DE102018106438A1 - Sensor arrangement with a Multipolencoder and rotary bearing with such a sensor arrangement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung umfassend: einen Multipolencoder (10) aus mehreren aneinander angrenzenden Polpaaren (12), die eine Abtastebene mit in einer Abtastrichtung (X) abwechselnd angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen bereitstellen; mindestens einen Magnetfeldsensor mit einer Sensorfläche, wobei der Multipolencoder (10) in der Abtastrichtung (X) relativ zu dem Magnetfeldsensor bewegbar ist, sodass durch die Sensorfläche ein in Abtastrichtung veränderliches Magnetfeld mit alternierender Polarität läuft, dessen Abtast-Feldstärke zwischen benachbarten Polen jeweils einen Nulldurchgang zeigt. Die Sensoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Grenzlinien (13) zwischen benachbarten Polpaaren (12) des Multipolencoders (10) derart ausgebildet sind, dass sich das Tastverhältnis des Signales des Magnetfeldsensors bei Bewegung des Multipolencoders in Abtastrichtung (X) ändert, wenn gleichzeitig eine Bewegung des Multipolencoders in einer senkrecht zu der Abtastrichtung verlaufenden Richtung (Y) stattfindet, während die Gesamtbreite des Polpaares mit Nordpol und Südpol gleich bleibt, wobei das Tastverhältnis dem Verhältnis der Nordpolbreite zu der Gesamtbreite des Polpaares mit Nordpol und Südpol entspricht.The present invention relates to a sensor arrangement comprising: a multipole encoder (10) of a plurality of mutually adjacent pole pairs (12) which provide a scanning plane with magnetic north and south poles alternately arranged in a scanning direction (X); at least one magnetic field sensor having a sensor surface, wherein the Multipolencoder (10) in the scanning direction (X) is movable relative to the magnetic field sensor, so that a scanning magnetic field with alternating polarity passes through the sensor surface, the scanning field strength between adjacent poles each have a zero crossing shows. The sensor arrangement is characterized in that the boundary lines (13) between adjacent pole pairs (12) of the Multipolencoders (10) are designed such that the duty cycle of the signal of the magnetic field sensor when moving the Multipolencoders in the scanning direction (X) changes, if at the same time Movement of the multipole encoder takes place in a direction perpendicular to the scanning direction (Y), while the total width of the pole pair with the north pole and south pole remains the same, the duty cycle corresponds to the ratio of the north pole width to the total width of the pole pair with north pole and south pole.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, welche einen Multipolencoder und einen Magnetfeldsensor umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Rotationslager mit einer solchen Sensoranordnung.The present invention relates to a sensor arrangement comprising a multipole encoder and a magnetic field sensor. The invention further relates to a rotary bearing with such a sensor arrangement.
Der Multipolencoder stellt eine Abtastebene bereit, die aus mehreren in einer Abtastrichtung aufeinanderfolgenden magnetischen Polen gebildet wird. Der Multipolencoder besteht aus mehreren aneinander angrenzenden Polpaaren, wobei sich die Magnetfeldausrichtung der jeweils aufeinanderfolgenden Polpaare abwechselt. Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise als magnetoresistiver Sensor oder Hallsensor ausgebildet sein.The multipole encoder provides a scanning plane formed of a plurality of magnetic poles consecutive in a scanning direction. The Multipolencoder consists of several mutually adjacent pole pairs, wherein the magnetic field alignment of each successive pole pairs alternates. The magnetic field sensor may be formed, for example, as a magnetoresistive sensor or Hall sensor.
