berücksichtigung des Rotationswinkels 46 des Magnetfeldes, es möglich ist, die axiale Position eindeutig zu bestimmen.
Die Drehwinkelmesseinrichtung 10 kann beispielsweise zur Bestimmung eines Lenkwinkels genutzt werden, der für die Ansteuerung einer Servolenkung genutzt werden kann. In einem solchen Fall wäre das Prüfelement beispielsweise die Lenksäule. Es versteht sich, dass auch eine Position eines Steuerrades eines Wasserfahrzeugs bestimmt werden kann, um die Steuerung des Ruders zu unterstützen.
Des Weiteren kann die Drehwinkelmesseinrichtung 10 dazu genutzt werden die Lage eines Rolltors, eines Rollladens oder eines Rollgitters zu bestimmen. Dazu würde als Prüfelement eine Rollachse des Rolltor, des Rollladens oder des Rollgitters verwendet.
Ferner kann die Drehwinkelmesseinrichtung 10 beispielsweise zur Überwachung eines Ventils, zur Bestimmung einer Position eines verstellbaren Sitzes oder zur Ermöglichung eines berührungslosen Eingabeelements, wie beispielsweise eines Potentiometers, verwendet werden.
Eine in 9 dargestellte zweite Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 unterscheidet sich von der in den 1 bis 8 dargestellten Drehwinkelmesseinrichtung 10 dadurch, dass die Magnetelementrotationsachse 18 zwar parallel aber neben der Prüfelementachse 16 angeordnet ist. Der Anker 24 der Kopplungseinrichtung 22 ist dabei als Gewindebolzen ausgebildet. Entsprechend ist das erste Getriebeelement 26 ein Außengewinde. Der Magnetelementträger 30 ist auf den Anker 24, also den Gewindebolzen, aufgeschraubt. Dazu ist der Magnetelementträger 30 hülsenförmig ausgebildet und weist ein Innengetriebe auf, das das zweite Getriebeelement 28 bildet.
In der zweiten Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 ist das zweite Kopplungselement 34 durch eine Außenverzahnung an dem hülsenförmigen Magnetelementträger 30 ausgebildet. Entsprechend ist das erste Kopplungselement 32 durch ein Zahnrad, das drehfest an dem Prüfelement 12 koaxial zur Prüfelementachse 16 angeordnet ist. Das Zahnrad des ersten Kopplungselements 32 greift in das Zahnrad des zweiten Kopplungselements 34 ein, so dass die Drehbewegung des Prüfelements 12 mit einer Rotation des Magnetelements 14 gekoppelt ist. Eines der Zahnräder, entweder des ersten Kopplungselements 32 oder des zweiten Kopplungselements 34 weist eine axiale Ausdehnung auf, die eine axiale Verschiebung des Magnetelements 14 zu dem Prüfelement 12 und damit auch zu dem Magnetfeldsensor 20 ermöglicht.
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte zweite Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 mit der in den 1 bis 9 dargestellten ersten Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 10 dargestellte dritte Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 unterscheidet sich von der in den 1 bis 8 dargestellten ersten Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 dadurch, dass die erste Kopplungseinrichtung 32 und die zweite Kopplungseinrichtung 34 durch Nuten und Federn gebildet sind. Dabei ist die zweite Kopplungseinrichtung 34 durch eine zentrale Ausnehmung in dem Magnetelementträger 30 gebildet. Durch diese Ausnehmung 42 greift das Prüfelement 12. An dem Prüfelement 12 sind nun die Nuten und/oder die Federn ausgebildet. Entsprechend sind in der Ausnehmung 42 komplementär dazu ausgebildete Nuten und/oder Federn, die in die Nuten und/oder Federn an dem Prüfelement 12 eingreifen. Somit ist das erste Kopplungselement 32 durch die Nuten und/oder Federn an dem Prüfelement 12 gebildet. Das zweite Kopplungselement 34 ist durch die Nuten und/oder Federn in der Ausnehmung 42 am Magnetelementträger 30 gebildet. Es ist ersichtlich, dass eine solche Verbindung eine Rotation zwischen dem Prüfelement 12 und dem Magnetelementträger koppelt und gleichzeitig eine Translation des Magnetelementträgers 30 zu dem Prüfelement 12 zulässt.
