WO1999032867A1 - Sensoranordnung zur erfassung von winkeländerungen - Google Patents

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Anton Dukart
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • G—PHYSICS
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    • G01B7/24—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in magnetic properties

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for detecting changes in angle, in particular for torsion measurement on axes, according to the preamble of the main claim.
  • a sensor arrangement is already known from US Pat. No. 5,501,110 in which the torque transmitted to an axis is to be recorded.
  • the torque is determined from the torsion or the angle of rotation of the axle ends and a constant that depends on the material and the geometry of the axle.
  • the sensor arrangement for detecting small angle changes on moving mechanical components with the generic features of the main claim is further developed with the features according to the invention in an advantageous manner, since a sensor with high sensitivity is used here.
  • the magnetoresistive sensor is arranged opposite the one pole of the magnet in such a way that the magnetic field-sensitive layer is tangent to the rotation causing the change in angle. This advantageously takes advantage of the fact that a strong change in the direction of the field lines occurs in a small space (for example> 1 mm) above the pole of the magnet.
  • the magnetoresistive sensors according to the invention are linearly controlled due to their pronounced sensitivity to a (here tangential) directional component of the field lines and thus allow a measurement of very small angle changes when the magnet or the sensor rotates.
  • a preferred application of the invention results in a sensor arrangement for detecting the torque on an axis, which is known per se from the aforementioned US Pat. No. 5,501,110.
  • the magnet and the sensor are each mechanically coupled to different positions of the axis in the axial direction and lie opposite one another in such a way that torsion of the axis can be detected as a change in angle.
  • the measuring arrangement can advantageously be implemented by arranging two sensors in the magnetic field of the magnet and interconnecting them in such a way that their differential output can be set to zero without changing the angle.
  • the zero point is when the rotating axis is not loaded.
  • a relative rotation of the parts with the magnet and the sensors causes a difference in the electrical analog outputs of the two sensors, which can be output directly as torque by electronic signal processing.
  • AMR anisotropic magnetoresistive
  • GMR giant magnetoresistive
  • CMR colossal magnetoresistive
  • Figure 1 is a schematic view of a support member for a magnet, the support member being attachable to an axle end
  • FIG. 2 shows a view of a magnetoresistive sensor which is arranged in the region of the field lines of the magnet according to FIG. 1.
  • a carrier part 1 is shown, which is fastened with a shaft 2 on a rotating axis, not shown here.
  • the carrier part 1 rotates with the axis about the coordinate z.
  • the magnet 3 with the field lines 4 is shown in detail in FIG.
  • a magnetoresistive sensor 5 is arranged opposite the one pole of the magnet 3. For better clarity, a coherent representation of the arrangement of the carrier part 1 with a corresponding carrier part for the sensor 5 has been omitted.
  • the sensor 5 must be arranged so that it comes to lie in the area of the field lines 4.
  • the carrier part for the sensor 5 is fastened to another axis end as the carrier part 1, so that a relative rotation of the magnet 3 and the sensor 5 relative to one another, caused by a torsion of the axis, can be measured. Since the magnetoresistive sensor 5 has a particular sensitivity with regard to the x component of the field lines 4, a rotation of one of the two components 3 or 5 about the z axis has an effect with a strong change in the output signal of the sensor 5 even with small changes in angle.
  • the field line 4.1 has an x component of zero and thus the immediately adjacent field line 4.2 already experiences an easily measurable increase in the x component. In this way, in particular small changes in angle, which occur with the relatively low torsion, can be measured and a precise determination of the torque acting on the axis is possible.

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Erfassung kleiner Winkeländerungen an bewegten mechanischen Bauteilen vorgeschlagen, bei der ein Magnet (3) und mindestens ein dem Bauelement gegenüberliegender Sensor (5) vorhanden ist, der ein von der Richtung der Feldlinien (4) des Magneten (3) abhängiges elektrisches Ausgangssignal abgibt. Der Sensor (5) ist ein magnetoresistiver Sensor (5), der derart dem einen Pol des Magneten (3) gegenüberliegend angeordnet ist, dass die magnetfeldempfindliche Schicht tangential zu der die Winkeländerung verursachenden Drehung liegt.

