DE10221340A1

DE10221340A1 - Sensoranordnung zur Detektierung eines Drehwinkels einer Welle

Info

Publication number: DE10221340A1
Application number: DE2002121340
Authority: DE
Inventors: Erich Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Eine Sensoranordnung zur Detektierung des Drehwinkels einer Welle 1, mit einem ein Magnetfeld aufweisendes Magnetelement 2 und einem ein Magnetfeld erfaßbares Messelement, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement 2 zumindest teilweise am Umfang der Welle 1 angeordnet ist und ein Magnetfeld 2a aufweist, welches eine axiale Komponente und eine tangentiale Komponente hat.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Detektierung eines Drehwinkels einer Welle, mit einem ein Magnetfeld aufweisendes Magnetelement und einem ein Magnetfeld erfassendes Messelement.

Im Bereich der Technik, insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik müssen häufig die Drehwinkel von Wellen erfaßt werden. Hierzu bedient man sich Winkelsensoren, welche ein entsprechend der Stellung der Welle unterschiedliches Magnetfeld auswerten. So ist es beispielsweise bekannt, daß die Stellung beziehungsweise der Drehwinkel einer Nockenwelle dadurch bestimmt werden kann, daß an der Stirnseite der Nockenwelle ein Stabmagnet angeordnet wird, dessen Magnetfeld von zwei vertikal und 90 Grad zueinander positionierten Hall-Sensoren erfaßt wird. Hierdurch kann einer der beiden Hall-Sensoren die X- und der andere der beiden Hall-Sensoren die Y-Komponente des Magnetfeldes messen. Bei einer Drehung des Stabmagneten liefern die Hall- Sensoren jeweils eine entsprechende Spannung U_x = A sin (phi) und U_y = A sin (phi + 90°) = A cos (phi). Aus diesen beiden Gleichungen läßt sich der Drehwinkel der Welle zu: phi = arctan (U_y/U_x) berechnen. Die Signalspannungen U_x und U_y entsprechenden den beiden orthogonalen Feldkomponenten. Für eine derartige Signalauswertung gibt es bereits viele digitale und analoge Schaltungsvorschläge, welche teilweise auch als ASICs realisiert sind.

Wenngleich mittels der beschriebenen Sensoranordnung die Stellung beziehungsweise der Drehwinkel einer Welle auch sehr gut bestimmt werden kann, so haftet ihr dennoch der Nachteil an, daß sie nur dann verwendet werden kann, wenn eine Stirnseite der Welle zugänglich ist. Hierdurch sind die Verwendungsmöglichkeiten der bekannten Sensoranordnung stark eingeschränkt. Denn insbesondere im Automobilbau wird häufig die Stellung beziehungsweise der Drehwinkel einer Welle benötigt, deren Stirnseite nicht frei zugänglich ist.

Aus einem Bericht zur 5. Fachtagung "Sensoren zum Messen mechanischer Größen im Kraftfahrzeug" im Haus der Technik Essen, vom 15. bis 16. Februar 2001, "Low Cost Absolut Längenmeßsystem" ist ein magnetisches Meßsystem zur Bestimmung einer Absolutposition bekannt, welches eine stabförmige Maßverkörperung aufweist, deren Magnetisierungsrichtung in der Ebene ihres Querschnitts liegt. Mittels magnetoresistiver Sensorelemente, die die Richtung des Magnetfeldes in Maßstabsnähe in der Ebene des Querschnitts feststellen, läßt sich eine axiale Verschiebung des Maßstabes bestimmen. Die Magnetisierungsrichtung des Maßstabes ist über die Länge des Maßstabes unterschiedlich. Der Winkel der Magnetisierung kann zur Senkrechten linear mit fortschreitender Position in Meßrichtung zunehmen.

