DE102018217283A1 - Angle sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor (16) zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel (18) abhängigen Ausgangssignals umfassend eine um ihre Drehachse (37) drehbar gelagerte Welle (38), einen drehfest an einem axialen Ende (39) der Welle (38) befestigten Permanentmagnet (30) zum Abgeben eines magnetischen Messfeldes (32) und ein zum Permanentmagnet (30) mit einem Luftspalt (31) beabstandet angeordnetes Sensorelement (28) zum Erfassen des magnetischen Messfelds (32), wobei das Sensorelement (28) in einem relativ zur Drehachse (37) durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten (30) beschränkten Bereich angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet (30) eine bezüglich der Drehachse (37) axiale Magnetisierung aufweist.The invention relates to an angle sensor (16) for outputting an output signal which is dependent on an angle of rotation (18), comprising a shaft (38) rotatably mounted about its axis of rotation (37), and a permanent magnet fastened in a rotationally fixed manner to an axial end (39) of the shaft (38) (30) for emitting a magnetic measuring field (32) and a sensor element (28) arranged at a distance from the permanent magnet (30) with an air gap (31) for detecting the magnetic measuring field (32), the sensor element (28) being in a position relative to the axis of rotation (37) is arranged by the radial extent of the permanent magnet (30), the permanent magnet (30) having an axial magnetization with respect to the axis of rotation (37).
Description
Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines Winkelsensors.The invention relates to an angle sensor for outputting an output signal which is dependent on an angle of rotation, and to a method for producing an angle sensor.
Aus der WO 2006 / 029 946 A1 ist ein Sensor mit einem Feldgeberelement in Form eines diametral magnetisierten, zylindrischen Permanentmagneten und einem Sensorelement mit zugehöriger Auswertschaltung zur Erfassung eines vom Permanentmagneten abgegebenen Magnetfeldes bekannt. Der Permanentmagnet kann über einen zu erfassenden Weg, wie beispielsweise einen Drehwinkel bewegt werden, wobei das Sensorelement den Drehwinkel basierend auf dem vom Gebermagneten abgegebenen Magnetfeld erfasst und in einem Ausgabesignal ausgibt. Derartige Winkelsensoren können in Zusammenwirkung mit entsprechenden Gelenkstangen als Höhenstandssensor zur Erfassung des Abstands zwischen einer Fahrzeugkarosserie und einem Radträger eingesetzt werden.WO 2006/029 946 A1 discloses a sensor with a field transmitter element in the form of a diametrically magnetized, cylindrical permanent magnet and a sensor element with an associated evaluation circuit for detecting a magnetic field emitted by the permanent magnet. The permanent magnet can be moved via a path to be detected, such as an angle of rotation, wherein the sensor element detects the angle of rotation based on the magnetic field emitted by the transmitter magnet and outputs it in an output signal. Such angle sensors can be used in cooperation with corresponding articulated rods as a level sensor for detecting the distance between a vehicle body and a wheel carrier.
Die bei solchen Sensoren verwendeten diametral magnetisierten Permanentmagnete erzeugen während ihrer Umdrehung einen sinusförmigen Flussdichteverlauf, der sich präzise und einfach messen lässt. Die gilt jedoch nur für einen Durchmesserbereich, der etwa einem Drittel des Gesamtdurchmessers des zylindrischen Magneten entspricht. Bei der Messung wird also ein Großteil des Magnets nicht genutzt. Andererseits müssen, um in axialer Richtung für die Messung ein Magnetfeld mit ausreichender Stärke nutzen zu können, hochwertige Permanentmagnete mit seltenen Erden verwendet werden, weshalb der nicht genutzte Teil des Magnets die Gegenüberstellung von Kosten und Nutzen besonders negativ beeinflusst.The diametrically magnetized permanent magnets used in such sensors generate a sinusoidal flux density curve during their rotation, which can be measured precisely and easily. However, this only applies to a diameter range that corresponds to approximately one third of the total diameter of the cylindrical magnet. Most of the magnet is therefore not used during the measurement. On the other hand, in order to be able to use a magnetic field of sufficient strength in the axial direction for the measurement, high-quality permanent magnets with rare earths must be used, which is why the unused part of the magnet has a particularly negative influence on the comparison of costs and benefits.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Winkelsensor anzugeben, der kostengünstig und / oder effizient ist.It is therefore an object of the invention to provide an angle sensor which is inexpensive and / or efficient.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Ansprüche werden durch ausdrückliche Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht.The object is solved by the features of the independent claim. Preferred developments are the subject of the dependent claims. The claims are made the subject of the description by express reference.