Description

Sensoranordnung zur Erfassung von inkeländerunqen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von Winkeländerungen, insbesondere zur Torsionsmessung an Achsen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es ist bereits aus der US-PS 5,501,110 eine Sensoranordnung bekannt, bei der das auf eine Achse übertragene Drehmoment erfasst werden soll. Das Drehmoment wird aus der Torsion bzw. dem Verdrehwinkel der Achsenden und einer Konstante, die vom Material und der Geometrie der Achse abhängt, bestimmt. Es sind hierbei zwei Magnete und jeweils ein den Magneten gegenüberliegender Hall-Sensor auf zwei sich jeweils mit der Achse drehenden Scheiben angebracht, die an die Achsenden mechanisch fest angekoppelt sind. Beispielsweise zur Erfassung des auf eine Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges wirkenden Drehmomentes während der Drehung des Lenkrades müssen sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrichtungen des Lenkrades gemessen werden. Bei der Auswertung der Feldänderungen des von den Magneten ausgehenden Feldes ist daher eine äußerst empfindliche und auch temperaturstabile Messanordnung erforderlich.
Vorteile der Erfindung
Die Sensoranordnung zur Erfassung kleiner Winkeländerungen an bewegten mechanischen Bauteilen mit den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs ist mit den erfindungsgemäßen Merkmalen in vorteilhafter Weise weitergebildet, da hier ein Sensor mit hoher Empfindlichkeit verwendet wird.
Dadurch, dass das Magnetfeld des Magneten in Richtung auf den jeweils gegenüberliegenden Sensor verläuft und der Sensor ein magnetoresistiver Sensor ist, wird eine große Empfindlichkeit bei der Feldlinienerfassung möglich. Der magnetoresistive Sensor ist derart dem einen Pol des Magneten gegenüberliegend angeordnet, dass die magnetfeldempfindliche Schicht tangential zu der die Winkeländerung verursachenden Drehung liegt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass auf engem Raum (beispielsweise > 1mm) über dem Pol des Magneten ein starker Wechsel der Richtung der Feldlinien auftritt.
Die erfindungsgemäßen magnetoresistiven Sensoren werden aufgrund ihrer ausgeprägten Empfindlichkeit für eine (hier tangentiale) Richtungskomponente der Feldlinien linear ausgesteuert und erlauben hiermit eine Messung von sehr kleinen Winkeländerungen bei einer Drehung des Magneten oder des Sensors.
Ein bevorzugte Anwendung der Erfindung ergibt sich bei einer Sensoranordnung zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse, die für sich gesehen aus der eingangs genannten US-PS 5,501,110, bekannt ist. Hier wird der Magnet und der Sensor mechanisch jeweils an, in axialer Richtung, unterschiedlichen Stellen der Achse angekoppelt und liegen sich derart gegenüber, dass eine Torsion der Achse als Winkeländerung erfassbar ist .
In vorteilhafter Weise kann die Messanordnung dadurch realisiert werden, dass zwei Sensoren im Magnetfeld des Magneten angeordnet und derart zusammengeschaltet sind, dass deren Differenzausgang ohne eine Winkeländerung zu Null setzbar ist. Der Nullpunkt liegt vor, wenn die drehende Achse unbelastet ist. Eine relative Verdrehung der Teile mit dem Magneten und den Sensoren bewirkt eine Differenz der elektrischen Analogausgänge der zwei Sensoren, welche durch elektronische Signalverarbeitung direkt als Drehmoment ausgegeben werden kann.
Der Magnet kann auf einfache Weise zylinderförmig mit axialer Magnetisierung aufgebaut sein, wobei der magneto- resistive Sensor bevorzugt ein AMR-Sensor (AMR = anisotrop magnetoresistiv) , ein GMR-Sensor (GMR = giant a- gnetoresistiv) oder ein CMR-Sensor (CMR = colossal magnetoresistiv) ist.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines Trägerteils für einen Magneten, wobei das Trägerteil an einem Achsende befestigbar ist und
Figur 2 eine Ansicht eines magnetoresistiven Sensors, der im Bereich der Feldlinien des Magneten nach Figur 1 angeordnet ist .
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Trägerteil 1 gezeigt, welches mit einem Schaft 2 auf einer hier nicht dargestellten drehenden Achse befestigt wird. Das Trägerteil 1 dreht mit der Achse um die Koordinate z. Auf dem Umfang des Trägerteils 1 befindet sich ein zylinderförmiger Magnet 3, dessen Feldlinien 4 hier gemäß der Darstellung verlaufen. Durch eine Drehung der Achse ist der Magnet 3 mit den Feldlinien 4 in einem Winkel in der x-y-Ebene auslenkbar.
In Figur 2 ist der Magnet 3 mit den Feldlinien 4 im Detail gezeigt. Ein magnetoresistiver Sensor 5 ist dem einen Pol des Magneten 3 gegenüberliegend angeordnet. Zur besseren Übersichtlichkeit ist auf eine zusammenhängende Darstellung der Anordnung des Trägerteils 1 mit einem entsprechenden Trägerteil für den Sensor 5 verzichtet worden .
Aus der Figur 2 ist jedoch erkennbar, wie der Sensor 5 angeordnet werden muss, damit er im Bereich der Feldlinien 4 zu liegen kommt. Das Trägerteil für den Sensor 5 ist an einem anderen Achsende wie das Trägerteil 1 befestigt, so dass eine relative Verdrehung des Magneten 3 und des Sensors 5 zueinander, hervorgerufen durch eine Torsion der Achse, gemessen werden kann. Da der magnetoresistive Sensor 5 eine besondere Empfindlichkeit hinsichtlich der x-Komponente der Feldlinien 4 aufweist wirkt sich eine Verdrehung eines der beiden Bauteile 3 oder 5 um die z-Achse schon bei kleinen Winkeländerungen mit einer starken Veränderung des Ausgangs- signals des Sensors 5 aus.
Es ist aus der Figur 2 zu erkennen, dass beispielsweise die Feldlinie 4.1 eine x-Komponente von null aufweist und damit schon die unmittelbar benachbarte Feldlinie 4.2 eine gut messbare Steigerung der x-Komponente erfährt. Somit werden insbesondere kleine Winkeländerung, die bei der relativ geringen Torsion auftreten, messbar und es ist eine präzise Bestimmung des auf die Achse wirkenden Drehmomentes möglich.

