DE19813569A1

DE19813569A1 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE19813569A1
Application number: DE1998113569
Authority: DE
Inventors: Rolf Baumann; Joerg Brandes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-04-15

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor mit dem die Rotation einer Welle detektierbar ist, nach dem Oberbe griff des Hauptanspruchs.

Es ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungs schrift DE 196 28 566 A1 bekannt, daß zur Erfassung der Rotation einer Welle der Feldlinienverlauf eines benach bart angeordneten Magnetfeldes periodisch durch Senken und Hervorhebungen, beispielsweise die Zähne eines Zahn rades, moduliert wird. Die Zähne sind umlaufend auf der Oberfläche der drehenden Welle angeordnet und führen bei einer entsprechenden rotatorischen Vorbeibewegung zu der Veränderung bzw. Modulierung der Feldlinien.

Bei einer Anwendung als Drehwinkelsensor können die Dreh geschwindigkeit und auch die einfache Drehwinkeländerung der Welle oder eines Rades mit der bekannten Anordnung ermittelt werden, wenn die Zähne auf der äußeren Oberflä che der Welle an einer Feldplatte eines benachbart ange ordneten Sensors vorbeibewegt werden.

Vorteile der Erfindung

Ein Drehwinkelsensor nach der gattungsgemäßen Art mit ei nem der Oberfläche einer drehenden Welle benachbart ange ordneten Magneten und mit einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement, daß im Verlauf der Flußlinien des Magne ten angeordnet ist wird mit der Erfindung in vorteilhaf ter Weise weitergebildet. Hierzu ist im Verlauf der Flußlinien zwischen dem Magneten und dem Sensorelement auf der drehenden Welle eine Schnecke angeordnet, deren wendelförmige Erhebungen sich bei einer Drehung der Welle an dem ortsfesten Sensorelement vorbeibewegen, wobei sich in Abhängigkeit von der rage der Erhebungen unterschied liche Induktionsstärken am Sensorelement einstellen.

Gemäß der Erfindung wird somit in vorteilhafter Weise ei ne sehr genaue Erfassung der Drehbewegung der Welle mög lich, da eine rotatorische Bewegung der Welle in eine translatorische Bewegung des jeweils anliegenden Bereichs der Erhebung bzw. der sogenannten Schneckenzähne umge setzt wird. Aufgrund der erheblichen Änderung der Fluß führung und damit der magnetischen Induktion am Sensore lement bei dieser translatorischen Bewegung kann ein au ßerordentlich empfindlicher Drehwinkelsensor realisiert werden, der bei geringen Herstellungskosten einen relativ kleinen Bauraum, insbesondere durch einen relativ kleinen hierzu erforderlichen Magneten, benötigt.

Eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit wird mit einem Drehwinkelsensor auf einfache Weise dadurch erreicht, daß eine mehrgängige Schnecke angeordnet wird, durch die eine Erhöhung der Anzahl der Impulse pro Umdrehung der Welle erfolgt.

Ein besonders geringer Bauraum wird für den erfindungsge mäßen Drehwinkelsensor dadurch ermöglicht, daß der Ma gnet in einem Bereich der Welle ohne eine Schnecke aber in der Nähe des Schneckenbeginns angeordnet ist und daß das Sensorelement in einem vorgegebenen Abstand zum Ma gneten im Bereich der Schnecke, aber ebenfalls nahe des Schneckenbeginns angeordnet ist.

Bevorzugt wird für das Sensorelement ein an sich bekann ter Hall- oder GMR-Sensor (GMR = giant magnetoresistiv) verwendet, wobei das Sensorelement auch als Doppelsensor ausgeführt werden kann, mit dem ein Drehrichtungserken nung der vorbeibewegten wendelförmigen Erhebungen und da mit der Drehrichtung der Welle ermöglicht ist. Zur Erhö hung der Empfindlichkeit der Sensoranordnung kann auch ein zusätzliches magnetisch leitfähiges Metallteil als sogenannter Eisenrückschluß im Verlauf der Flußlinien vorgesehen werden; der Magnet kann dabei sowohl parallel als auch orthogonal zur Welle angeordnet werden.

Die Anwendung solcher Hall- oder GMR-Elemente bei Dreh winkelsensoren ist zum Beispiel ist in dem VDI-Bericht Nr. 509, (VDI-Verlag 1984), Seiten 263 bis 268, im Auf satz "Neue, alternative Lösungen für Drehzahlsensoren im Kraftfahrzeug auf magnetoresistiver Basis" beschrieben. Hieraus ist bekannt, daß mit magnetischen Sonden als Meßelemente eine besonders einfache und unempfindliche Drehwinkelerfassung an einer drehenden Wellen oder an Zahnrädern durchführbar ist. Dies ist möglich, weil die magnetischen Flußlinien eines beim Sensor befindlichen Dauermagneten in ihrer Richtung und Intensität durch eine Bewegung des Dauermagneten oder der magnetisch leitenden Teile veränderbar und detektierbar ist.

