DE19953190A1 - Absolute and incremental rotation angle measurement, especially for automotive application, using a star-shaped GMI (giant magneto impedance effect) sensor for measurement of the changing magnetic field produced by a rotating part - Google Patents
Absolute and incremental rotation angle measurement, especially for automotive application, using a star-shaped GMI (giant magneto impedance effect) sensor for measurement of the changing magnetic field produced by a rotating partInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Teils, insbesondere zur Erfassung sowohl des inkrementellen als auch des ab soluten Drehwinkels, nach dem Oberbegriff des Hauptan spruchs.The invention relates to a sensor arrangement for detection an angle of rotation of a rotating part, in particular to record both the incremental and the ab soluten rotation angle, according to the generic term of the main saying.
Es ist aus der DE 44 41 504 A1 eine Anordnung zur berüh rungslosen Drehwinkelerfassung bekannt, bei der eine drehbare Welle an ihrem Ende einen Dauermagneten als mit drehendes Teil trägt. Die magnetischen Feldlinien des Ma gneten verlaufen hierbei durch ein Gehäuseteil, das eine ortsfeste Sensoranordnung, bestehend aus zwei gegeneinan der um 90° versetzten Hallsensoren, trägt. Die Richtungs komponenten der Feldlinien verursachen bei der bekannten Anordnung spezifische Ausgangssignale der beiden Hallsen soren, wodurch sowohl die absolute Drehlage als auch eine Änderung der Drehlage um eine beliebige Winkeländerung mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden kann.DE 44 41 504 A1 describes an arrangement for contact smooth rotation angle detection known in the one rotatable shaft at its end a permanent magnet than with rotating part carries. The magnetic field lines of the Ma gneten run through a housing part, the one Fixed sensor arrangement consisting of two against each other Hall sensors offset by 90 °. The direction Components of the field lines cause the known Arrangement of specific output signals from the two halls sensors, whereby both the absolute rotational position and a Change of the rotational position by any change in angle can be evaluated with an electronic circuit can.
Beispielsweise werden für wichtige elektronische Systeme in einem Kraftfahrzeug kleine und kompaktbauende inkre mentelle Winkelsensor benötigt. Zum Beispiel zur Erfas sung des auf eine Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges wir kenden Drehmomentes während der Drehung des Lenkrades müssen sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrich tungen des Lenkrades gemessen werden. Für eine Vielzahl von elektronisch kommutierten Motoren wird ein inkremen teller oder auch oft ein absoluter Winkelwert benötigt, um den Motor auf die Phasenein- bzw. Phasenausschaltwin kel optimal einzustellen oder auch in einen vorbestimmten Winkel zu stellen.For example, for important electronic systems in a motor vehicle small and compact incre mental angle sensor needed. For example, for capturing solution to a steering wheel axle of a motor vehicle we kenden torque during the rotation of the steering wheel have to make very small changes in the angle in both directions lines of the steering wheel are measured. For a variety electronically commutated motors become incremental plate or often an absolute angular value is required, around the motor to the phase on or phase off optimally set kel or even in a predetermined To put angles.
Viele solcher kompaktbauenden Kommutierungs-Winkel sensoren basieren auf den eingangs erwähnten Hallelemen ten oder -schaltern, die von einem magnetischen Impuls ring angesteuert werden und so ein digitales Winkelinkre ment oder mit zwei Sensoren auch zwei um 90° verschobene Rechtecksignale zu gewinnen, aus denen dann sowohl die Drehrichtung als auch eine vierfache Auflösung, gegenüber dem Einzelsensor, ableitbar ist. Der Nachteil dieser be kannten Ausführung besteht vor allem darin, dass pro Ka nal ein Sensor und eine Leitung benötigt wird und die ab solute Genauigkeit stark vom Impulsring abhängt. Darüber hinaus wirken sich die mechanischen Positionstoleranzen zwischen dem Magneten und dem Impulsrad als drehendes Element negativ auf die Genauigkeit aus.Many such compact commutation angles sensors are based on the Hall elements mentioned at the beginning ten or switches by a magnetic pulse ring can be controlled and so a digital angle incre ment or with two sensors also two shifted by 90 ° Rectangular signals, from which both the Direction of rotation as well as a fourfold resolution, opposite the individual sensor can be derived. The disadvantage of this be Known execution mainly consists of the fact that per Ka nal a sensor and a line is needed and the off solute accuracy strongly depends on the impulse ring. About that the mechanical position tolerances also have an effect between the magnet and the impulse wheel as rotating Element negatively affects accuracy.