Um mit der Sensoranordnung Dreh- oder Linearbewegungen erfassen zu können, ist der Multipolencoder in der Abtastrichtung relativ zum Magnetfeldsensor bewegbar, wobei während dieser Bewegung das gewünschte Sensorsignal erzeugt wird. Während der Relativbewegung läuft ein in Abtastrichtung veränderliches Magnetfeld mit alternierender Polarität, welches von den aufeinanderfolgenden magnetischen Polen erzeugt wird, durch eine Sensorfläche des Magnetfeldsensors.In order to be able to detect rotational or linear movements with the sensor arrangement, the multipole encoder is movable relative to the magnetic field sensor in the scanning direction, during which movement the desired sensor signal is generated. During the relative movement, a scanning magnetic field of alternating polarity, which is generated by the successive magnetic poles, passes through a sensor surface of the magnetic field sensor.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoranordnungen bekannt, die der berührungslosen Erfassung einer Relativbewegung zwischen zwei Maschinenteilen dienen. Solche Sensoranordnungen kommen beispielsweise bei Rotationslagern zur Erfassung der Drehzahl zum Einsatz. An Radlagern werden mit derartigen Sensoranordnungen die Drehzahlen der Fahrzeugräder und daraus die jeweiligen Rotationsgeschwindigkeiten ermittelt.Numerous sensor arrangements are known from the prior art, which serve the non-contact detection of a relative movement between two machine parts. Such sensor arrangements are used, for example, in rotary bearings for detecting the rotational speed. At wheel bearings with such sensor arrangements, the rotational speeds of the vehicle wheels and therefrom the respective rotational speeds are determined.
Die
Die
Aus der
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass Bewegungen nur in einer Richtung erfasst werden können.A disadvantage of the known solutions is that movements can be detected only in one direction.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von bekannten Sensoranordnungen zur berührungslosen Erfassung von Relativbewegungen darin, eine verbesserte Sensoranordnung bereitzustellen, die einen Multipolencoder mit einer Abtastebene aus mehreren in einer Abtastrichtung aufeinanderfolgenden magnetischen Polen nutzt und eine Erfassung von Bewegungen in Abtastrichtung und zusätzlich eine Erfassung von Bewegungen des Multipolencoders senkrecht zu der Abtastrichtung ermöglicht.It is an object of the present invention to provide an improved sensor assembly utilizing a multi-level encoder having a scanning plane of a plurality of magnetic poles contiguous in a scanning direction and detection of movements in the scanning direction and, in addition, detection of movements, from known sensor arrangements for non-contact relative movement detection of the multipole encoder perpendicular to the scanning direction.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a sensor arrangement according to the appended claim 1.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst zunächst in bekannter Weise einen Multipolencoder mit einer Abtastebene aus mehreren in einer Abtastrichtung aufeinanderfolgenden magnetischen Polen. Die aufeinanderfolgenden Pole werden von aneinandergereihten Polpaaren bereitgestellt, die abwechselnde Magnetfeldausrichtungen besitzen, so dass in der Abtastebene jeweils neben einem Nordpol eines ersten Polpaares ein Südpol eines benachbarten zweiten Polpaares liegt, dem wiederum ein Nordpol eines benachbarten dritten Polpaares folgt usw. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung mindestens einen Magnetfeldsensor mit einer Sensorfläche. Der Multipolencoder ist in der Abtastrichtung relativ zu dem Magnetfeldsensor bewegbar. Durch die Sensorfläche läuft bei dieser Bewegung in Abtastrichtung ein veränderliches Magnetfeld mit alternierender Polarität. Das daraufhin vom Magnetfeldsensor erzeugte Signal hat einen sinusförmigen Verlauf, der die abwechselnde Polarität der magnetischen Areale widerspiegelt. Bei konstanter Bewegungsgeschwindigkeit in Abtastrichtung ist die Periodendauer dieses sinusförmigen Signales ebenfalls konstant. Die Breite der positiven Sinus-Halbwelle, welche z.B. beim Durchlaufen des magnetischen Nordpols erzeugt wird, und die Breite der negativen Sinus-Halbwelle, welche z.B. beim Durchlaufen des magnetischen Südpols erzeugt wird, sind dann gleich groß. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis der Nordpol- zur Gesamtpolbreite bzw. der äquivalenten Dauer im sinusförmigen Sensorsignal und beträgt bei gleich großem Nord- und Südpol 0,5 bzw. 50%. Erfindungsgemäß sind die Grenzlinien zwischen benachbarten Polpaaren des Multipolencoders derart ausgebildet, dass sich dieses Tastverhältnis ändert, wenn gleichzeitig zur Bewegung in Abtastrichtung eine relative Verschiebung zwischen Multipolencoder und Magnetfeldsensor senkrecht zur Abtastrichtung stattfindet, während die Gesamtbreite von Nordpol zu Südpol gleich bleibt. Damit ist sichergestellt, dass auch mit geändertem Tastverhältnis eine Detektion der Bewegungsgeschwindigkeit in Abtastrichtung durch Auswertung der Zeitdauer von steigender zu steigender bzw. fallender zu fallender Flanke des sinusförmigen Sensorsignals erfolgen kann.The sensor arrangement according to the invention initially comprises, in a known manner, a multipole encoder having a scanning plane of a plurality of magnetic poles successive in a scanning direction. The successive poles are provided by juxtaposed