Claims

Patentansprüche
1) Sensoranordnung zur Erfassung kleiner Winkeländerungen an bewegten mechanischen Bauteilen, mit
- einem Magneten (3) und mit mindestens einem dem Bauelement gegenüberliegendem Sensor (5) , der ein von der Richtung der Feldlinien (4) des Magneten (3) abhängiges elektrisches Ausgangssignal abgibt, wobei
- der mindestens eine Sensor (5) und der Magnet (3) jeweils an den relativ zueinander bewegten mechanischen Bauteilen (1) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Magnetfeld des Magneten (3) in Richtung auf den gegenüberliegenden Sensor (5) verläuft und dass
- der Sensor (5) ein magnetoresistiver Sensor (5) ist, der derart dem einen Pol des Magneten (3) gegenüberliegend angeordnet ist, dass die magnetfeldempfindliche Schicht tangential zu der die Winkeländerung verursachenden Drehung liegt. 2) Sensoranordnung nach Anspruch 1 zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse, wobei
- der Magnet (3) und der Sensor (5) mechanisch jeweils an, in axialer Richtung unterschiedlichen Stellen der Achse angekoppelt sind und sich derart gegenüberliegen, dass eine Torsion der Achse als Winkelanderung erfassbar ist .
3) Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass
- zwei Sensoren (5) im Magnetfeld des Magneten (3) angeordnet und derart zusammengeschaltet sind, dass deren Differenzausgang ohne eine Winkeländerung zu Null setzbar ist .
4) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Magnet (3) zylinderförmig mit axialer Magnetisierung aufgebaut ist .
5) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der magnetoresistive Sensor (5) ein AMR-Sensor ist.
6) Sensoranordnung nach einem der Ansprüche, 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor (5) ein GMR-Sensor ist.
7) Sensoranordnung nach einem der Ansprüche, 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass
der magnetoresistive Sensor (5) ein CMR-Sensor ist.
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