Der Anker 24 ist durch eine Hülse gebildet, die ein Innengewinde aufweist. Dieses Innengewinde bildet das erste Getriebeelement 26. An dem Magnetelementträger 30 ist eine weitere Hülse mit einem Außengewinde ausgebildet, das zu dem Innengewinde des Ankers 24 komplementär ausgebildet ist und in dieses eingreift. Somit ist das zweite Getriebeelement 28 an der Hülse des Magnetelementträgers 30 gebildet.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte dritte Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 mit der in den 1 bis 8 dargestellten ersten Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 11 dargestellte vierte Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 unterscheidet sich von der in den 1 bis 8 dargestellten ersten Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 dadurch, dass das erste Kopplungselement 32 einen axialen Zapfen 52 aufweist, dass das zweite Kopplungselement 34 eine Ausnehmung 54 an dem Magnetelementträger 30 aufweist, in welche der Zapfen 54 eingreift, wobei die Ausnehmung 54 und der Zapfen 52 nicht rotationssymmetrisch sind, so dass eine formschlüssige Drehmomentübertragung zwischen dem Zapfen 52 und der Ausnehmung 54 möglich ist, und dass der Zapfen 52 eine axiale Ausdehnung aufweisen, die eine axiale Verschiebung des zweiten Kopplungselements 34 relativ zu dem ersten Kopplungselement 32 ermöglicht.
Das Magnetelement 14 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Der Magnetelementträger 30 weist eine Aufnahme 56 für das Magnetelement 14 auf. in welche das Magnetelement 14 eingesetzt ist. Die Aufnahme ist vorzugsweise koaxial zu der Magnetelementrotationsachse 18 angeordnet.
Der Magnetelementträger 30 weist ein Außengewinde auf, das das zweite Getriebeelement 28 bildet. An dem Anker 24 ist ein Innengewinde gebildet, das das erste Getriebeelement 26 bildet.
Der Magnetfeldsensor 20 kann auf der Magnetelementrotationsachse 18 angeordnet sein. Entsprechend wird bei einer solchen Anordnung Absolutwert des Magnetfeldes ausgewertet, um die axiale Position des Magnetelements 14 relativ zu dem Magnetfeldsensor 20 zu bestimmen.
Im Übrigen stimmt die in 11 dargestellte vierte Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 mit der in den 1 bis 8 dargestellten ersten Ausführungsform der Drehwinkelmesseinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Für alle vier in den 1 bis 11 dargestellten Ausführungsformen der Drehwinkelmesseinrichtung 10 können verschiedene Magnetisierungen für das Magnetelement 14 vorgesehen werden. Beispielsweise kann die Magnetisierungsstärke in 60 axialer Richtung Y variieren, wie es beispielsweise in 12 dargestellt ist. vorzugsweise ist dabei die Magnetisierungsstärke in radialer Richtung an axialen Enden 62 des Magnetelements kleiner als in einer axialen Mitte 64 des Magnetelements 14.
Dadurch können die Randeffekte im von dem Magnetelement 14 erzeugten Magnetfeld beeinflusst werden, sodass entweder der Messbereich vergrößert oder die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
Eine ähnliche Zielsetzung liegt dem in 13 dargestellten Magnetelement 14 zugrunde. Das Magnetelement 14 weist an den Enden 62 des Magnetelements 14 eine geringere radiale Ausdehnung aufweist als in einem Beriech 66 zwischen den axialen Enden 62 des Magnetelements. Durch diese bauchige Form des Magnetelements 14 sind die Magnetfeldlinien im Bereich der axialen Enden 62 des Magnetelements 14 nach außen geneigt.
Des Weiteren kann das Magnetelement 14 mehr als zwei, beispielsweise vier, Magnetpole aufweist. Wie beispielsweise in 14 und 15 dargestellt ist, können die Magnetpole an einer radial außenliegenden Fläche 70 liegen. Dadurch kann eine höhere Auflösung der Rotationsmessung erzielt werden. Der gemessene Magnetfeldvektor rotiert dadurch um ein ganzzahliges vielfaches schneller als das Magnetelement 14. Bei vier Magnetpolen rotiert der gemessene Magnetfeldvektor doppelt so schnell wie das Magnetelement 14.
Ferner kann das Magnetelement 14 mehr als zwei, beispielsweise vier Magnetpole aufweist, die an axial außenliegenden Flächen 68 des Magnetelements 14 liegen. Auch dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht werden.
Bei einer besonderen Variante, die beispielhaft in den 16 und 17 dargestellt ist, kann das Magnetelement mehr als zwei, beispielsweise vier Magnetpole aufweisen, die an derselben axial außenliegenden Fläche 68 liegen. Dadurch erstreckt sich das Magnetfeld des Magnetelements 14 hauptsächlich im Bereich des Endes 62, an dem die Magnetpole liegen. Somit können ungewollte Effekte des Magnetfeldes auf der den Magnetpolen abgewandten Seite verringert werden.

Claims

Drehwinkelmesseinrichtung (10) zur Messung einer Rotation eines Prüfelements (12) über einen Messbereich, der mehr als eine ganze Umdrehung des Prüfelements (12) umfasst, - mit einem Magnetelement (14), das ein Magnetfeld erzeugt, - mit einem Magnetfeldsensor (20), der derart in der Nähe des Magnetelements (14) angeordnet ist, dass der Magnetfeldsensor (20) das von dem Magnetelement (14) erzeugte Magnetfeld messen kann, und - mit einer Kopplungseinrichtung (22), die die Rotation des Prüfelements (12) mit einer Bewegung des Magnetelements (14) koppelt, dadurch gekennzeichnet, - dass der Magnetfeldsensor (20) ein 2D-Magnetfeldsensor, der einen zweidimensionalen Magnetfeldvektor messen kann, oder ein 3D-Magnetfeldsensor ist, der mindestens einen drei dimensionalen Magnetfeldvektor messen kann, und - dass die Kopplungseinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass das Magnetelement (14) bei Rotation des Prüfelements (12) um eine Prüfelementachse (16) eine Rotation um eine Magnetelementrotationsachse (18) und eine Translation in Richtung der Magnetelementrotationsachse (18) relativ zu dem Magnetfeldsensor (20) durchführt.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass der Magnetfeldsensor (20) radial versetzt zu der Magnetelementrotationsachse (18) angeordnet ist, - dass der Magnetfeldsensor (20) vorzugsweise derart ausgerichtet ist, dass eine erste Messachse des Magnetfeldsensors (20) im Wesentlichen parallel zu der Magnetelementrotationsachse (18) ausgerichtet ist, und - dass der Magnetfeldsensor (20) vorzugsweise derart ausgerichtet ist, dass eine zweite Messachse des Magnetfeldsensors (20) im Wesentlichen radial zu der Magnetelementrotationsachse (18) ausgerichtet ist.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass das Magnetelement (14) bezogen auf die Magnetelementrotationsachse(18) nicht rotationssymmetrisch magnetisiert ist.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - dass das Magnetelement (14) diametral magnetisiert ist, oder - dass das Magnetelement (14) mehr als zwei, beispielsweise vier, Magnetpole (S, N) aufweist und dass die Magnetpole (S, N) an einer radial außenliegenden Fläche (70) liegen, oder - dass das Magnetelement (14) mehr als zwei, beispielsweise vier, Magnetpole (S, N) aufweist, und dass die Magnetpole (S, N) an axial außenliegenden Flächen (68) liegen, oder - dass das Magnetelement (14) mehr als zwei, beispielsweise vier, Magnetpole (S, N) aufweist, und dass die Magnetpole (S, N) an derselben axial außenliegenden Fläche (68) liegen.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, - dass das Magnetelement (14) eine Magnetisierungsstärke aufweist, die in axialer Richtung variiert, und/oder - dass das Magnetelement (14) an axialen Enden (68) des Magnetelements (14) eine geringere radiale Ausdehnung aufweist als in einem Beriech (66) zwischen den axialen Enden (68) des Magnetelements (14).
Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, - dass die Drehwinkelmesseinrichtung (10) eine Auswerteeinrichtung (40) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie aus den Messwerten des Magnetfeldsensors (20) einen Rotationswinkel des Magnetelements (14) um die Magnetelementrotationsachse (18) bestimmen kann und bestimmt, und - dass die Auswerteeinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass sie aus den Messwerten des Magnetfeldsensors (20) zumindest im Messbereich eine axiale Position des Magnetelements (14) entlang der Magnetelementrotationsachse (18) bestimmt kann und bestimmt.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass sie aus einer Richtung des gemessenen Magnetfeldvektors die axiale Position des Magnetelementes (14) bestimmen kann und bestimmt.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, - dass die Auswerteeinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung (40) die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch die Funktion F(By, Bx) bestimmt,, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementrotationsachse (18) ist, und Bx die Magnetfeldkomponenten ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse (18) liegt, und wobei die Funktion F(x, y) definiert ist durch arctan (x/y), wenn y > 0 ist, und durch arctan (x/y) +180°, wenn y < 0 ist, oder - dass die Auswerteeinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung (40) die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch die Funktion F(By, |Bx|) oder durch die Bildung des Arkustangens(By/Bx) bestimmt, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementrotationsachse (18) ist, und Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse (18) liegt, und wobei die Funktion F(x, y) definiert ist durch arctan (x/y), wenn y > 0 ist, und durch arctan (x/y) +180°, wenn y < 0 ist, oder - dass die Auswerteeinrichtung (40)derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung (40) die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch die Funktion F(|By|, |Bx|) oder durch die Bildung des Arkustangens(|By|/|Bx|) bestimmt, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementrotationsachse (18) ist, und Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementrotationsachse (18) liegt, und wobei die Funktion F(x, y) definiert ist durch arctan (x/y), wenn y > 0 ist, und durch arctan (x/y) +180°, wenn y < 0 ist, oder - dass die Auswerteeinrichtung (40)derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung (40)die axiale Position innerhalb des Messbereichs durch Berechnung der Funktion F(By, √(Bz²+Bx²)) bestimmt, wobei By die Magnetfeldkomponente in Richtung der Magnetelementachse (18) ist, und Bx die Magnetfeldkomponente ist, die radial zur Magnetelementachse (18) liegt, und Bz die Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zu By und Bx liegt, und wobei die Funktion F(x, y) definiert ist durch arctan (x/y), wenn y > 0 ist, und durch arctan (x/y) +180°, wenn y < 0 ist.
Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass sie aus einem Absolutwert des gemessenen Magnetfeldvektors die axiale Position des Magnetelementes (14) bestimmen kann und bestimmt.
Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, - dass die Auswerteeinrichtung (40) zumindest zum Teil in einem gemeinsamen IC mit dem Magnetfeldsensor (20) ausgebildet ist, und - dass vorzugsweise die Auswerteeinrichtung (40) zumindest zum Teil auf einem gemeinsamen Die mit dem Magnetfeldsensor (20) ausgebildet ist.
Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, - dass die Kopplungseinrichtung (22) einen Magnetelementträger (30) aufweist, an welchem das Magnetelement (14) gehalten ist, - dass die Kopplungseinrichtung (22) einen Anker (24) aufweist, der ortsfest zu dem Magnetsensor (20) angeordnet ist und der ein erstes Getriebeelement (26) aufweist, und - dass der Magnetelementträger (30) ein zweites Getriebeelement (28) aufweist, das in das erste Getriebeelement (26) eingreift.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - dass der Anker (24) einen hülsenförmigen Abschnitt aufweist, und dass das erste Getriebeelement (26) ein Innengewinde oder ein Außengewinde ist, oder - dass der Anker (24) einen Gewindestab aufweist, und dass das erste Getriebeelement (26) ein Außengewinde ist.
Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, - dass die Kopplungseinrichtung (22) ein erstes Kopplungselement (32), das an dem Prüfelement (12) angeordnet oder ausgebildet ist, und ein zweites Kopplungselement (34) aufweist, das an dem Magnetelementträger (30) oder an dem Magnetelement (14) angeordnet oder ausgebildet ist, und - dass das erste Kopplungselement (32) und das zweite Kopplungselement (34) derart ineinandergreifen, dass eine Rotation des Prüfelements (12) zu dem Magnetelementträger (30) übertragen wird, und gleichzeitig eine Translation des ersten Kopplungselements (32) zu dem zweiten Kopplungselement (34) zugelassen ist.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, - dass das erste Kopplungselement (32) mehrere sich axial erstreckende Stifte (36) aufweist, - dass das zweite Kopplungselement (34) sich axial erstreckende Ausnehmungen (38) an dem Magnetelementträger (30) aufweist, - dass die Stifte (36) in die sich axial erstreckenden Ausnehmungen (38) an dem Magnetelementträger (30) greifen, wobei die Ausnehmungen (38) und die Stifte (36) bezogen auf die Magnetelementrotationsachse (18) radial nach außen versetzt angeordnet sind, und - dass die Stifte (36) eine axiale Ausdehnung aufweisen die eine axiale Verschiebung des zweiten Kopplungselements (34) relativ zu dem ersten Kopplungselement (32) ermöglicht.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet. - dass das erste Kopplungselement (32) einen axialen Zapfen (52) aufweist, - dass das zweite Kopplungselement (34) eine Ausnehmung (54) an dem Magnetelementträger (30) aufweist, - dass der axiale Zapfen (52) in die Ausnehmung (54) eingreift, wobei die Ausnehmung (54) und der Zapfen (52) nicht rotationssymmetrisch sind, so dass eine formschlüssige Drehmomentübertragung zwischen dem Zapfen (52) und der Ausnehmung (54) möglich ist, und - dass der Zapfen (52) eine axiale Ausdehnung aufweisen, die eine axiale Verschiebung des zweiten Kopplungselements (43) relativ zu dem ersten Kopplungselement (32) ermöglicht.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, - dass das erste Kopplungselement (32) und das zweite Kopplungselement (34) Zahnräder sind, die ineinander greifen, wobei zumindest eines der beiden Zahnräder eine axiale Ausdehnung aufweist, die eine axiale Verschiebung des zweiten Kopplungselements (34) relativ zu dem ersten Kopplungselement (32) ermöglicht.
Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, - dass der Magnetelementträger (30) eine Trägerplatte aufweist, die eine zentrale Ausnehmung (42) aufweist, durch welche das Prüfelement (12) greift, - dass das zweite Kopplungselement (34) durch die zentrale Ausnehmung (42) in der Trägerplatte des Magnetelementträgers (30) gebildet ist, - dass das erste Kopplungselement (32) durch einen Abschnitt des Prüfelements (12) gebildet ist, der durch die Ausnehmung (42) in der Trägerplatte greift, und - dass das erste Kopplungselement (32) mehrere sich axial erstreckende Nuten oder Federn aufweist, die mit komplementären Nuten oder Federn des zweiten Kopplungselements (34) zusammenwirken, um eine Rotationssperre zwischen dem Prüfelement (12) und dem Magnetelementträger (30) zu erzielen.
Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfelement (12) eine Lenksäule eines Kraftfahrzeugs ist.