DE19953190C2 - Sensor arrangement for detecting an angle of rotation - Google Patents
Sensor arrangement for detecting an angle of rotationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Teils, insbesondere zur Erfassung sowohl des inkrementellen als auch des absoluten Drehwinkels.The invention relates to a sensor arrangement for detection an angle of rotation of a rotating part, in particular for Acquisition of both incremental and absolute Angle of rotation.
Es ist aus der DE 195 43 562 A1 eine Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung bekannt, bei der eine drehbare Welle an ihrem Ende einen Dauermagneten als mitdrehendes Teil trägt. Die magnetischen Feldlinien des Magneten verlaufen hierbei durch ein Gehäuseteil, das eine ortsfeste Sensoranordnung, bestehend aus zwei gegeneinander um 90° versetzten Hallsensoren, trägt. Die Richtungskomponenten der Feldlinien verursachen bei der bekannten Anordnung spezifische Ausgangssignale der beiden Hallsensoren, wodurch sowohl die absolute Drehlage als auch eine Änderung der Drehlage um eine beliebige Winkeländerung mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden kann.From DE 195 43 562 A1 there is an arrangement for non-contact rotation angle detection known in the one rotatable shaft at its end as a permanent magnet moving part carries. The magnetic field lines of the Magnets run through a housing part, the one Fixed sensor arrangement consisting of two against each other Hall sensors offset by 90 °. The Directional components of the field lines cause the known arrangement specific output signals of the two Hall sensors, which means both the absolute rotational position as well 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. Da rüber 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 18000 Inkremente pro Umdre hung liefern können. Der Nachteil der optischen Sensoren liegt in der Verschmutzung oder auch Betauung der optischen 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 revolution can deliver hung. The disadvantage of optical sensors lies in the pollution or condensation of the optical Distance and in the degradation of the LEDs.
Im JP-Abstract zur JP 62-21 5880 A2 wird ein magnetostriktiver Draht beschrieben, in dem bei angelegtem magnetischen Feld eine Spannung entsteht. Hier wird nicht das Magnetfeld gemessen, sondern der Draht reagiert mit Dehnung auf das angelegte Magnetfeld. Der Draht ist in einem Zickzackmuster angeordnet. Hinweise auf eine sternförmige Ausbildung und eine Verwendung bei anderen Meßprinzipien finden sich nicht.In the JP abstract for JP 62-21 5880 A2 a described magnetostrictive wire, in which when applied magnetic field creates a voltage. Not here the magnetic field is measured, but the wire reacts with it Expansion to the applied magnetic field. The wire is in one Zigzag pattern arranged. Indications of a star-shaped Training and use in other measuring principles do not find each other.
In der DE 195 32 674 C1 ist ein unter Verwendung von Giant- Magneto-Widerstandsmaterialien mit isotropen magnetoresistiven Effekt (GMR-Sensor) arbeitender Drehwinkelgeber beschrieben. Hier sind zwei unter einem vorgegebenen Winkel angeordnete Halbbrücken miteinander verschaltet. Auch hier sind keine Hinweise auf eine sternförmige Anordnung und auf das Messprinzip des GMI- Sensors gegeben.DE 195 32 674 C1 uses a giant Magneto-resistance materials with isotropic magnetoresistive effect (GMR sensor) working Angle of rotation encoder described. Here are two under one predetermined angles arranged half bridges with each other connected. Again, there is no evidence of one star-shaped arrangement and based on the measuring principle of the GMI Given sensor.
Im JP-Abstract zu JP 9-126711 A2 wird eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels beschrieben, die einen auf einem drehenden Teil angeordneten Magneten und einem ortsfesten magnetfeldempfindlichen MI-Sensor, bei dem unter Ausnutzung des Magneto-Impedanz-Effekts in einer Leiterbahn eine Impedanzänderung auftritt, aufweist. Hinweise auf eine besondere Anordnung der Leiterbahnen und der damit verbundenen Verbesserungen sind nicht zu entnehmen. A sensor arrangement is described in the JP abstract for JP 9-126711 A2 described for detecting an angle of rotation, the one on a rotating part and a magnet Fixed magnetic field sensitive MI sensor, in which under Exploitation of the magneto-impedance effect in a conductor track an impedance change occurs. References to a special arrangement of the conductor tracks and thus related improvements are not apparent.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels unter Verwendung eines GMI-Sensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei dem die Leiterbahnen des GMI- Sensors Mäandersegmente bildet und in der beanspruchten Weise sternförmig geführt sind hat den Vorteil, daß sie auf einfache Weise durch eine leichte Variation der geometrischen Anordnung an verschiedene Meßbereiche anpassbar ist. Der Winkel 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.The sensor arrangement according to the invention for detecting a Angle of rotation using a GMI sensor with the Features of claim 1, in which the conductor tracks of the GMI Sensor forms meander segments and in the claimed Are guided in a star shape has the advantage that they are simple way by a slight variation of the geometric arrangement to different measuring ranges is customizable. The angle can be incremental and also can be tapped absolutely without contact. A good Zero point and good temperature stability is at this Measurement principle also given, but only a simple one Evaluation circuit and a two-wire connection for the Conductor tracks is necessary.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind in den Unteransprüchen angegeben. Insbesondere für eine absolute Erfassung der Winkellage ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Mäandersegment eine relativ zu den anderen größere Länge aufweist, da die absolute Größe der Impedanzänderung abhängig ist von der Länge des jeweils zum Impedanzsprung führenden Mändersegments. Somit kann neben der genauen Inkrementposition auch eine absolute Kodierung des Inkrements auf dem Drehkreis über die Länge des jeweiligen Mäandersegments festgelegt werden.Advantageous further developments of the invention Sensor arrangement are specified in the subclaims. Especially for an absolute detection of the angular position it is advantageous if at least one meander segment is a has a greater length than the others because the absolute magnitude of the change in impedance depends on the Length of the lead to the impedance jump Mändersegments. Thus, in addition to the exact Increment position also an absolute coding of the Increments on the turning circle over the length of each Meander segments can be determined.
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 (7)
mindestens einem auf einem drehenden Teil (1) angeordneten Magneten (2) und mit mindestens eines ortsfesten magnetfeldempfindlichen Sensor (5) wobei 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, wobei
die Leiterbahn (7) des GMI-Sensors (5) Mäandersegmente bildet, 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 wobei
bei einer Vielzahl von Mäandersegmenten diese über den Drehkreis des drehenden Teils (1) so verteilt sind, dass sich im GMI-Sensor (5) ein inkrementaler Winkelimpuls durch die Impedanzänderung aufgrund einer Drehung des drehbaren Teils (1) mit dem Magneten (2) ergibt.1. Sensor arrangement for detecting an angle of rotation, with
at least one magnet ( 2 ) arranged on a rotating part ( 1 ) and with at least one fixed magnetic field sensitive sensor ( 5 )
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 changes in the area of the GMI sensor ( 5 ), in which
the conductor track ( 7 ) of the GMI sensor ( 5 ) forms meander segments, 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 wherein
in the case of a large number of meander segments, these are distributed over the rotating circle of the rotating part ( 1 ) in such a way that an incremental angular pulse results from the change in impedance due to a rotation of the rotatable part ( 1 ) with the magnet ( 2 ) in the GMI sensor ( 5 ) ,
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |