DE202007014319U1

DE202007014319U1 - Magnetfeldempfindlicher Sensor

Info

Publication number: DE202007014319U1
Application number: DE202007014319U
Authority: DE
Original assignee: Woelke Magnetbandtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Woelke Magnetbandtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2017-10-13
Also published as: US8022693B2; US20090161264A1

Abstract

Sensor, bevorzugt für magnetische Dreh- bzw. Lineargebersysteme, die einen im gegebenen Abstand vom Sensor angeordneten Maßstab aufweisen, mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen GMR-Sensorelement, das in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse zusätzlich jeweils eine dem mindestens einen GMR-Sensorelement zugeordneten Magnetfeldquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine GMR-Sensorelement in einen zugehörigen Schlitz im Gehäuse fest eingegossen ist, wobei an zumindest einer Seite des Schlitzes bündig zu dieser Schlitzseitenwand ein Vorsprung in das Innere des Gehäuses hineinragt, der gleichzeitig Aufnahmeausnehmungen zur Aufnahme der Magnetfeldquelle aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, der bevorzugt für magnetische Dreh- bzw. Lineargebersysteme geeignet ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für magnetische Dreh- bzw. Lineargebersysteme, bei denen der Maßstab aus weichem magnetischem Material (z. B. Zahnstange, Zahnrad oder genutetes Band aus weichmagnetischem Stahl) oder aus sinnvoll zueinander angeordneten Permanentmagneten (z. B. kleine Permanentmagnete auf einer Leiste oder verschieden magnetisierte Bereiche in einem halbmagnetischen Band) besteht, werden als Abtasteinheit Sensoren verwendet, die neben dem eigentlichen magnetfeldempfindlichen Sensorelement mit einer konstanten Magnetquelle (z. B. Permanentmagnet) versehen sind. Als magnetfeldempfindliche Sensorelemente wurden in der Vergangenheit magnetfeldempfindliche Widerstände (Feldplatte, magnetoresestives Element) eingesetzt.
Derartige magnetfeldempfindliche Sensoren sind bereits bekannt. In der DE 32 40 794 C2 und in der DE 39 26 328 A1 werden derartige Sensoren zum Messen von Längen und Winkeln beschrieben. Aus der DE 38 29 390 A1 ist es bekannt, diese magnetfeldempfindlichen Sensoren zur Drehzahlmessung zu verwenden.
Wie beispielsweise aus der DE 296 14 974 U1 bekannt, werden für ein Gebersystem zwei sinusförmige Signalspuren um 90° phasenversetzt und eine Referenzsignalspur, die einen Einzelimpuls zeigt, benötigt.
Seit geraumer Zeit werden als Sensorelemente sogenannten GMR-Sensoren (d. h. Giant-Magnetoresistive Sensoren) eingesetzt. Diese Technologie eignet sich für hochintegrative Messungen von Geschwindigkeit und Position von Objekten. Die hohe Sensitivität des Sensors erlaubt vergleichsweise große Abstände zwischen dem Messobjekt und dem Sensorelement.
Der aus zwei Wheatstone-Brücken bestehende Sensor reagiert auf Feldgradienten in der Sensorfläche. Die zwei Brücken sind so an die Zahnstruktur angepasst, dass als Ausgangssignale zwei um 90° verschobene Sinusperioden ausgegeben werden.
Zum Abtasten von ferromagnetischen Zahnstrukturen benötigt der Sensor einen Stützmagnet. Im einfachsten Fall wird der Stützmagnet auf der Rückseite des Sensorelementes befestigt. Die Geometrie der einzelnen Brückenwiderstände ist zur Differenzwertmessung für jeweils eine Zahnteilung ausgelegt. Die Zahnstruktur moduliert das Magnetfeld der Stützmagneten, indem die Magnetfeldlinien verdichtet bzw. gestreckt werden. Der Sensor setzt diese modulierte Feldstärke in ein proportionales elektrisches Signal um. Die maximale Ausgangsspannung des Sensors hängt von der Magnetfeldstärke des Permanentmagneten, dem Abstand zwischen dem Sensorelement und Messobjekt und der Struktur des Messobjektes ab.
