DE19757116C2 - Anordnung mit magnetischem Maßstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem magnetischen Maßstab.

Im Hinblick auf neue Konzepte mit sogen. x-by-wire-Einrichtungen bei Fahrzeugen und anderen mobilen Systemen, bei denen mechanische Übertragungsmittel z. B. zum Lenken und/oder Abbremsen weitgehend durch elektronische Module ersetzt werden, steigt zuneh­ mend die Anforderung an die Genauigkeit der Positionsbestimmung der zu steuernden Komponenten, insbesondere ist die Kenntnis der Absolutposition erforderlich. So ist z. B. bei Lenkstangen eines Fahrzeugs die Kenntnis von Drehwinkeln von 0° bis über 360° gefordert.

Zur Erfassung von Positionen werden magnetische Maßstäbe eingesetzt, wobei insbesondere zur Erfassung von Drehwinkeln bei axialen Anordnungen magnetische Maßstäbe ringförmig ausgebildet sind. Wird ein magnetischer Maßstab bei sogen. x-by-wire-Einrichtungen einge­ setzt, ist es wünschenswert, aus Gründen der Kompaktheit der Anordung und der geforder­ ten hohen Auflösung den magnetischen Maßstab als integriertes Bauelement auszubilden.

Aus der DE 44 32 827 A1 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Relativposition zwi­ schen zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern vorgeschlagen. An dem einen Körper ist ein Sensor angeordnet, der durch wenigstens einen an dem anderen Körper vorgesehenen Indikator geschaltet wird. Die Betätigung des Sensors beruht auf einer Magnetfeldänderung. Bei der Relativbewegung der beiden Körper werden der Sensor und die Indikatoren in einer Arbeitsrichtung aneinander vorbeibewegt. Die Indikatoren sind entlang einer Schiene linear angeordnet, wobei diese Schiene auch die Arbeitsrichtung der Positionsmesseinrichtung angibt. Die Positionsmesseinrichtung ist geeignet die lineare Verschiebung eines bewegba­ ren Körpers entlang einer Schiene festzustellen. Die Erfassung der Drehbewegung einer Achse ist mit dieser Positionsmesseinrichtung nicht möglich.

Aus der DE 44 42 371 A1 ist eine Maßverkörperung bekannt, bei der auf zwei Grundkörpern voneinander beabstandete Magnetelemente angebracht werden. Die zwei Grundkörper wer­ den so zusammengefügt, daß in den Zwischenraum zweier Magnetelemente des einen Grundkörpers ein erhabenes Magnetelement des anderen Grundkörpers paßgenau eingreift. Die beiden Grundkörper werden miteinander verklebt und bilden somit eine gut handhabba­ re Teilscheibe. Diese Teilscheibe hat in der Mitte eine kreisförmige Ausnehmung, so daß die Teilscheibe auf eine Achse aufgeschoben werden kann. Nachteilig an dieser Maßverkörpe­ rung ist, daß die Magnetelemente nach dem Verkleben nicht mehr trennbar sind und somit die Teilscheibe nur als ganzes auf eine Achse aufgeschoben werden kann. Hierzu muß die Achse während des Montierens der Teilscheibe mindestens ein freies Ende haben. Die Maß­ verkörperung kann nicht auf eine an beiden Enden eingebaute Achse nachgerüstet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit magnetischem Maßstab anzugeben, welche einfach zu montieren und insbesondere nachrüstbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entneh­ men.

Der besondere Vorteil dabei ist, daß der magnetische Maßstab zu jedem frei wählbaren Zeit­ punkt an ein Bauelement, dessen Position und/oder Drehwinkel bestimmt werden soll, mon­ tiert werden kann. Insbesondere ist es möglich, einen ringförmigen Maßstab auf einer bereits fest eingebauten Achse zu montieren.

Vorzugsweise sind die Segmente so angeordnet, daß die Enden zweier unmittelbar benach­ barter Segmente sich in der Breite oder in der Höhe des Maßstabs überlappen. Zum Erfassen von Drehbewegungen ist der Maßstab vorzugsweise auf einer drehbaren Achse angeordnet, wobei die Segmente übereinander oder axial nebeneinander angeordnet sind. Damit ist si­ chergestellt, daß längs der Abtastrichtung des Maßstabs ein Auseinanderklaffen der Seg­ mente vermieden ist, so daß die Auflösung im Vergleich zu einem entsprechenden einstüc­ kigen Maßstab nicht verschlechtert ist. Die Segmente sind kreisbogenförmig ausgebildet; in einer besonders bevorzugten Ausbildung sind die Segmente als Halbkreis geformt.