Für unkritische Umweltbedingungen werden oftmals auch in krementale optische Zweikanallösungen verwendet, die bei spielsweise zwischen 16 bis 18 000 Inkremente pro Unidre hung liefern können. Der Nachteil der optischen Sensoren liegt in der Verschmutzung oder auch Betauung der opti schen Strecke sowie in der Degradation der Leuchtdioden.For uncritical environmental conditions are often also in uses two-channel incremental optical solutions that for example between 16 and 18,000 increments per unidre can deliver hung. The disadvantage of optical sensors lies in the dirt or dew on the opti distance and in the degradation of the LEDs.
Bei einer Weiterbildung einer Sensoranordnung zur Erfas sung eines Drehwinkels eines drehenden Teils mit einem Magneten und mit mindestens einem ortsfesten magnetfel dempfindlichen Sensor ist gemäß der Erfindung in vorteil hafter Weise der mindestens eine magnetfeldempfindliche Sensor ein GMI-Sensor, bei dem unter Ausnutzung des sog. Giant Magneto Impedance Effekts in einer Leiterbahn eine Impedanzänderung auftritt, wenn sich die Feldstärke des magnetischen Feldes im Bereich des GMI-Sensors ändert.In a further development of a sensor arrangement for detection solution of a rotation angle of a rotating part with a Magnets and with at least one stationary magnetic field the sensitive sensor is advantageous according to the invention the at least one magnetic field sensitive Sensor a GMI sensor in which, using the so-called Giant Magneto Impedance Effect in a trace Impedance change occurs when the field strength of the magnetic field in the area of the GMI sensor changes.
Dieser sogenannte GMI-Effekt basiert einerseits auf dem an sich bekannten Skineffekt und der ferromagnetischen Resonanz. Das Zusammenwirken dieser Effekte in bestimmten Materialien führt dazu, dass die Impedanz eines amorphen Drahtes im magnetischen Feld sich in Abhängigkeit von der Feldstärke ändert. Da der erfindungsgemäße Sensor magne tisch in die Sättigung gebracht wird, ist die Abstandsab hängigkeit des Sensors vom Magneten nur sehr schwachaus geprägt, so dass aufgrund dieser Eigenschaften der Sensor besonders gut als Kommutierungssensor für elektronisch kommutierte Motoren geeignet ist. Es ist mit der erfin dungsgemäßen Anordnung ein kompaktbauendes statisches Messprinzip zu realisieren, dass sehr kostengünstig ist, da nur ein sehr kostengünstiger Draht zu bonden ist.This so-called GMI effect is based on the one hand known skin effect and the ferromagnetic Resonance. The interaction of these effects in certain Materials causes the impedance of an amorphous Wire in the magnetic field depending on the Field strength changes. Since the sensor according to the invention magne is brought into saturation, the distance is dependence of the sensor on the magnet is very weak coined so that due to these properties the sensor particularly good as a commutation sensor for electronics commutated motors is suitable. It is with the invent arrangement according to the invention a compact static To implement the measuring principle that is very cost-effective, because only a very inexpensive wire can be bonded.