In der DE 20 2005 011 361.1 ist bereits ein Sensor beschrieben worden, in dem zwei GMR-Sensorelemente zum Einsatz kamen. Dort wurde zur Optimierung des Nullsignalverlaufs entweder die Magnetfeldquelle, die GMR-Sensorelemente und/oder das Gehäuse bei gegebenem Abstand um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Bezugsebene des Maßstabs verkippt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Einstellung des jeweiligen Verkippwinkels bei der Produktion des Sensors aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den gattungsgemäßen Sensor derart weiterzubilden, dass er einerseits einfach montierbar ist, wobei gewährleistet ist, dass die geometrische Anordnung der Sensorelemente im Gehäuse und die geometrische Zuordnung des Magnets zu den Sensorelementen exakt festgelegt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach wird ein Sensor mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen GMR-Sensorelement, das in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse zusätzlich jeweils eine dem mindestens einen GMR-Sensorelement zugeordnete Magnetfeldquelle aufweist, derart ausgebildet, dass das mindestens eine GMR-Sensorelement in einen zughörigen Schlitz im Gehäuse fest eingegossen ist, wobei an zumindest einer Stelle des Schlitzes bündig zu dieser Schlitzseitenwand ein Vorsprung in das Innere des Gehäuses hineinragt, der gleichzeitig Aufnahmeausnehmungen zur Aufnahme der Magnetfeldquelle aufweist. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Sensorelemente im Schlitz exakter zu positionieren, da sie sich nicht nur an der vergleichsweise niedrigen Schlitzseitenwand, sondern während der Positionierung auch bündig an der sich an der Schlitzseitenwand anschließenden Oberfläche des Vorsprungs abstützen kann. Die Aufnahmeausnehmung zur Aufnahme der Magnetfeldquelle auf dem Vorsprung wiederum führt dazu, dass die Magnetfeldquelle exakt im Verhältnis zu den Sensorelementen und dem Gehäuse positioniert werden kann.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
Demnach kann ein GMR-Sensorelement einer im Maßstab vorgesehenen Referenzsignalspur zur Erzeugung eines referierten Signals zugeordnet sein.
In einem GMR-Sensorelement können vorteilhaft zwei Sensorgrundelemente enthalten sein, die zusammen in einem Schlitz angeordnet sind. Dabei sind diese beiden Sensorgrundelemente derart der Inkrementalsignalspur zugeordnet, dass sie zwei phasenversetzte Signale erzeugen.
Die Magnetfeldquelle kann mindestens aus einem Permanentmagneten bestehen.
Der jeweils eingesetzte Permanentmagnet ist vorteilhaft quaderförmig, wobei seine Abmessungen im Verhältnis zum zugeordneten GMR-Sensorelement so gewählt ist, dass ein weitgehend homogenes Magnetfeld auf das GMR-Sensorelement einwirkt.
Vorteilhaft besteht das Gehäuse aus Aluminium.
In den mindestens einen Schlitz kann ein gehäustes oder auch ein ungehäustes Sensorelement eingesetzt sein.
Vorteilhaft ist der Schlitz länger ist als die Länge des Sensorelementes. Somit kann durch Positionieren des Sensorelementes im Schlitz das Signal optimiert werden.
Das Gehäuse ist vorteilhaft im wesentlichen zweiteilig ausgeführt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Platine L-förmig ausgebildet ist. Hierdurch kann die Außenabmessung des Gehäuses minimiert werden.
Besonders vorteilhaft können zwei GMR-Sensoren und eine diesen zugeordnete Magnetfeldquelle in einem festen Zuordnungsverhältnis zueinander im Gehäuse eingesetzt sein.
Vorteilhaft ist es, wenn das Versorgungskabel des Sensors zur Zugentlastung über seine Außenisolierung in ein Gewinde des Gehäuses geschraubt ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1: eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems in schematischer Form, bei welchem der erfindungsgemäße Sensor verwendbar ist
Die 2 bis 6: perspektivische Ansichten des erfindungsgemäßen Sensors in verschiedenen Montagezuständen
In der 1 ist beispielhaft ein Drehgebersystem 10 gezeigt, welches einen Geber bzw. Abtastkopf 12 sowie ein auf einer Welle 14 angeordnetes, als Maßstab dienendes Zahnrad 16 mit einer hier nicht näher dargestellten Evolventenverzahnung aufweist. Das hier verwendete Messprinzip beruht auf einer berührungslosen Abtastung der verzahnten, ferromagnetischen Maßstäbe mittels magnetfeldempfindlicher Geber bzw. Abtaster 18, die in den Geber bzw. Abtastkopf eingebaut sind.
Das Zahnrad 16 weist eine mit einer gleichmäßigen Evolventenverzahnung versehene Inkrementalsignalspur 19 sowie eine mit einem einzigen Referenzzahn 20 versehene Nullspur 22 auf.