Eine besonders bevorzugte Anordnung zum Erfassen von Drehbewegungen ist, den Maßstab aus drei kreisbogenförmigen Segmenten zusammenszusetzen, wobei die Segmente um je­ weils 120° gegeneinander versetzt und axial eng benachbart übereinander angeordnet sind. Damit ist ein Auseinanderklaffen der Segmente in Abtastrichtung vermieden und eine hohe Auflösung gewährleistet. Eine etwaige Unterbrechung einer periodischen Codierung an den Stoßstellen der Segmente ist tolerierbar, da dies durch eine Eichmessung der Codierung des Maßstabes erfaßbar und ggf. in einer Auswertung korrigierbar ist. Mit dieser bevorzugten Anordnung sind relative und/oder absolute Drehwinkelmessungen zwischen 0° und 360° möglich. Zweckmäßigerweise ist jedem Segment ein eigener Sensor zum Auslesen der Co­ dierung zugeordnet. Besonders bevorzugt ist der magnetische Sensor ein magnetoresistiver Sensor, der eine günstige hohe Auflösung erlaubt, die insbesondere für sogen. x-by-wire- Anwendungen ausreichend ist. Ein weiterer bevorzugter Sensor ist ein Hallsensor.

In einer weiteren bevorzugten Anordnung wird nur ein einziges kreisbogenförmiges Seg­ ment zur Drehwinkelmessung verwendet. Diese Anordnung ist vorteilhaft zur Bestimmung von Drehwinkeln zwischen 0° und 180° einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz z. B. bei der Detektion des Drehwinkels eines Rades an einem Kraftfahrzeug. Die Anordnung ist mit wenig Aufwand auf einer bereits fest eingebauten Achse, die zum Überstreifen eines magnetischen Ringmaßstabs nicht mehr zugänglich ist, nachrüstbar und kann insbesondere zu Wartungszwecken entfernt und danach wieder angeflanscht werden.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Aufsicht auf einen Schnitt durch eine Drehachse mit einem magnetischen Maß­ stab,

Fig. 2 die Ansicht eines auf eine Drehachse montierten magnetischen Maßstabs mit mehre­ ren Segmenten und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Überlapps der Segmente des magnetischen Maß­ stabes.

Fig. 4 eine Projektion der kreisförmigen Segmente 1, 8, 9 auf einen linearen Maßstab

Bei der Fertigung von Drehwinkelsensoren, welche z. B. für drehbare Teile wie Lenkstangen, drehbaren Wellen oder Radachsen, verwendet werden sollen, ist das Anbringen von Meßvor­ richtungen mit magnetischem Maßstab und zugehörigen Sensoren problematisch, da insbe­ sondere ringförmige Maßstäbe zu einem frühen Fertigungszeitpunkt der drehbaren Teile fest mit der Drehachse verbunden werden müssen. Insbesondere muß eine Drehachse durch ei­ nen Ringmaßstab durchgesteckt werden. Wird die Drehachse ihrer vorgesehenen Verwen­ dung gemäß dann fest mit anderen Bauteilen verbunden, muß dieser Schritt daher zu einem frühen Zeitpunkt erfolgen, solange die Drehachse für die Montage eines Ringmaßstabs zu­ gänglich ist und insbesondere ein Ring über die Achse an die für den Maßstab vorgesehene Stelle geschoben werden kann.