Es ist nicht bekannt, das Messsystem zur Bestimmung der Stellung beziehungsweise des Drehwinkels einer Welle zu verwenden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Sensoranordnung derart auszubilden, daß sie zur Bestimmung der Stellung beziehungsweise des Drehwinkels einer Welle geeignet ist, deren Stirnseite nicht frei zugänglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist eine Sensoranordnung zur Detektierung des Drehwinkels einer Welle, mit einem ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement und einem ein Magnetfeld erfassenden Messelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement eine Magnetisierung aufweist, die ein Magnetfeld erzeugt, welches auf die Welle bezogen, im auszuwertenden Messbereich eine axiale Komponente und eine tangentiale Komponente hat.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, daß das Magnetelement ein Magnetfeld aufweist, welches eine axiale Komponente und eine tangentiale Komponente hat, läßt sich das Magnetfeld sehr gut von dem ein Magnetfeld erfassendes Messelement, welches beispielsweise ein magnetoresistiver Sensor wie ein Anisotrop-Magnetoresistiver Sensor (AMR-Sensor), Giant- Magnetoresitiver Sensor (GMR-Senosor) oder ein Hall-Sensor sein kann, erfassen. Denn das Messelement kann so in dem Magnetfeld angeordnet werden, daß die durch das Messelement hindurch tretenden Feldlinien parallel zur Hauptfeldlinie verlaufen. Dies wirkt sich sehr günstig auf die Genauigkeit und Linearität der Sensoranordnung aus. Es findet im Prinzip dieselbe Auswertung statt, wie sie bei der eingangs genannten Sensoranordnung, bei der an der Stirnseite der Welle ein Stabmagnet angeordnet ist, stattfindet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Magnetisierung so ist, daß das Magnetfeld im auszuwertenden Bereich keine radiale Komponente hat. Hierdurch kann das gesamte Magnetfeld bei der Auswertung berücksichtigt werden. Durch die axiale Komponente und die tangentiale Komponente des Magnetfelds kann ein Magnetisierungswinkel alpha definiert werden zu: alpha = arctan B_Um-fang/B_axial. Ändert sich der Winkel alpha des Magnetfeldes kontinuierlich mit dem zu messenden Drehwinkel phi der Welle, läßt sich der Drehwinkel der Welle auf einfache Weise auf den Magnetisierungswinkel alpha abbilden.

Dadurch, daß der Drehwinkel der Welle auf einen Magnetisierungswinkel abgebildet werden kann, kann er mit den bereits erwähnten Messelementen erfaßt werden. Dies in vorteilhafter Weise jedoch nicht an einer Stirnseite der Welle, sondern an einer beliebigen Stelle des Schaftes seitlich von der Welle.

In vorteilhafter Weise ist das Magnetelement zumindest teilweise am Umfang der Welle angeordnet. So kann es als ein auf der Welle angeordneter magnetisierbarer Ring ausgebildet sein. Es kann aber auch durch die Welle beziehungsweise die Oberfläche der Welle selbst gebildet sein.

Die Ausbildung des Magnetelements als magnetisierbarer Ring bringt den Vorteil mit sich, daß der Ring vor dem Aufbringen auf die Welle in einer Präzisionsvorrichtung magnetisiert werden kann. Darüber hinaus läßt sich der Ring auf der Welle verschieben, so daß die Position der Sensoranordnung auf einfache Weise verändert werden kann. In vorteilhafter Weise besteht der Ring aus einem hartmagnetischen Material. Hierdurch ist gewährleistet, daß sich das Magnetfeld aufgrund äußerer Einflüsse im wesentlichen nicht verändert.

Durch die Ausbildung des Magnetelements durch die Oberfläche der Welle wird der Vorteil erreicht, daß an der Welle keine unter Umständen störenden hervorstehenden Elemente angeordnet sind. Dies wirkt sich sehr günstig auf die Störanfälligkeit der Sensoranordnung aus. Des weiteren kann eine derartige Sensoranordnung auch dann verwendet werden, wenn baulich bedingt an der Welle keine Elemente angebracht werden können.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Magnetelement dadurch magnetisiert worden ist, daß das Magnetelement an einem Magnetisierungsmagneten vorbeigedreht wird, welcher gleichzeitig entsprechend der gewünschten Winkelabhängigkeit des Magnetfeldes des Magnetelements gedreht wird. Der Magnetisierungsmagnet, welcher ein sehr starker Dauermagnet sein kann, wird sehr nahe an die Welle beziehungsweise das Magnetelement herangebracht. Hierdurch wird das Material der Welle beziehungsweise des Magnetelements magnetisiert. Wird beim Drehen der Welle der Magnetisiermagnet ebenfalls nach einer bestimmten, durch die gewünschte Winkelabhängigkeit vorgegebenen Weise gedreht, so erhält man die gewünschte Richtungsinhomogenität. Die Magnetisierung kann auch mit Hilfe von Stromimpulsen erzeugt werden, wobei die Stromrichtung winkelabhängig zu verändern ist. Als Stromimpulse eignen sich beispielsweise Stromstöße von etwa 1000 Ampere, deren Dauer einige Millisekunden beträgt.