In zwei als Schlitze 24 ausgebildeten Sensorfenstern innerhalb des Gehäuses 26 des Abtastkopfes 12 sind jeweils auf der Höhe der Inkrementalspur 19 ein Sensor 18 sowie auf der Höhe der Nullspur 22 ebenfalls ein Sensor ausgebildet. Die Sensoren 18 schließen hier bündig mit der Oberfläche des Gehäuses ab.
Der Aufbau der Sensoreinheit kann anhand der perspektivischen Darstellung der nur teilmontierten Sensoreinheit gemäß der 2 bis 6 dargestellt werden. Der Sensor, der eingangs als Geber bzw. Abstastkopf 12 bezeichnet wurde, weist ein zweiteiliges Aluminiumgehäuse 26 mit den Teilen 28 und 30 auf. Der Teil 28 weist seitlich zwei flanschförmige Vorsprünge 32 und 34 auf, in welchen Längsbohrungen 36 zur Aufnahme von Montageschrauben angeordnet sind (vgl. 2).
In der 3 ist lediglich das Gehäuseteil 28 dargestellt, bei dem der aufschiebbare haubenförmige Gehäuseteil 30 (vgl. 2) abgenommen ist.
Innerhalb des Gehäuses ist eine L-förmige Platine 38 angeordnet, auf der die für die Verarbeitungselektronik notwendigen elektronischen Bauteile angeordnet sind.
Das Gehäuseteil 28 und ein Bauteil ist in der 4 dargestellt. Hier sind in dem Boden 38 des Gehäuseteils 28 zwei parallel zueinander verlaufende Längsschlitze ausgenommen. Bündig mit jeweils einer Seitenwand der Längsschlitze 24 sind im Gehäuseteil 28 Vorsprünge 40, 42 angegossen. In ihrem oberen Bereich weisen die Vorsprünge 40 und 42 jeweils Ausnehmungen 44 und 46 auf. Die Ausnehmungen 44 und 46 weisen jeweils seitliche Begrenzungen 48 und 50 sowie eine stirnseitige Begrenzung 52 auf, die in der Ausnehmung 46 angeordnet ist.
Die bündig mit der jeweiligen einen Seitenwand der Schlitze 24 abschließenden Vorsprünge 40 und 42 erleichtern die lagegenaue Positionierung von Sensorelementen 18 in den Schlitzen 24 (vgl. 3). Hierdurch wird die winkelgenaue Ausrichtung der Sensorelemente im Schlitz 24 sichergestellt. Die Schlitze 24 sind jeweils größer als die Längsausdehnung der Sensorelemente. Somit können die Sensorelemente innerhalb der Schlitze verschoben werden. Bei Einjustieren der Sensorelemente werden die Sensorelemente entsprechend verschoben bevor sie vorteilhaft durch eine Verklebung in dem Gehäuseteil 28 festgelegt werden. Nach der Montage sämtlicher weiterer Teile werden die Sensorelemente 18 zusammen mit den anderen Teilen im Inneren des Gehäuses 28 mit einer Vergussmasse fest vergossen (hier nicht dargestellt).
Die Vorsprünge 40 und 42 dienen aber nicht nur dazu, die Positionierung der Sensorelemente 18 zu vereinfachen. Es wird gleichzeitig durch die entsprechend ausgenommenen Auflageflächen 44 und 46 ein einfacher und lagegenauer Einbau eines quaderförmigen Magneten 54 ermöglicht. Der quaderförmige Magnet 54 liegt an den Anlageflächen 48 und 50 in den Ausnehmungen 44 und 46 und wird in seiner Längsausrichtung durch die Anlagefläche 52 innerhalb des Gehäuses 28 positioniert. In dieser Lage wird der Magnet verklebt bevor er durch den entsprechenden Verguss mit Vergussmasse in seiner Position gesichert wird.
In der 5 ist in dem Gehäuseteil 30 des Gehäuses 26 eine runde Ausnehmung 56 gezeigt, durch die ein Anschlusskabel 58 (vgl. 1 bzw. 6) in das Gehäuse 26 hineingeführt wird. Einen diesbezüglichen Schnitt zeigt die 6, in welcher das Versorgungskabel 56 in den zuvor beschriebenen Sensor hineingeführt wird und dort in die einzelnen Litzen 60 aufgegliedert ist. Dieses Kabel 58 wird zur Zugentlastung über seine Außenisolierung in ein hier nicht näher dargestelltes Gewinde 62 in das Gehäuse eingeschraubt. Ein das Kabel in der Öffnung 56 umgebender Ringnutbereich 64 wird nach entsprechendem Einschrauben des Kabels zur zusätzlichen Fixierung bzw. Abdichtung mit Vergussmasse gefüllt (in den Figuren nicht dargestellt).
Aufgrund der geschickten Anordnung der einzelnen Bauteile innerhalb des Sensorgehäuses 28 kann im Sensor 12 noch zusätzlich als integriertes Bauteil eine Kompensationsschaltung integriert werden, die die Amplitudenkonfiguration des Nutzsignals, welche beispielsweise durch Alterung, Temperatur und Entfernung vom Messgegenstand negativ beeinflußt wird, optimiert. Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung die Kompensationsschaltung auch außerhalb des Gehäuses vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3240794 C2 [0003]
- DE 3926328 A1 [0003]
- DE 3829390 A1 [0003]
- DE 29614974 U1 [0004]
- DE 202005011361 [0008]