pole pairs, which have alternating magnetic field alignments, so that in the scanning plane next to a north pole of a first Polpaares a south pole of an adjacent second pair of poles, which in turn is followed by a north pole of an adjacent third Polpaares etc. Furthermore, the sensor arrangement comprises at least a magnetic field sensor with a sensor surface. The multipole encoder is movable in the scanning direction relative to the magnetic field sensor. By the Sensor surface runs during this movement in the scanning direction, a variable magnetic field with alternating polarity. The signal then generated by the magnetic field sensor has a sinusoidal shape that reflects the alternating polarity of the magnetic areas. At constant moving speed in the scanning direction, the period of this sinusoidal signal is also constant. The width of the positive sine half-wave, which is generated for example when passing through the magnetic north pole, and the width of the negative sine half-wave, which is generated when passing through the magnetic south pole, for example, are then the same size. The duty cycle is the ratio of the north pole to the total pole width or the equivalent duration in the sinusoidal sensor signal and is 0.5 and 50% for the same large north and south pole. According to the invention, the boundary lines between adjacent pole pairs of the Multipolencoders are formed such that this duty cycle changes when a relative displacement between Multipolencoder and magnetic field sensor takes place perpendicular to the scanning direction, while the total width from north to south pole remains the same for movement in the scanning direction. This ensures that detection of the movement speed in the scanning direction can be carried out by evaluating the time duration from rising to rising or falling to falling edge of the sinusoidal sensor signal even with a modified duty cycle.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung besteht darin, dass durch die spezielle Ausbildung der Grenzlinien zwischen benachbarten Polpaaren des Multipolencoders neben der in Abtastrichtung verlaufenden Bewegungsrichtung auch senkrecht zu der Abtastrichtung verlaufende Bewegungen erfasst werden können. Hierzu wird das Tastverhältnis, also das Verhältnis der Nordpolbreite zu der Gesamtbreite von Nordpol zu Südpol, ausgewertet. Falls sich das Tastverhältnis ändert, fand eine relative Bewegung zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Multipolencoder senkrecht zu der Abtastrichtung statt. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich aufwandsarm ohne konstruktiven Mehraufwand realisieren.A significant advantage of the sensor arrangement according to the invention is that due to the special design of the boundary lines between adjacent pole pairs of the multipole encoder in addition to the running direction in the scanning direction also perpendicular to the scanning direction running movements can be detected. For this purpose, the duty cycle, ie the ratio of the north pole width to the total width from north pole to south pole, is evaluated. If the duty cycle changes, relative motion between the magnetic field sensor and the multipole encoder occurred perpendicular to the scan direction. The solution according to the invention can be realized with little effort without additional design effort.
Die Grenzlinien zwischen benachbarten Polpaaren können auf unterschiedlichste Art und Weise realisiert werden. Nachfolgend werden beispielhaft einige Ausführungen genannt, wobei keine Einschränkung auf die genannten Ausführungen erfolgen soll, andere geeignete Ausführungsformen sind durchaus denkbar. Gemäß einer ersten Ausführung weisen die Grenzlinien zwischen benachbarten Polpaaren einen zahnförmigen Verlauf auf. Bei dieser Ausführung ändert sich das Tastverhältnis linear, so dass kleine Bewegungen auch nur kleine Änderungen des Tastverhältnisses bewirken. Bei einer alternativen Ausführungsform weisen die Grenzlinien zwischen benachbarten Polpaaren einen bogenförmigen Verlauf auf. Die Veränderung des Tastverhältnisses ist bei dieser Ausführung nicht-linear. Bereits kleine Bewegungen bewirken eine verhältnismäßig große Änderung des Tastverhältnisses. Des Weiteren können die Grenzlinien zwischen benachbarten Polpaaren einen stufenförmigen Verlauf aufweisen. Durch den stufenförmigen Verlauf ändert sich das Tastverhältnis sprunghaft. Die Auflösung ist hierdurch zwar niedriger, dafür sind jedoch die Änderungen im Tastverhältnis an den Stufen deutlicher.The boundary lines between adjacent pole pairs can be realized in many different ways. Some embodiments are mentioned below by way of example, wherein no restriction is to be made to the stated embodiments, other suitable embodiments are quite conceivable. According to a first embodiment, the boundary lines between adjacent pole pairs on a tooth-shaped course. In this embodiment, the duty cycle changes linearly, so that small movements cause only small changes in the duty cycle. In an alternative embodiment, the boundary lines between adjacent pole pairs on a curved course. The change in the duty cycle is non-linear in this embodiment. Even small movements cause a relatively large change in the duty cycle. Furthermore, the boundary lines between adjacent pole pairs may have a step-shaped course. Due to the stepped course, the duty cycle changes abruptly. Although the resolution is thereby lower, but the changes in the duty cycle at the stages are clearer.