Die Inhomogenität des Magnetfeldes des Magnetelements kann so gewählt werden, daß der Drehwinkel dem Richtungswinkel der Hauptfeldlinie des Magnetisierungsmagneten entspricht. Es könnte aber auch eine Abbildung des Drehwinkels der Welle auf den Magnetisierungswinkel erzeugt werden, bei der der Magnetisierungswinkel jeweils der Hälfte des Drehwinkels der Welle entspricht. Hierdurch könnten auch AMR-Sensoren, welche nur einen Winkelbereich von 180° erfassen können, zur Messung eines Vollkreises verwendet werden. Sehr vorteilhaft ist jedoch eine Abbildung des Drehwinkels der Welle auf den Magnetisierungswinkel, bei der sich der Drehwinkel der Welle direkt aus dem Quotienten der beiden Meßspannungen U_y und U_x ergibt. Hierdurch würde sich die Berechnung der arctan-Funktion erübrigen.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Magnetelement mehrere in axialer Richtung der Welle nebeneinander angeordnete, jeweils ein eigenständiges Magnetfeld aufweisende Magnetspuren aufweist. Eine derartige Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Drehwinkel in codierter Form erfaßt werden kann. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit der Sensoranordnung aus.

In vorteilhafter Weise weist die Magnetisierungsrichtung des Magnetfeldes jeweils nur zwei stark unterschiedliche Richtungen auf. Hierdurch lassen sich die Werte 0 oder 1 eines Digitalcodes darstellen.

Mittels der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es möglich, das bekannte, sehr vorteilhafte Winkelmeßverfahren, welches bisher in der eingangs beschriebenen Weise nur am Wellenende anwendbar ist, an beliebiger Stelle eines Wellenschaftes verwendet werden kann. Dies ist beispielsweise im Falle einer Messung des Lenkwinkels des Steuerrads eines Kraftfahrzeuges sehr vorteilhaft, da hier das Wellenende nur sehr bedingt zur Verfügung steht. Des weiteren ist es ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, daß das Meßergebnis - unter der Voraussetzung einer gewissen Mindestfeldstärke - im wesentlichen unabhängig vom Luftspalt zwischen dem Messelement und dem Magnetelement ist, da die Winkelinformation nur aus der Feldrichtung, nicht aber aus der Feldintensität gewonnen wird. Mechanische Toleranzen und Spiele sowie der Temperaturgang des Messelements spielen nahezu keine Rolle.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung läßt sich beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug sehr gut bei der Bestimmung des Lenkradwinkels, der Pedalwinkel, des Nockenwellenwinkels, des Kurbenwellenwinkels und des Drosselkappenwinkels verwenden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Zeichnung

Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Fig. 2 eine Zerlegung einer magnetischen Hauptfeldlinie in ihre axiale und tangentiale Komponente,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Magnetisierungsvorgangs der Oberfläche einer Welle zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einer ersten Richtung und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Magnetisierungsvorgangs der Oberfläche einer Welle zur Erzeugung eines Magnetfelds einer zweiten Richtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist auf einer Welle 1, deren Drehwinkel erfaßt werden soll, ein als Ring 2 ausgebildetes Magnetelement angeordnet. Der Ring 2 besteht aus einem hartmagnetischen Material und ist in Richtung seines Umfangs unterschiedlich magnetisiert. Das Magnetfeld des Rings 2, welches durch Feldlinien 2a angedeutet ist, hat in dem für die Messung ausgenutzten Bereich keine Komponente in radialer Richtung der Welle 1 sondern lediglich eine Komponente in axialer Richtung 4 der Welle 1 und eine Komponente in Richtung des Umfangs 5 des Rings 2, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Die aus der axialen Komponente 4 und der tangentialen Komponente 5 gebildete magnetische Hauptfeldlinie 6, entspricht in etwa der in Fig. 1 dargestellten oberen Feldlinie 2b des Magnetfelds des Rings 2. Mit dem Bezugszeichen 7 ist der Magnetisierungswinkel der magnetischen Hauptfeldlinie 6 bezeichnet.
Unmittelbar über der Oberfläche des Rings 2 ist ein ein Magnetfeld erfassendes Messelement 3 angeordnet. Die vom Messelement 3 ausgegebenen Signale werden in einer Auswerteelektronik 8 verarbeitet.
Dadurch, daß die Feldlinien des Magnetfelds des Rings 2 eine axiale Komponente 4 und eine tangentiale Komponente 5 besitzen, haben die Feldlinien, die das Messelement 3 durchdringen, eine Richtung, die parallel zu den Hauptfeldlinien 2a verlaufen.
Wie Fig. 3 entnommen werden kann, kann die Welle 1 Bereiche 10 aufweisen, welche sich ringförmig um die Welle 1 erstrecken und nebeneinander angeordnet sind. In den Bereichen 10 ist die Oberfläche der Welle 1 magnetisiert. Ebenso wie beim Magnetfeld des Ringes 2 weisen die Magnetfelder der Bereiche 10 nur axiale und tangentiale Komponenten auf. Die Richtung des Magnetfeldes von nebeneinanderliegenden Stellen der Bereiche 10 ist unterschiedlich.
Unmittelbar über der Oberfläche der Welle 1 sind in den Bereichen 10 magnetoresistive Sensorelemente 3' angeordnet. Durch die gleichzeitige Erfassung von vier unterschiedlichen Magnetfeldern läßt sich ein codiertes Signal erzeugen.
Wie den Fig. 4 und 5 entnommen werden kann, kann die Oberfläche einer Welle 1 dadurch magnetisiert werden, daß sie mit einem starken Dauermagneten 9 in Kontakt gebracht wird. Beim Vorbeidrehen der Welle 1 an dem Dauermagneten 9 wird der Dauermagnet 9 ebenfalls gedreht. Hierdurch ändert sich die Richtung des auf die Welle 1 aufgebrachten Magnetfeldes. Das heißt, das Magnetfeld ist inhomogen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Stellung weist das Magnetfeld an der sich momentan unterhalb des Dauermagneten 9 befindlichen Stelle nur eine axiale Komponente auf. Bei der in Fig. 4 dargestellten Stellung wurde die Welle um 45 Grad gedreht. Gleichzeitig wurde der Magnet 9 um 45 Grad gedreht, so daß die Richtung des an der Stelle auf die Welle 1 aufgebrachten Magnetfeldes beziehungsweise der Magnetisierungswinkel dem Drehwinkel der Welle 1 entspricht.

Claims

1. Sensoranordnung zur Detektierung des Drehwinkels einer Welle (1), mit einem ein Magnetfeld erzeugendes Magnetelement (2) und einem ein Magnetfeld erfassendes Messelement (3; 3'), dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (2; 10) eine Magnetisierung aufweist, die ein Magnetfeld (6) erzeugt, welches auf die Welle (1) bezogen eine axiale Komponente (4) und eine tangentiale Komponente (5) hat.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld im genutzten Bereich keine radiale Komponente hat.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (2; 10) zumindest teilweise am Umfang der Welle angeordnet ist.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (2; 10) ein auf der Welle (1) angeordneter magnetisierbarer Ring (2) ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (2) aus einem hartmagnetischen Material besteht.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (10) durch die Welle selbst beziehungsweise die Oberfläche der Welle gebildet ist.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (2; 10) dadurch magnetisiert worden ist, daß das Magnetelement (2; 10) an einem Magnetisierungsmagneten (9) vorbeigedreht wird, welcher gleichzeitig entsprechend der gewünschten Winkelabhängigkeit des Magnetfeldes (7) des Magnetelements (2; 10) gedreht wird.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (2; 10) mehrere in axialer Richtung der Welle (1) nebeneinander angeordnete jeweils ein eigenständiges Magnetfeld aufweisende Magnetspuren (10) aufweist.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtung des Magnetfeldes jeweils nur zwei stark unterschiedliche Richtungen aufweist.