Bei einem bevorzugten Anwendungsfall wird der erfindungs gemäße Drehwinkelsensor bei einer Anordnung verwendet, bei der die Welle mit der Schnecke Bestandteil der Anker welle eines elektrischen Verstellmotors ist. Beispiels weise kann der Verstellmotor ein elektronisch gesteuerter Scheibenwischermotor für ein Kraftfahrzeug sein.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipansicht einer Ankerschnecke ei nes Verstellmotors mit einem erfindungsgemäßen Dreh winkelsensor in einer ersten Drehstellung;

Fig. 2 die Ankerschnecke in einer zweiten Drehstel lung und

Fig. 3 eine Anordnung mit einem Doppelsensor und einem Eisenrückschluß im Sensorsystem.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Ankerwelle 1 und 1a eines elektri schen Verstellmotors gezeigt, auf der an einem Ende eine Schnecke 2 mit einer wendelförmigen Erhebungen 3 ange bracht ist. Die Welle 1 dreht sich gemäß Pfeil 4 und ver ursacht dadurch eine translatorische Bewegung 5 der wen delförmigen Erhebung 3. Im glatten Bereich der Welle 1 befindet sich nahe des Schneckenbeginns ein Magnet 6, dessen Flußlinien 7 im wesentlichen durch die weichma gnetische Welle 1 verlaufen.

Am Beginn der Schnecke 2 ist ein Hall-Element 8 als Sen sorelement angebracht. Wenn, wie aus der Fig. 1 ersicht lich, die magnetischen Flußlinien 7 aus der, dem Hall- Element 8 direkt gegenüberliegenden Erhebung 3 der Schnecke 2 austreten, so ergibt sich hier eine hohe ma gnetische Flußdichte und damit eine hohe Induktion im Hall-Element 8, die als ein relativ großes Ausgangssignal des Hall-Elements 8 ausgewertet wird.

In Fig. 2 ist die gleiche Anordnung wie in Fig. 1 nur in einer anderen Drehstellung der Welle 1 gezeigt; die gleichen Bauelemente sind hier mit den gleichen Bezugs zeichen versehen. Es ist hier durch die Drehung der Welle 1 eine Erhebung 3 der Schnecke 2 bereits vor dem Hall- Element, also dem Magneten 6 näher gelegen angekommen, so daß bereits magnetische Flußlinien 7a direkt aus dieser Erhebung austreten und zum jeweils anderen Pol des Magne ten 6 zurückführen ohne das Hall-Element 8 zu schneiden. Die verbleibenden Flußlinien 7b, die das Hall-Element 8 schneiden, sind somit wesentlich schwächer als in der Drehstellung nach der Fig. 1.

Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bewegt sich die Erhebung 3 als Zahn der Schnecke 2 unter einem Dop pelsensor 8a, 8b hindurch. In Abhängigkeit von der Dreh richtung wird zunächst der Sensor 8a oder 8b und dann der jeweils andere angesteuert, wodurch eine Drehrichtungser kennung ermöglicht wird. Mit Hilfe eines Eisenrückschlus ses 9 aus magnetisch leitfähigem Material kann dabei die Empfindlichkeit der Sensoranordnung erhöht werden.

Claims

1. Drehwinkelsensor, mit

- einem der Oberfläche einer drehenden Welle (1) benach bart angeordneten Magneten (6) und mit
- einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (8; 8a, 8b), daß im Verlauf der Flußlinien (7, 7a, 7b) des Magneten (6) angeordnet ist, wobei die Flußlinien (7, 7a, 7b) durch eine sich mit der Drehung der Welle (1) ändernde Oberflä che modulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- im Verlauf der Flußlinien (7, 7a, 7b) zwischen dem Ma gneten (6) und dem Sensorelement (8; 8a, 8b) auf der dre henden Welle (1) eine Schnecke (2) angeordnet ist, deren wendelförmige Erhebung (3) sich bei einer Drehung der Welle (1) an dem Sensorelement (8; 8a, 8b) vorbeibewegen, wobei sich in Abhängigkeit von der Lage der Erhebungen (3) unterschiedliche Induktionsstärken am Sensorelement (8; 8a, 8b) einstellen.

2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

- der Magnet (6) in einem Bereich der Welle (1) ohne eine Schnecke (2) angeordnet ist und das Sensorelement (8; 8a, 8b) in einem vorgegebenen Abstand zum Magneten (6) im Bereich des Beginns der Schnecke (2) angeordnet ist.

3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß

- die Schnecke (2) zwei- oder mehrgängig ist.

4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Sensorelement ein Hall-Element (8; 8a, 8b) ist.

5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Sensorelement ein GMR-Element (8; 8a, 8b) ist.

6. Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Sensorelement (8) als Doppelsensor (8a, 8b) ausge führt ist, mit dem eine Erkennung der Bewegungsrichtung der vorbeibewegten wendelförmigen Erhebung (3) und damit der Drehrichtung der Welle (1) ermöglicht ist.

7. Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß

- im Verlauf der Flußlinien (7, 7a, 7b) ein magnetisch leitfähiges Metallteil (9) angeordnet ist.

8. Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Welle (1, 1a) mit der Schnecke (2) die Ankerwelle eines elektrischen Verstellmotors ist.