Eine vorteilhafte Ausführungsform nutzt eine Sensoranordnung mit zwei Magnetfeldsensoren, welche phasenversetzt zueinander angeordnet sind. Bei Verwendung eines Sensorelements ist die Amplitude des Sensorsignals abhängig von der Position in Abtastrichtung und von der Position in der senkrecht zu der Abtastrichtung verlaufenden Richtung. Bei Bewegungen senkrecht zu der Abtastrichtung ändert sich die Amplitude des Sensorsignals linear. Außerdem besteht eine zusätzliche Temperaturabhängigkeit. Die Positionsbestimmung in der senkrecht zu der Abtastrichtung verlaufenden Richtung ist somit nicht eindeutig. Die Verwendung von zwei phasenversetzt zueinander angeordneten Magnetfeldsensoren hat den Vorteil, dass unabhängig von der Magnetspurposition in Abtastrichtung die Differenz der beiden Sensorsignale immer gleich groß ist. Somit besteht lediglich eine Temperaturabhängigkeit. Falls im Stillstand, d. h. wenn keine Bewegung in Abtastrichtung stattfindet, eine Verschiebung senkrecht zu der Abtastrichtung erfolgt, kann durch Vergleich der Amplituden der Sensorsignale Rückschluss auf die Lage gezogen werden. Dies ist unabhängig von der Temperatur.An advantageous embodiment uses a sensor arrangement with two magnetic field sensors, which are arranged in phase opposition to one another. When using a sensor element, the amplitude of the sensor signal is dependent on the position in the scanning direction and the position in the direction perpendicular to the scanning direction. In movements perpendicular to the scanning direction, the amplitude of the sensor signal changes linearly. There is also an additional temperature dependence. The determination of the position in the direction perpendicular to the scanning direction is thus not clear. The use of two phase-shifted magnetic field sensors has the advantage that, regardless of the magnetic track position in the scanning direction, the difference between the two sensor signals is always the same. Thus, there is only a temperature dependence. If at standstill, d. H. If no movement takes place in the scanning direction, a displacement perpendicular to the scanning direction, conclusions can be drawn on the situation by comparing the amplitudes of the sensor signals. This is independent of the temperature.
Der Magnetfeldsensor kann in Halbleiterbauweise gestaltet sein und einen magnetoresistiven Effekt oder den Hall-Effekt nutzen. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Magnetfeldsensoren erfolgen, andere geeignete Magnetfeldsensoren sind möglich.The magnetic field sensor may be designed in semiconductor construction and use a magnetoresistive effect or the Hall effect. However, it should not be limited to the mentioned magnetic field sensors, other suitable magnetic field sensors are possible.
Der Multipolencoder kann sich sowohl in einer flachen Ebene als auch entlang einer gekrümmten Ebene erstrecken. Er kann beispielsweise Bestandteil eines Linearlagers oder eines Rotationslagers sein.The multipole encoder may extend both in a flat plane and along a curved plane. It can for example be part of a linear bearing or a rotation bearing.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensoranordnung mit einer Auswerteeinrichtung verbindbar. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Sensoreinrichtung mit einem Anschlusskabel zum Anschluss an eine Auswerteeinheit auszustatten. Es sind jedoch auch alternative Ausführungsformen möglich, bei denen die Datenübertragung zur Auswerteeinheit nicht über Kabel sondern drahtlos, vorzugsweise mittels Funksignal erfolgt.According to an advantageous embodiment, the sensor arrangement can be connected to an evaluation device. In this context, it has proven expedient to equip the sensor device with a connecting cable for connection to an evaluation unit. However, alternative embodiments are also possible in which the data transmission to the evaluation unit does not take place via cable but wirelessly, preferably by means of a radio signal.
