DE102017219024A1

DE102017219024A1 - Magnetfeldsensor und Verfahren zur Kompensation eines Magneten

Info

Publication number: DE102017219024A1
Application number: DE102017219024.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Klank; Julian Stratmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-04-25
Also published as: WO2019081147A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor mit einem, ein Magnetfeld (F) mit einer Magnetfeldachse (f) erzeugenden Magneten (M). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kompensation von Abweichungen des Magnetfeldes bei einem Magneten eines Magnetfeldsensors.Es wird vorgeschlagen, dass der Magnet (M) aus mindestens zwei übereinander angeordneten Magnetelementen (M, M) zusammengesetzt ist. Für das Verfahren wird vorgeschlagen, dass der Magnet (M) aus mindestens zwei jeweils Abweichungen ihrer Magnetfelder aufweisenden Magnetelementen (M, M) aufgebaut wird, dass die Magnetelemente (M, M) in axialer Richtung übereinander angeordnet und in Umfangsrichtung derart gegeneinander verdreht werden, dass sich die Abweichungen der Magnetfelder der mindestens zwei Magnetelemente (M, M) zumindest teilweise aufheben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 9 sowie eine Verwendung des Magnetfeldsensors.
Magnetfeldsensoren sind u. a. als Positionssensoren, insbesondere auch zur Messung einer Winkelposition bekannt. Magnetfeldsensoren bestehen aus zwei Sensorelementen, nämlich einem ersten Sensorelement, welches als Permanentmagnet ausgebildet ist und als Signalgeber wirkt, und einem zweiten Sensorelement, welches als Magnetfeld empfindliches Sensorelement ausgebildet ist und als Signalempfänger wirkt. Das zweite Sensorelement kann beispielsweise als Hall-Element ausgebildet sein.
Durch die ältere Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2017 208 410.3 wurde ein Magnetfeldsensor, bestehend aus einem Permanentmagneten als Signalgeber und einem Sensorelement als Signalempfänger, bekannt, welcher in einem Kugelgelenk verbaut ist. Dabei befindet sich der Permanentmagnet in einer Ausnehmung, insbesondere einer Sacklochbohrung des Kugelzapfens, während das zweite Sensorelement, der Signalempfänger, in einem den Kugelzapfen aufnehmenden Gehäuse angeordnet ist. Bei Winkelbewegungen des Kugelzapfens gegenüber dem Gehäuse registriert das zweite Sensorelement eine Änderung des Magnetfeldes. Durch Auswertung dieses Änderungssignals kann auf die Winkelposition geschlossen werden.
Ein Problem bei derartigen Magnetfeldsensoren besteht darin, dass das Magnetfeld, welches vom Magneten erzeugt wird, Toleranz behaftet ist und Abweichungen vom Sollzustand, insbesondere Fehlstellungen der Achse des Magnetfeldes aufweisen kann. Eine solche Fehlstellung liegt dann vor, wenn die Achse des Magnetfeldes und die Achse des Magneten, welcher in einem beweglichen Bauteil angeordnet ist, nicht übereinstimmen, sondern einen Winkel miteinander bilden. Die Anzeige einer Winkelposition mit einem derart fehlerhaften Magnetfeld wäre dann ebenfalls mit einem Fehler bzw. einer Abweichung behaftet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Messgenauigkeit eines Magnetfeldsensors der eingangs genannten Art zu verbessern.
Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Magnetfeldsensor vorgesehen, dass der Magnet aus mindestens zwei übereinander angeordneten Magneten, genannt Magnetelementen, aufgebaut ist. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, Abweichungen des Magnetfeldes zu kompensieren. Der Begriff Magnetfeldsensor umfasst zusätzlich zu dem Magneten ein magnetempfindliches Sensorelement im Wirkungsbereich des Magneten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform setzt sich der Magnet aus Magnetelementen gleicher oder unschiedlicher Höhe zusammen, woraus sich mehrere Möglichkeiten zur Fehlerkompensation ergeben.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die einzelnen Magnetelemente, welche für den Aufbau eines Magneten verwendet werden, ihrerseits Abweichungen im Magnetfeld auf, insbesondere Abweichungen bezüglich der Magnetfeldachse. Die ausgewählten Magnetelemente, vorzugsweise zwei, sind in Umfangsrichtung derart zueinander angeordnet, dass sich ihre Abweichungen kompensieren. Beispielsweise weist ein Paar von ausgewählten Magnetelementen etwa die gleichen Abweichungen auf; in diesem Falle würde man die Magnetelemente derart anordnen, dass sich die lokalen Abweichungen diametral gegenüber liegen. Somit würde eine schief stehende Magnetfeldachse in die Mitte, d. h. auf die geometrische Mittelachse des Magneten verlagert werden.
Nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind der Magnet und die Magnetelemente zylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet, wobei die Zylinderachsen den Magnetfeldachsen entsprechen. Damit ergibt sich ein homogenes, radialsymmetrisches Magnetfeld.
Nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der Magnet in einer Ausnehmung, vorzugsweise in einer Sacklochbohrung eines beweglichen Bauteils, insbesondere eines Kugelzapfens oder einer Kugelhülse angeordnet und fixiert. Somit wird eine Winkelbewegung des Bauteiles direkt auf den Magneten und damit auf das von diesem erzeugte Magnetfeld übertragen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind bei einem Verfahren zur Kompensation von Abweichungen des Magnetfeldes folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Zunächst werden geeignete, d. h. von ihrer Höhe angepasste Magnetelemente bereitgestellt; danach werden die Abweichungen des Magnetfeldes der einzelnen Magnetelemente gemessen, registriert und/oder markiert; aufgrund der Messergebnisse werden - bei Verwendung von zwei Magnetelementen - geeignete Paarungen von Magnetelementen zusammengestellt und derart gegeneinander verdreht, dass sich die individuellen Abweichungen der beiden Magnetelemente kompensieren. Damit weist der aus mindestens zwei Magnetelementen zusammengesetzte Magnet keine oder eine erheblich reduzierte Abweichung auf, die dann im zulässigen Bereich liegt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Magnetfeldsensor mit kompensiertem Magneten vorteilhaft zur Winkelmessung in einem Kugelgelenk verwendet werden. Damit ist es möglich, die relative Winkelbewegung zwischen Gelenkkugel und Kugelgehäuse des Kugelgelenks zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Vorteilhaft ist hierbei die erhöhte Messgenauigkeit aufgrund des kompensierten Magneten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