Erfindungsgemäß umfasst ein Winkelsensor zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals eine um ihre Drehachse drehbar gelagerte Welle, einen drehfest an einem axialen Ende der Welle befestigten Permanentmagnet zum Abgeben eines magnetischen Messfeldes und ein zum Permanentmagnet mit einem Luftspalt beabstandet angeordnetes Sensorelement zum Erfassen des magnetischen Messfelds, wobei das Sensorelement in einem relativ zur Drehachse durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten beschränkten Bereich angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet eine bezüglich der Drehachse axiale Magnetisierung aufweist. Der Permanentmagnet weist mit anderen Worten eine Magnetisierung auf, deren Pole parallel zur Richtung der Drehachse angeordnet sind. Die axial ausgerichtete Magnetisierung bewirkt, dass der Permanentmagnet einen geringen Durchmesser aufweisen kann, wodurch Magnetmaterial und somit Kosten eingespart werden können.According to the invention, an angle sensor for outputting an output signal which is dependent on an angle of rotation comprises a shaft which is rotatably mounted about its axis of rotation, a permanent magnet which is fixed in a rotationally fixed manner to an axial end of the shaft for emitting a magnetic measuring field and a sensor element which is arranged at a distance from the permanent magnet with an air gap for detecting the magnetic measuring field , wherein the sensor element is arranged in a region limited relative to the axis of rotation by the radial extent of the permanent magnet, the permanent magnet having an axial magnetization with respect to the axis of rotation. In other words, the permanent magnet has a magnetization, the poles of which are arranged parallel to the direction of the axis of rotation. The axially aligned magnetization means that the permanent magnet can have a small diameter, which means that magnetic material and thus costs can be saved.
Das Sensorelement ist in einem relativ zur Drehachse durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten beschränkten Bereich angeordnet. Mit anderen Worten ist das Sensorelement senkrecht unterhalb der Stirnfläche des Permanentmagneten angeordnet bzw. in dem Bereich, der einer axialen Verlängerung des Permanentmagneten entspricht.The sensor element is arranged in a region limited relative to the axis of rotation by the radial extent of the permanent magnet. In other words, the sensor element is arranged vertically below the end face of the permanent magnet or in the area that corresponds to an axial extension of the permanent magnet.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Hall-Sensor.The sensor element is preferably a Hall sensor.
Alternativ können auch mehrere Sensorelemente verwendet werden, die ebenfalls in diesem Bereich angeordnet sind. Insbesondere können vier Sensorelemente verwendet werden, die mittels einer Arctan-Berechnung eine über 360° eindeutige Messung gewährleisten.Alternatively, several sensor elements can also be used, which are also arranged in this area. In particular, four sensor elements can be used which ensure an unambiguous measurement over 360 ° by means of an arctan calculation.
Es ist bevorzugt, dass der Permanentmagnet an der dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite eine unebene Kontur aufweist, so dass der Luftspalt in Abhängigkeit des Drehwinkels veränderlich ist, insbesondere gemäß eines sinusförmigen Verlaufs veränderlich ist. Der veränderliche Luftspalt ist vorzugsweise in Abhängigkeit des Drehwinkels als kürzester Abstand zwischen dem Permanentmagnet und dem Sensorelement definiert. Die unebene Kontur bewirkt, dass der Luftspalt und damit die gemessene Flussdichte mit dem Drehwinkel variiert, so dass die Flussdichte ein Maß für den Drehwinkel ist.It is preferred that the permanent magnet has an uneven contour on the side opposite the sensor element, so that the air gap is variable as a function of the angle of rotation, in particular is variable in accordance with a sinusoidal profile. The variable air gap is preferably defined as a function of the angle of rotation as the shortest distance between the permanent magnet and the sensor element. The uneven contour causes the air gap and thus the measured flux density to vary with the angle of rotation, so that the flux density is a measure of the angle of rotation.
Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Permanentmagnet ein Ferrit-Magnet ist und insbesondere keine seltenen Erden, wie beispielsweise Neodym, Lanthan, Yttrium, Dysprosium, Terbium oder Praseodym aufweist. Zwar ist die Leistungsfähigkeit eines Ferrit-Magnets geringer als die eines Magnets mit seltenen Erden, jedoch erlaubt die erfindungsgemäße Ausführung des Winkelsensors den Einsatz eines Magnets mit einem deutlich schwächeren Feld. Somit reduzieren sich die Kosten für den Magnet und für den Winkelsensor insgesamt.It corresponds to a preferred embodiment that the permanent magnet is a ferrite magnet and in particular has no rare earths, such as neodymium, lanthanum, yttrium, dysprosium, terbium or praseodymium. Although the performance of a ferrite magnet is lower than that of a rare earth magnet, the design of the angle sensor according to the invention allows the use of a magnet with a significantly weaker field. This reduces the costs for the magnet and for the angle sensor as a whole.
Vorzugsweise ist der Permanentmagnet ein kunststoffgebundener, gespritzter oder gepresster Magnet. Gespritzte bzw. gepresste Magnete entstehen als Verbundwerkstoffe durch Einbettung von beispielsweise Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver in thermoplastische Kunststoffe. Dabei bestimmen die Mengenanteile des Magnetpulvers die magnetischen und mechanischen Eigenschaften. Kunststoffgebundene, gespritzte Magnete sind verglichen mit kunststoffgebunden gepressten Magneten elastischer, weisen jedoch meist geringere magnetische Werte auf.The permanent magnet is preferably a plastic-bonded, injection-molded or pressed magnet. Injected or pressed magnets are created as composite materials by embedding for example hard ferrite or rare earth magnet powder in thermoplastic materials. The proportions of the magnetic powder determine the magnetic and mechanical properties. Plastic-bonded, injection-molded magnets are more elastic than plastic-bonded pressed magnets, but usually have lower magnetic values.
Es ist bevorzugt, dass der Permanentmagnet wenigstens zwei Teilmagnete mit in Richtung der Drehachse gegensätzlichen axialen Magnetisierungen aufweist.It is preferred that the permanent magnet has at least two partial magnets with opposite axial magnetizations in the direction of the axis of rotation.
Die Teilmagnete sind bezüglich der Drehachse bevorzugt achsensymmetrisch angeordnet und ausgebildet. Entsprechend ist beispielsweise ein Teilmagnet mit einer Nord-Süd-Magnetisierung in Richtung parallel zur Drehachse radial benachbart zu einem Teilmagnet angeordnet, der eine Süd-Nord-Magnetisierung in Richtung parallel zur Drehachse aufweist. Die Stirnseite des durch die Teilmagnete gebildeten Permanentmagneten weist also einen magnetischen Nord- und einen Südpol auf.The partial magnets are preferably arranged and formed axially symmetrical with respect to the axis of rotation. Correspondingly, for example, a partial magnet with a north-south magnetization in the direction parallel to the axis of rotation is arranged radially adjacent to a partial magnet which has a south-north magnetization in the direction parallel to the axis of rotation. The end face of the permanent magnet formed by the partial magnets thus has a magnetic north and a south pole.
Es ist bevorzugt, dass die Teilmagnete aneinander anliegen und insbesondere einteilig, beispielsweise als ein kunststoffgebundener, gespritzter oder gepresster Magnet, ausgebildet sind.It is preferred that the partial magnets abut one another and in particular are made in one piece, for example as a plastic-bonded, injection-molded or pressed magnet.
Die Teilmagnete an der dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite bzw. der Stirnseite des Permanentmagneten weisen bevorzugt jeweils eine hügelförmige Ausformung in axialer Richtung auf. Somit lässt sich durch entsprechende Dimensionierung der hügelförmigen Ausformung eine unebene Kontur bereitstellen, so dass der Luftspalt in Abhängigkeit des Drehwinkels veränderlich ist und ein klares, präzises Messsignal ermöglicht.The partial magnets on the side opposite the sensor element or the end face of the permanent magnet preferably each have a hill-like shape in the axial direction. Thus, by appropriately dimensioning the hill-like shape, an uneven contour can be provided, so that the air gap can be changed as a function of the angle of rotation and enables a clear, precise measurement signal.