Die drehbaren Teile werden in späteren Fertigungsschritten weiterbehandelt, in Konstrukti­ onsteile eingeschweißt oder in Fahrzeuge eingebaut. Da sowohl magnetische Maßstäbe als auch die ihnen zuzuordnenden Sensoren jedoch gegen mechanische und thermische Bela­ stungen sehr empfindlich sind, wird der Einsatz und die Verwendung derartiger Vorrichtun­ gen erschwert, da die mit diesen Teilen bestückten Träger oder Achsen nur noch einge­ schränkt belastbar sind. Andererseits muß beispielsweise die Montage eines Ringmaßstabes auf eine Achse zu einem Zeitpunkt erfolgen, solange die Achse noch zugänglich ist und ein starrer Ring auf die Achse gesteckt und auf den dafür vorgesehenen Meßort an der Achse verschoben werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem magnetischem Maßstab und mindestens einer dem Maßstab zugeordneten Sensoreinheit ist dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab entlang seiner Längserstreckung, die zur Abtastung mit der zugeordneten Sensoreinheit vor­ gesehen ist, aus einzelnen, voneinander trennbaren Segmenten zusammensetzbar ist. Der besondere Vorteil dabei ist, daß der magnetische Maßstab zu jedem frei wählbaren Zeitpunkt an ein Bauelement, dessen Position und/oder Drehwinkel bestimmt werden soll, montiert werden kann. Insbesondere ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung als ringförmi­ gen Maßstab nachträglich an eine im Endzustand fertig montierte Achse anzubringen, so daß der Fertigungsprozeß nicht auf die mechanisch und thermisch empfindlichen Maßstäbe und Sensoren abgestimmt werden muß. Vorzugsweise werden Segmente des Maßstabs mit einer mehrteiligen Abdeckung versehen, die den Maßstab nach außen weitgehend oder vollständig abdeckt.

In einer bevorzugten Anordnung, die in Fig. 1 skizziert ist, wird ein einziges kreisbogenför­ miges, bevorzugt halbkreisförmiges Segment 1 eines magnetischen Maßstabs, welcher eine magnetische Codierung in Umfangsrichtung aufweist und welcher an den Umfang einer Achse 2 angepaßt ist, auf die Achse 2 gelegt und mit einer ersten halbkreisförmigen Maß­ stabshalterung 3 abgedeckt. Die magnetische Codierung ist vorzugsweise eine Aneinander­ reihung von magnetischen Nord- und Südpolen, die entlang des Umfangs des Segments 1 abwechselnd aufeinanderfolgen. Eine weitere bevorzugte Codierung ist eine Aneinanderrei­ hung von magnetischen und unmagnetischen Bereichen, insbesondere Codierungen in austenitischen Stählen. Die Maßstabshalterung 3 weist vorzugsweise eine Aussparung auf, die das Segment 1 aufnimmt. Der ersten Maßstabshalterung 3 gegenüberliegend ist eine zweite Maßstabshalterung 4 angeordnet und mit der ersten Maßstabshalterung 3 verbunden, insbesondere mit versenkbaren Schrauben 5 verschraubt. Daher ist die Außenseite der Maß­ stabshalterung zylinderförmig und glatt, so daß die Vorrichtung nach außen nur wie eine Verdickung der Achse wirkt und die Drehbewegung der Achse 2 möglichst wenig oder gar nicht eingeschränkt. Dem Maßstab ist mindestens ein Sensor zugeordnet, der dessen Codie­ rung erfaßt und an einer geeigneten Stelle montiert ist.

Die Achse steckt in einem Hüllrohr 6, auf dem ein dem Segment 1 zugeordneter Sensor 7 angeordnet werden kann, welcher zum Detektieren der magnetischen Codierung des Maß­ stabs vorgesehen ist. Diese Vorrichtung erlaubt die Erfassung von Drehwinkeln im Winkel­ bereich des Segments 1, insbesondere von 0° bis 180°. Für die Erfassung der Stellung eines Rades ist eine Erfassung von +/-40° bereits ausreichend, so daß auch Segmente mit der Form eines kleineren Kreisausschnittes als einem Halbbkreis geeignet sind.

Nicht ausdrücklich dargestellt sind etwaige vorteilhafte Markierungen als Positionierungs­ hilfen wie Nuten, Stege oder Riefen, die gewährleisten sollen, daß Segmente des Maßstabs in vorgegebener und möglichst reproduzierbarer Weise montierbar sind. Eine etwaige auf­ wendige Justage des Maßstabs kann dann entfallen. Solche Markierungen können in einem frühen Produktionsschritt der Achse angebracht worden sein.

In Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Anordnung dargestellt. In der Anordnung sind drei halbkreisförmige Segmente 1, 8, 9 axial übereinander versetzt auf einer Achse 2 montiert und mit einer mehrteiligen Maßstabshalterung 3, 4 umfangsseits abgedeckt. Die Maßstabs­ halterung ist vorzugsweise hohl ausgebildet und weist Aussparungen auf, die eine Positio­ nierung und Fixierung der Segmente 1, 8, 9 auf der Achse 2 erleichtern. Nur zwei Segmente 1, 8 sind erkennbar, das dritte Segment 9 ist durch die Maßstabshalterung abgedeckt. Vor­ zugsweise weist die Maßstabshalterung Befestigungsmittel wie versenkbare Schrauben auf, mit der die Teile 3, 4 der Maßstabshalterung miteinander verbunden werden, so daß die Au­ ßenfläche der Maßstabshalterung möglichst intakt und glatt ist.