1 einen einteiligen, unkompensierten Magneten mit einem Magnetfeld nach dem Stand der Technik,
2 einen erfindungsgemäßen zweiteiligen, kompensierten Magneten und
3 den Einbau eines Magnetfeldsensors mit dem kompensierten Magneten in ein Kugelgelenk.

1 zeigt einen einteiligen oder einstückigen Magneten Mo mit einem Magnetfeld Fo nach dem Stand der Technik. Der Magnet Mo ist als Permanentmagnet ausgebildet und weist eine zylindrische Form mit einem Durchmesser d und einer Höhe h auf. Derartige Permanentmagnete werden aus speziellen Dauermagnetmaterialien, beispielsweise Aluminium-Nickel-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor in pulvermetalllurgischen Verfahren hergestellt. Bekannt sind auch Kunststoffpermanentmagnete, welche in einem Kunststoffspritzverfahren hergestellt werden. Nach Herstellung des Magnetkörpers, also beispielsweise eines massiven Zylinders, wird dem Magnetkörper ein Magnetfeld, vorzugsweise mittels einer stromdurchflossenen Spule aufgeprägt. Beim Herstellungsprozess der Permanentmagnete treten toleranzbedingt Fehler oder Abweichungen gegenüber dem Sollzustand auf. Insbesondere kann die Achse des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes nicht mit der Achse des Magnetkörpers, also dessen Zylinderachse übereinstimmen, d. h. die Achse des Magnetfeldes bildet dann mit der Zylinderachse des Magneten einen Abweichwinkel. In der Darstellung gemäß 1 ist eine Feldlinie des Magnetfeldes Fo mit fo bezeichnet, welche als Magnetfeldachse angesehen werden kann. Man erkennt aus der Darstellung, dass die Feldlinie fo und auch die benachbarten Feldlinien in der Zeichnung leicht nach rechts, d. h. aus der Mitte heraus geneigt sind. Die Feldlinien des Magnetfeldes Fo sind somit nicht symmetrisch zur Zylinderachse (nicht dargestellt) des Magneten Mo angeordnet; die Magnetfeldachse fo weist somit eine Abweichung auf. Der Magnet Mo ist nicht kompensiert. Wenn unkompensierte Permanentmagnete für Winkelmessungen mit Magnetfeldsensoren eingesetzt werden, ergeben sich ungenaue, d. h. fehlerbehaftete Messergebnisse.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Magneten M_K , welcher aus zwei koaxial übereinander angeordneten Magnetelementen M₁ und M₂ aufgebaut ist. Der Magnet M_K weist ein symmetrisch zur Zylinderachse (nicht dargestellt) angeordnetes Magnetfeld F_K auf, welches gegenüber dem Magnetfeld Fo gemäß 1 kompensiert ist, wie im Folgenden erläutert wird.
Die Magnetelemente M₁ , M₂ sind als Permanentmagnete ausgebildet und weisen jeweils gleiche Höhen h₁ , h₂ auf, welche zusammen die Gesamthöhe h des Magneten M_K ergeben. Jedes der Magnetelemente M₁ , M₂ weist eine individuelle Abweichung des Magnetfeldes vom Sollzustand auf, welche durch Messung feststellbar und lokalisierbar ist. Eine solche Abweichung kann insbesondere eine Schiefstellung der Magnetfeldachse gegenüber der Zylinderachse des Magneten sein. Beim Aufbau des kompensierten Magneten M_K werden die Magnetelemente M₁ , M₂ zunächst koaxial übereinander angeordnet und dann um ihre Zylinderachse derart gegeneinander verdreht, dass sich die individuellen Abweichungen kompensieren. Dies führt zu dem kompensierten Magnetfeld F_K , bei welchem die Magnetfeldachse, dargestellt durch die mittlere Feldlinie f_K , mit der Zylinderachse des Magneten M_K übereinstimmt.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können auch mehr als zwei Magnetelemente und Magnetelemente unterschiedlicher Höhe zur Kompensation verwendet werden. Darüber hinaus kann eines der beiden Magnetelemente durch Weicheisen unterschiedlicher Dicke ersetzt werden.
Erfindungsgemäß wird der kompensierte Magnet M_K für einen Magnetfeldsensor verwendet, d. h. in Verbindung mit einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Magnet M_K dabei in einem Kugel- oder Kugelhülsengelenk, wie es z. B. in der eingangs genannten älteren Anmeldung der Anmelderin offenbart ist, verbaut und dient als Signalgeber bei einer Winkelbewegung des Gelenks. Mit Verwendung des erfindungsgemäß kompensierten Permanentmagneten lassen sich fehlerfreie bzw. hinreichend genaue Winkelmessungen durchführen.
3 zeigt den Einbau des erfindungsgemäß kompensierten Magneten M_K in einem Kugelgelenk 1, welches einen Kugelzapfen 2 mit einer Längsachse a, einer Gelenkkugel 2a und einem Schaft 2b sowie ein die Gelenkkugel 2a aufnehmendes Gelenkgehäuse 3 umfasst. Der Magnet M_K ist in einer als Sacklochbohrung ausgebildeten Ausnehmung 2c der Gelenkkugel 2a angeordnet und fixiert. Das Gelenkgehäuse 3 weist eine napfartige Vertiefung 3a im Bereich der Längsachse a auf, in welcher ein Magnetfeld empfindliches Sensorelement 4, vorzugsweise ein Hall-Element 4, aufgenommen ist. Das Sensorelement 4 befindet sich im Bereich des vom Permanentmagneten M_K erzeugten Magnetfeldes (hier nicht dargestellt), so dass eine Winkelbewegung des Kugelzapfens 2 und der Gelenkkugel 2a ein Signal im Sensorelement 4 auslöst. Bei dem erfindungsgemäß kompensierten Permanentmagneten M_K fällt die Achse des Magnetfeldes mit der Längsachse a des Kugelzapfens 2 zusammen. Der kompensierte Magnet M_K und das Sensorelement 4 bilden zusammen den Magnetfeldsensor (ohne Bezugszahl).
Bezugszeichenliste

1: Kugelgelenk
2: Kugelzapfen
2a: Gelenkkugel
2b: Schaft
2c: Ausnehmung
3: Gelenkgehäuse
3a: Vertiefung
4: Sensorelement
a: Längsachse
d: Durchmesser
F₀: Magnetfeld (nicht kompensiert)
F_K: Magnetfeld (kompensiert)
f₀: Feldlinie
f_K: Feldlinie
h: Höhe
h₁: Elementenhöhe
h₂: Elementenhöhe
M₀: Magnet (nicht kompensiert)
M_K: Magnet (kompensiert)
M₁: Magnetelement
M₂: Magnetelement

Claims

Magnetfeldsensor mit einem, ein Magnetfeld (F_K) mit einer Magnetfeldachse (f_K) erzeugenden Magneten (M_K), dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (M_K) aus mindestens zwei übereinander angeordneten Magnetelementen (M₁, M₂) zusammengesetzt ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (M_K) eine Gesamthöhe (h) und die Magnetelemente (M₁, M₂) jeweils eine Elementenhöhe (h₁, h₂) aufweisen, wobei die Summe der Elementenhöhen (h₁, h₂) die Gesamthöhe (h) ergibt.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementenhöhen (h₁, h₂) gleich sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (M₁, M₂) jeweils Abweichungen des Magnetfeldes (F₀), insbesondere der Magnetfeldachse (f₀) aufweisen und dass die Magnetelemente (M₁, M₂) in Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass sich die Abweichungen zumindest teilweise kompensieren.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (M_K) und die Magnetelemente (M₁, M₂) zylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (M_K) in einer Ausnehmung (2c) eines um mindestens eine Achse beweglichen Bauteiles (2) angeordnet und fixiert ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Bauteil als Kugelzapfen (2) mit einer Längsachse (a) ausgebildet ist.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung als Sacklochbohrung (2c) ausgebildet ist, die koaxial zur Längsachse (a) des Kugelzapfens (2) angeordnet ist.
Verfahren zur Kompensation von Abweichungen des Magnetfeldes bei einem Magneten eines Magnetfeldsensors, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (M_K) aus mindestens zwei jeweils Abweichungen ihrer Magnetfelder aufweisenden Magnetelementen (M₁, M₂) aufgebaut wird, dass die Magnetelemente (M₁, M₂) in axialer Richtung übereinander angeordnet und in Umfangsrichtung derart gegeneinander verdreht werden, dass sich die Abweichungen der Magnetfelder der mindestens zwei Magnetelemente (M₁, M₂) zumindest teilweise aufheben.
Verwendung eines Magnetfeldsensors mit einem ein Magnetfeld (F_K) erzeugenden, kompensierten Magneten (M_K) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Winkelmessung in einem Kugelgelenk (1).