Konfiguriert man einen derartigen amorphen Draht, bzw. eine Leiterbahn in Dünnschichttechnik auf einem Silizium substrat, in bestimmten sternförmigen Mäandersegmenten und positioniert einen Zweipolpermanentmagneten an dem drehenden Teil, so erhält man bei bestimmten Ausrichtun gen des Permanentmagneten während der Drehung des drehen den Teils einen auswertbaren Impedanzsprung. Die Anord nung des Drahtes oder der Leiterbahn ist auf einfache Weise durch eine leichte Variation der geometrischen An ordnung an verschiedene Messbereiche anpassbar. Der Win kel kann dabei inkremental und auch absolut berührungslos abgegriffen werden. Ein guter Nullpunkt und eine gute Temperaturstabilität ist bei diesem Messprinzip ebenfalls gegeben, wobei nur eine einfache Auswerteschaltung und ein Zweidrahtanschluss für die Leiterbahnen notwendig ist.If you configure such an amorphous wire, or a thin-film conductor track on a silicon substrate, in certain star-shaped meander segments and positions a two-pole permanent magnet on the rotating part, so you get with certain alignments against the permanent magnet during the rotation of the the parts an evaluable impedance jump. The arrangement The wire or conductor track is simple Way by a slight variation of the geometric an order adaptable to different measuring ranges. The win kel can be incremental and absolutely contactless be tapped. A good zero point and a good one Temperature stability is also with this measuring principle given, only a simple evaluation circuit and a two-wire connection for the conductor tracks is necessary is.
In vorteilhafter Weise sind die Mäandersegmente der Lei terbahnen des GMI-Sensors so gestaltet, dass der Draht jeweils vom Bereich der Drehachse des drehenden Teils mindestens einmal sternförmig zu einem in einem vorgege benen Abstand liegenden Punkt geführt. Bei einer Vielzahl von sternförmig geführten Mäandersegmenten können diese über den Drehkreis des drehenden Teils so verteilt sein, dass sich im GMI-Sensor ein inkrementaler Winkelimpuls durch die Impedanzänderung aufgrund einer Drehung des drehbaren Teils mit dem Magneten ergibt.The meander segments are advantageously the lei tracks of the GMI sensor designed so that the wire each from the area of the axis of rotation of the rotating part at least once in a star shape in one the next point. With a multitude of meander segments guided in a star shape can do this be distributed over the rotating circle of the rotating part so that there is an incremental angular pulse in the GMI sensor by the change in impedance due to a rotation of the rotatable part with the magnet results.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Mäan dersegmente über den Drehkreis in einem Winkelabstand von 180°, 90°, 45° oder in einem sonstigen mit einem vielfa chen Teiler verkleinerten Winkelabstand verteilt. Alter nativ können die Mäandersegmente auch über den Drehkreis in einem Winkelabstand von 120°, 60°, 30° oder in einem sonstigen mit einem vielfachen Teiler verkleinerten Win kelabstand verteilt sein.According to an advantageous embodiment, the Mäan dersegmenten over the turning circle at an angular distance of 180 °, 90 °, 45 ° or in another with a variety Chen divided distributed angular distance. Dude natively, the meander segments can also be made using the turning circle at an angular distance of 120 °, 60 °, 30 ° or in one other win reduced with a multiple divider be spaced apart.
Insbesondere für eine absolute Erfassung der Winkellage ist es vorteilhaft, wenn z. B. mindestens ein Mäanderseg ment eine relativ zu den anderen größere Länge aufweist, da die absolute Größe der Impedanzänderung abhängig ist von der Länge des jeweils zum Impedanzsprung führenden Mäandersegments. Somit kann neben der genauen Inkrement position auch eine absolute Kodierung des Inkrementes auf dem Drehkreis über die Länge des jeweiligen Mäanderseg mentes festgelegt werden.Especially for an absolute detection of the angular position it is advantageous if, for. B. at least one meander seg ment has a greater length than the others, since the absolute magnitude of the change in impedance is dependent of the length of the lead to the impedance jump Meander segments. Thus, in addition to the exact increment position also an absolute coding of the increment the turning circle over the length of the respective meandering segment mentes.
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.These and other features of preferred training gene of the invention go out not only from the claims the description and the drawings, the individual characteristics individually or for more ren in the form of sub-combinations in the execution form of the invention and realized in other fields his and advantageous as well as protectable execution represent representations for which protection is claimed here becomes.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is based on the Drawing explained. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipansicht einer rotierenden Welle mit einem Magneten und einem GMI-Sensor in einem Ge häuse in Schnittansicht; Figure 1 is a schematic view of a rotating shaft with a magnet and a GMI sensor in a Ge housing in a sectional view.