In Fig. 3 ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 Segmenten 1, 8, 9 dargestellt. Die einzelnen Segmente 1, 8, 9 sind jeweils um 120° gegeneinander versetzt. Diese Anordnung erlaubt eine Erfassung von Winkeln von 0° bis 360°. Jedem einzelnen Segment 1, 8, 9 ist ein Sensor zugeordnet, der die magnetische Codierung des Maßstabsegments abtastet. Die Sensoren sind in der Figur nicht dargestellt. Vorzugsweise sind die Sensoren axial übereinander ange­ ordnet. Damit wird die Dickenzunahme der Achse 2 im Bereich des Maßstabs beschränkt. Durch die eindeutige Zuordnung eines Sensors zu jeweils einem Segment ist eine Absolut­ messung des Winkels möglich. Zweckmäßigerweise wird dazu ein fester Nullpunkt der Ach­ se 2 vorgegeben.

Eine etwaige Störung der Periodizität an den Überlappstellen der Segmente 1, 8, 9 stört die Messung nicht, da die Codierung des kompletten zusammengesetzten Maßstabs mittels einer ersten Eichmessung erfaßbar ist und sich nicht ändert, solange der Maßstab nicht demontiert wird. Eine solche Eichmessung ist jederzeit wiederholbar. Es ist jedoch sicherzustellen, daß die Segmente in Umfangsrichtung des Maßstabs nicht auseinanderklaffen, da sonst die ma­ gnetische Codierung des Maßstabs an solchen Lücken unterbrochen ist. Die Abtastung wird dadurch mehrdeutig und/oder sehr ungenau.

In Fig. 4 ist eine Projektion von halbkreisförmigen Segmenten 1, 8, 9 auf einen linearen Maßstab dargestellt. Vorzugsweise sind an einer Achse 2 Justierkerben 10 angebracht, so daß die Segmente 1, 8, 9 des Maßstabs redproduzierbar auf die Achse 2 montiert werden können. Der besondere Vorteil ist, daß ein solcher Maßstab jederzeit von der Achse 2 ent­ fernt und wieder darauf angebracht werden kann, insbesondere zu Reparatur- und/oder Wartungszwecken sowohl der Sensoranordnung als auch des Sensorträgers, insbesondere der Achse 2.

Diese Anordnung erlaubt eine einfache Montage eines Drehwinkelsensorsystems, insbeson­ dere ist sehr vorteilhaft, daß eine solches Vorrichtung nachträglich auf eine Achse montiert werden kann, so daß eine Fertigung einer solchen Achse ohne Einschränkung durch ein zu einem späteren Zeitpunkt zum Einsatz vorgesehenes empfindliches Meßsystem bearbeitet und/oder eingebaut werden kann.

Claims (9)

1. Vorrichtung mit einem magnetischen Maßstab und mindestens einer dem Maßstab zu­ geordneten Sensoreinheit, wobei der Maßstab entlang seiner Längserstreckung, die zur Abtastung mit der zugeordneten Sensoreinheit vorgesehen ist, aus einzelnen, voneinan­ der getrennten, kreisbogenförmigen, magnetisch codierten Segmenten (1, 8, 9) zusam­ mengesetzt ist, wobei die Segmente (1, 8, 9) voneinander trennbar sind und dadurch der Maßstab zu jedem frei wählbaren Zeitpunkt mit einer ersten halbkreisförmigen Maßstabshalterung (3) und ei­ ner zweiten halbkreisförmigen Maßstabshalterung (4) auf einer Achse (2) montiert wer­ den kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden zweier unmittelbar benachbarter Segmente (1, 8, 9) sich in der Umfangs­ richtung des Maßstabs oder axial überlappen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab an oder auf einer drehbaren Achse (2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab drei Segmente (1, 8, 9) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (1, 8, 9) um jeweils 120° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt und axial eng benachbart angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab ein halbkreisförmiges Segment (1) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Segment (1, 8, 9) des Maßstabs ein magnetischer Sensor (7) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Maßstab zugeordneter magnetischer Sensor (7) ein magnetoresistiver Sen­ sor ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Maßstab zugeordneter magnetischer Sensor (7) ein Hallsensor ist.