Es ist bevorzugt, dass das Sensorelement dazu ausgebildet ist, das magnetische Messfeld anhand dessen magnetischer Flussdichte zu erfassen.It is preferred that the sensor element is designed to detect the magnetic measuring field on the basis of its magnetic flux density.
Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Permanentmagnet, eine im Wesentlichen zylindrische Außenwand aufweist. Mit anderen Worten weist er über alle Drehwinkel um die Drehachse einen konstanten Radius auf.It corresponds to a preferred embodiment that the permanent magnet has an essentially cylindrical outer wall. In other words, it has a constant radius over all angles of rotation about the axis of rotation.
Vorzugsweise ist das Sensorelement mit einer Auswerteschaltung elektrisch verbunden, wobei die Auswerteschaltung zum Erzeugen eines Ausgabesignals basierend auf dem sich mit dem Drehwinkel verändernden magnetischen Messfeld ausgebildet ist.The sensor element is preferably electrically connected to an evaluation circuit, the evaluation circuit being designed to generate an output signal based on the magnetic measuring field that changes with the angle of rotation.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals eingerichteten Winkelsensors, insbesondere einem der vorstehend angegebenen Winkelsensoren, die Schritte Bereitstellen einer um ihre Drehachse drehbar gelagerte Welle, Anspritzen eines zum Ausgeben eines magnetischen Messfeldes eingerichteten Permanentmagneten an ein axiales Ende der Welle so dass der Permanentmagnet eine bezüglich der Drehachse axiale Magnetisierung aufweist, und Anordnen eines Sensorelements so dass das Sensorelement in einem relativ zur Drehachse durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten beschränkten Bereich angeordnet ist.According to a further aspect of the invention, a method for producing an angle sensor set up for outputting an output signal dependent on an angle of rotation, in particular one of the angle sensors specified above, comprises the steps of providing a shaft rotatably mounted about its axis of rotation, injection molding a permanent magnet set up for outputting a magnetic measuring field to an axial end of the shaft so that the permanent magnet has an axial magnetization with respect to the axis of rotation, and arranging a sensor element so that the sensor element is arranged in an area limited relative to the axis of rotation by the radial extent of the permanent magnet.
In einer Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Ausbilden einer Verdrehsicherung am axialen Ende vor dem Anspritzen des Permanentmagneten.In one development, the specified method comprises the step of forming an anti-rotation device at the axial end before the permanent magnet is molded on.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Winkelsensor zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals nach einem der angegebenen Verfahren hergestellt.According to a further aspect of the invention, the angle sensor for outputting an output signal which is dependent on an angle of rotation is produced according to one of the methods specified.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in schematischer Darstellung
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1 einen Winkelsensor, ausgebildet als Höhenstandssensor zum Erfassen eines Weges zwischen einem Rad und einem Fahrwerk in einem Fahrzeug, -
2 einen Teil einer Welle in einer teilweisen Schnittdarstellung, in die ein Permanentmagnet für den Winkelsensor der1 anspritzbar ist, -
3 in einer teilweisen Schnittdarstellung den Teil der Welle aus2 , an die der Permanentmagnet für den Winkelsensor der1 angespritzt ist.
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1 an angle sensor designed as a level sensor for detecting a path between a wheel and a chassis in a vehicle, -
2nd a part of a shaft in a partial sectional view, in which a permanent magnet for the angle sensor of1 is sprayable, -
3rd in a partial sectional view the part of the shaft2nd to which the permanent magnet for the angle sensor of the1 is injected.
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.In the figures, the same technical elements are provided with the same reference symbols and described only once.
Es wird auf
Der Winkelsensor
Bewegt sich das entsprechende Rad in der Hochachse gegenüber dem Chassis, so bewegt das Rad auch den Hebel
Der Permanentmagnet
Am axialen Ende
In dieses ausgehölte Halteelement
Alternativ kann am axialen Ende
In
Der Permanentmagnet
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL TEVES AG & CO. OHG, 60488 FRANKFURT, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, 30165 HANNOVER, DE |