Fig. 2 drei Beispiele einer mäanderförmigen Anord nung von Leiterbahnen zur Auswertung von Impedanz sprüngen durch die Drehung des Magneten und Fig. 2 three examples of a meandering arrangement of conductor tracks for evaluating impedance jumps by the rotation of the magnet and
Fig. 3 ein Diagramm der resultierenden Impedanz in Abhängigkeit vom Drehwinkel des drehenden Teils. Fig. 3 is a diagram of the resulting impedance as a function of the angle of rotation of the rotating part.
In Fig. 1 ist eine rotierende Welle 1 als sich um den Winkel α drehendes Teil gezeigt, auf der ein Permanentma gnet 2 in der dargestellten Richtung des Nord- und des Südpols N bzw. S angeordnet ist. Feldlinien 3 des Magneten 2 schneiden dabei eine Sensoranordnung 4, die in einem Gehäuse 5 angeordnet ist. Die Sensoranordnung 4 besteht aus einem GMI-Sensor 5 und einer hier nicht näher erläu terten, an sich bekannten Auswerteschaltung 6.In Fig. 1, a rotating shaft 1 is shown as a part rotating by the angle α, on which a permanent magnet 2 is arranged in the illustrated direction of the north and south poles N and S, respectively. Field lines 3 of the magnet 2 intersect a sensor arrangement 4 , which is arranged in a housing 5 . The sensor arrangement 4 consists of a GMI sensor 5 and an evaluation circuit 6 known per se, which is not explained in greater detail here.
Aus Fig. 2 sind drei mögliche geometrische Anordnungen des GMI-Sensors 5 ersichtlich, wobei der GMI-Sensor 5 aus einem amorphen Draht 7, bzw. einer Leiterbahn in Dünn schichttechnik auf einem Siliziumsubstrat, besteht, der in bestimmten Mäandersegmenten zwischen Bondpunkten 8 und 9 positioniert ist. Hierdurch entsteht eine sternförmige Mäanderanordnung, deren Segmente in der linken Darstel lung in einem 90° Abstand auf dem Drehkreis verteilt sind; im mittleren beträgt der Abstand 60° und im rechten Teil 30°.From Fig. 2, three possible geometric arrangements of the GMI sensor 5 can be seen, the GMI sensor 5 of an amorphous wire 7, and a conductor path in thin-film technology on a silicon substrate, is that in certain Mäandersegmenten between bond points 8 and 9 is positioned. This creates a star-shaped meander arrangement, the segments in the left presen- tation are distributed at a 90 ° distance on the rotating circle; in the middle the distance is 60 ° and in the right part 30 °.
Während einer Drehung des drehenden Teils 1 nach der Fig. 1 um den Winkel α erhält man bei bestimmten Ausrich tungen des Permanentmagneten 2 während der Drehung einen auswertbaren Impedanzsprung im Draht 7, welcher mit An schlussdrähten 10 und 11 an die Auswerteschaltung 6 ange schlossen ist. In einem Diagramm nach Fig. 3 ist die Im pedanz des Drahtes 7 (Kurve 12) in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α des drehenden Teils 1 dargestellt. Die Impe danzsprünge treten hierbei jeweils in einem 45° Abstand auf. Der Draht des GMI-Sensors 5 ist die beschriebene Messung unter 50°, 95° und 140° angebracht. Somit ergeben sich drei Impedanzsprünge bei 50° bzw. 230°, 95° bzw. 275° und 140° bzw. 320°. Da in Richtung 5° kein Draht an gebracht ist, fehlt hier der Impedanzsprung bei 5° bzw. bei 185°.While rotation of the rotating part 1 of FIG. 1 by the angle α obtained in certain Reg obligations of the permanent magnet 2 while the rotation of an evaluable impedance jump in the wire 7, which circuit wires at 10 and 11 attached to the evaluating circuit 6 included. In a diagram according to FIG. 3, the impedance of the wire 7 (curve 12 ) is shown as a function of the angle of rotation α of the rotating part 1 . The Impe jumps occur here at a 45 ° distance. The wire of the GMI sensor 5 is attached to the measurement described at 50 °, 95 ° and 140 °. This results in three jumps in impedance at 50 ° or 230 °, 95 ° or 275 ° and 140 ° or 320 °. Since there is no wire in the 5 ° direction, the impedance jump at 5 ° or 185 ° is missing.