Claims

Sensor, bevorzugt für magnetische Dreh- bzw. Lineargebersysteme, die einen im gegebenen Abstand vom Sensor angeordneten Maßstab aufweisen, mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen GMR-Sensorelement, das in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse zusätzlich jeweils eine dem mindestens einen GMR-Sensorelement zugeordneten Magnetfeldquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine GMR-Sensorelement in einen zugehörigen Schlitz im Gehäuse fest eingegossen ist, wobei an zumindest einer Seite des Schlitzes bündig zu dieser Schlitzseitenwand ein Vorsprung in das Innere des Gehäuses hineinragt, der gleichzeitig Aufnahmeausnehmungen zur Aufnahme der Magnetfeldquelle aufweist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein GMR-Sensorelement einer Referenzsignalspur im Maßstab zur Erzeugung eines Referenzsignals zugeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein GMR-Sensorelement zwei Sensorgrundelemente enthält, die der Inkrementalsignalspur derart zugeordnet sind, dass sie zwei phasenversetzte Signale erzeugen.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldquelle mindestens aus einem Permanentmagneten besteht.
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils eingesetzte Permanentmagnet quaderförmig ist, wobei seine Abmessungen im Verhältnis zum zugeordneten GMR-Sensorelement so gewählt ist, dass ein weitgehend homogenes Magnetfeld auf das GMR-Sensorelement einwirkt.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus Aluminium besteht.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den mindestens einen Schlitz ein gehäustes Sensorelement eingesetzt ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den mindestens einen Schlitz ein ungehäustes Sensorelement eingesetzt ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz länger ist als die Länge des Sensorelementes.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse im wesentlichen zweiteilig ausgeführt ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine L-förmig ausgebildet ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei GMR-Sensoren und eine diesen zugeordnete Magnetfeldquelle in einem festen Zuordnungsverhältnis zueinander im Gehäuse eingesetzt sind.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versorgungskabel des Sensors zur Zugentlastung über seine Außenisolierung in ein Gewinde des Gehäuses geschraubt ist.