Das erfindungsgemäße Rotationslager umfasst zwei relativ zueinander rotierbare Maschinenteile und die zuvor beschriebene Sensoranordnung, welche zur Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit dient. Das Rotationslager kann beispielsweise als ein Radlager ausgebildet sein. The rotary bearing according to the invention comprises two relatively rotatable machine parts and the sensor arrangement described above, which serves to detect the rotational speed. The rotary bearing may be formed, for example, as a wheel bearing.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Multipolencoders für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung; -
2 drei Diagramme des Verlaufs des Ausgangssignals der erfindungsgemäßen Sensoranordnung; -
3 eine perspektivische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik; -
4 ein Diagramm des Verlaufs des Ausgangssignals der Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik; -
5 einen ringförmigen Multipolencoder gemäß dem Stand der Technik; -
6 eine schematische Darstellung von zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, welche den Multipolencoder gemäß1 nutzen; -
7 ein Diagramm des Verlaufs der Signalamplituden der bei den Ausführungsformen gemäß6 verwendeten Magnetfeldsensoren; -
8 eine ringförmige Ausführung des Multipolencoders gemäß1 ; -
9 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Multipolencoders; -
10 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Multipolencoders; -
11 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Multipolencoders; -
12 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Rotationslagers. Nachfolgend wird für ein leichteres Verständnis zunächst anhand der3 ,4 und5 eine herkömmliche Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik beschrieben.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of a Multipolencoders for a sensor arrangement according to the invention; -
2 three diagrams of the course of the output signal of the sensor arrangement according to the invention; -
3 a perspective view of a sensor arrangement according to the prior art; -
4 a diagram of the course of the output signal of the sensor arrangement according to the prior art; -
5 a ring-shaped multipole encoder according to the prior art; -
6 a schematic representation of two embodiments of the sensor arrangement according to the invention, which the Multipolencoder according to1 use; -
7 a diagram of the course of the signal amplitudes of the embodiments according to6 used magnetic field sensors; -
8th an annular embodiment of the Multipolencoders according to1 ; -
9 a schematic representation of a second embodiment of the Multipolencoders; -
10 a schematic representation of a third embodiment of the Multipolencoders; -
11 a schematic representation of a fourth embodiment of the Multipolencoders; -
12 a cross-sectional view of a rotation bearing according to the invention. The following is for the sake of easier understanding, first on the basis of3 .4 and5 a conventional sensor arrangement according to the prior art described.
Das Tastverhältnis bei einem in Lage
Aus dem Sensorsignal können somit zwei Bewegungsinformationen abgeleitet werden. Einerseits können Bewegungen in
Die zweite Ausführungsform der Sensoranordnung gemäß
Ein weiterer Bestandteil des Rotationslagers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Stand der Technik:
- 01
- Magnetfeldsensor
- 02
- Multipolencoder
- 03
- Polpaare
- 04
- Magnetfeldlinien
- 05
- Grenzlinien
- 01
- magnetic field sensor
- 02
- multipole
- 03
- pole pairs
- 04
- magnetic field lines
- 05
- boundary lines
Erfindung:
- 10
- Multipolencoder
- 11
- -
- 12
- Polpaare
- 13
- Grenzlinien
- 14
- Magnetfeldsensor
- 15
- Rotationslager
- 16
- -
- 17
- Außenring
- 18
- Innenring
- 19
- Wälzkörperraum
- 20
- Wälzkörper
- 21
- -
- 22
- Träger
- 10
- multipole
- 11
- -
- 12
- pole pairs
- 13
- boundary lines
- 14
- magnetic field sensor
- 15
- rotary bearings
- 16
- -
- 17
- outer ring
- 18
- inner ring
- 19
- anti-friction
- 20
- rolling elements
- 21
- -
- 22
- carrier
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R003 | Refusal decision now final |