Claims (8)
- - mindestens einem auf einem drehenden Teil (1) angeord neten Magneten (2) und mit mindestens einem ortsfesten magnetfeldempfindlichen Sensor (5), dadurch gekenn zeichnet, dass
- - der mindestens eine magnetfeldempfindliche Sensor ein GMI-Sensor (5) ist, bei dem unter Ausnutzung des Giant Magneto Impedance Effekts in einer Leiterbahn (7) eine Impedanzänderung auftritt, wenn sich die Feldstärke des magnetischen Feldes im Bereich des GMI-Sensors (5) ändert.
- - At least one on a rotating part ( 1 ) angeord Neten magnet ( 2 ) and with at least one fixed magnetic field sensitive sensor ( 5 ), characterized in that
- - The at least one magnetic field sensitive sensor is a GMI sensor ( 5 ), in which, using the giant magneto impedance effect in an interconnect ( 7 ), an impedance change occurs when the field strength of the magnetic field in the area of the GMI sensor ( 5 ) changes.
- - die Leiterbahnen (7) des GMI-Sensors (5) Mäanderseg mente bilden, die jeweils vom Bereich der Drehachse des drehenden Teils (1) mindestens einmal sternförmig zu einem in einem vorgegebenen Abstand liegenden Punkt (9) geführt sind und dass
- - bei einer Vielzahl von Mäandersegmenten diese über den Drehkreis des drehenden Teils (1) so verteilt sind, dass sich im GMI-Sensor (5) ein inkrementaler Winke limpuls durch die Impedanzänderung aufgrund einer Dre hung des drehbaren Teils (1) mit dem Magneten (2) er gibt.
- - The conductor tracks ( 7 ) of the GMI sensor ( 5 ) form Mäanderseg elements, each of which is guided at least once in a star shape from the region of the axis of rotation of the rotating part ( 1 ) to a point ( 9 ) lying at a predetermined distance and that
- - In the case of a large number of meandering segments, these are distributed over the rotating circle of the rotating part ( 1 ) in such a way that an incremental angle limpuls in the GMI sensor ( 5 ) due to the change in impedance due to a rotation of the rotating part ( 1 ) with the magnet ( 2 ) he gives.
- - die sternförmigen Mäandersegmente über den Drehkreis in einem Winkelabstand von 180°, 90°, 45° oder in ei nem sonstigen mit einem vielfachen Teiler verkleiner ten Winkelabstand verteilt sind.
- - The star-shaped meander segments are distributed over the turning circle at an angular distance of 180 °, 90 °, 45 ° or in another with a smaller divider th angular distance.
- - die sternförmigen Mäandersegmente über den Drehkreis in einem Winkelabstand von 120°, 60°, 30° oder in ei nem sonstigen mit einem vielfachen Teiler verkleiner ten Winkelabstand verteilt sind.
- - The star-shaped meander segments are distributed over the turning circle at an angular distance of 120 °, 60 °, 30 ° or in another with a smaller divider th angular distance.
- - mindestens eines der sternförmigen Mäandersegmente ei ne relativ zu den anderen größere Länge aufweist.
- - At least one of the star-shaped meander segments ei ne has greater length relative to the other.
- - zusätzlich zu den in einem regelmäßigen Winkelabstand angeordneten sternförmigen Mäandersegmente weitere einzelne Mäandersegmente auf dem Drehkreis des drehba ren Teils (1) angeordnet sind.
- - In addition to the star-shaped meander segments arranged at a regular angular distance, further individual meander segments are arranged on the rotating circle of the rotary part ( 1 ).
- - der GMI-Sensor (5) aus einem amorphen Draht (7) aufge baut ist.
- - The GMI sensor ( 5 ) from an amorphous wire ( 7 ) is built up.
- - der GMI-Sensor (5) aus amorphen Leiterbahnen (7) auf gebaut ist, die in Dünnschichttechnik auf einem Sub strat angebracht ist.
- - The GMI sensor ( 5 ) from amorphous conductor tracks ( 7 ) is built on, which is attached to a sub strat in thin-film technology.
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