WO2012025588A1 - Winkelsensoranordnung zur radial beabstandeten winkelmessung an einer welle - Google Patents
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Definitions
- Angle sensor arrangement for radially spaced angle measurement on a shaft
- the invention relates to an angle sensor arrangement according to the preamble of claim 1 and to the use of the angle sensor arrangement in motor vehicles, in particular as a steering angle sensor.
- angle sensor arrays with magnetic rotary encoder are known in which a shaft comprises a diametrically magnetically tarraen rotary encoder and in which a magnetic field sensor element is arranged at the shaft end and detects the Mag ⁇ netfeld.
- an arrangement of the sensor element at the shaft end is not desirable or even technically possible, so that the magnetic field of a rotary encoder or the shaft itself arranged radially from the shaft to be detected.
- an angle ⁇ sensor arrangement is proposed with a diametrically magnetized encoder on the shaft, in which two or more sensor elements are arranged radially from the shaft and the ra ⁇ dial the wave inhomogeneous magnetic field. From the out ⁇ gang signals of these sensor elements of the angle of rotation is be true ⁇ .
- the invention has the object has risen to propose a Winkelsen ⁇ soran let that of the shaft, in particular with a ⁇ a Zigen sensor element, enables detection of the magnetic field radially.
- the rotary encoder is preferably magnetized substantially homogeneously, with a magnetization direction substantially perpendicular to the central axis of the shaft or with a dia ⁇ metralen magnetization. In this way, when the sensor element is arranged radially from the shaft and within the outermost radius of the rotary encoder, a substantially homogeneous magnetic field is detected by the sensor element.
- the angle sensor arrangement preferably comprises a single sensor element, which, however, may be designed as a bridge circuit with two half-bridges.
- the senor ⁇ element in the radial direction next to the rotary encoder is arranged or at least partially switched in these laterally diving.
- the rotation angle sensor preferably has two spaced through an air gap spaced annular segments on the inner ring segment spaced from de ⁇ NEN the outer ring segment through the air gap, radially relative to the shaft, surrounds.
- the sensor element in this annularly extending around the Wel ⁇ le around the air gap is at least partially disposed immerse ⁇ accordingly, in particular completely dipping.
- the air gap is formed as an annular groove in the rotary encoder whose boundary form the two ring segments. This groove is axially recessed into the rotary encoder with respect to the direction of the shaft.
- the two ring segments are formed separately and connected to each other with a magnetically non-conductive connecting element.
- the inner and outer Ringseg ⁇ ment of the rotary encoder are at least partially permanently magnetized and in particular at least partially formed from ei ⁇ nem hard magnetic material.
- the angle sensor arrangement is preferably designed, and in particular the rotary encoder, that it can detect or indicate a rotation angle of 0 ° to 360 °.
- the angular sensor arrangement advantageously comprises an electronic evaluation circuit which is connected to the sensor element and in which the angle of rotation of the shaft will be ⁇ calculated.
- the sensor element is preferably designed as a magnetic field sensor element, in particular as a magnetoresistive sensor element, particularly preferably as an AMR sensor element.
- the sensor element comprises suitably for measurement of a rotation angle of 360 °, two Hall elements or GMR element or an AMR or more elements that while each ⁇ wells in particular detect a rotational angle of 180 ° Kgs ⁇ NEN.
- the sensor element is preferably aligned with its sensitive plane substantially perpendicular to the central axis of the shaft and substantially parallel to the Magnetisie ⁇ tion direction of the rotary encoder.
- the rotary encoder is expediently arranged and mounted on the outer circumference of the shaft. In this way, a standard shaft can be used on which the rotary encoder is pulled on and fastened to it.
- the invention also relates to the use of the angle sensor arrangement in motor vehicles, in particular as a steering angle sensor, wherein the shaft corresponds to the steering shaft.
- FIG. 2 shows the side view of an angle sensor arrangement with an exemplary rotary encoder with a circumferential groove
- Fig. 3 is a side view of an exemplary angle sensor assembly with a rotary encoder whose inner and outer ring segment are interconnected by a magnetically non-conductive connecting element.
- Fig. 1 embodiment of the angle ⁇ sensor arrangement shows a shaft 7, for example a steering ⁇ wave, with a central axis 11.
- a magnetic rotary encoder 1 is fixed, which surrounds the shaft 7 and projects radially from the shaft 7 ,
- Rotary encoder 1 has an inner ring segment 5 and an outer Ringseg ⁇ ment 6, which by an air gap 2 from each other
- this air gap 2 as a groove, with respect to the orientation of the shaft 7, is inserted axially into the rotary encoder 1.
- the two ring segments 5, 6 are diametrically magnetized or have a homogeneous Magne ⁇ thnesraum 10 perpendicular to the central axis 11 of the shaft 7, whereby in the air gap 2, a homogeneous magnetic field 3, represented by the vertical hatching, pronounced.
- Sensor element 4 is in air gap 2 and in the groove between The sensor element 4 is thus also arranged radially with respect to the shaft 7, within the outermost radius 12 of the rotary encoder 1.
- the illustrated rectangle, which the Sensor element 4 symbolizes corresponds to the orientation in space of the sensitive plane of the sensor element 4, which is aligned perpendicular to the central axis 11 of the shaft 7.
- Fig. 2 a shows an embodiment with a Drehwin ⁇ encoder 1 from the side view.
- rotary encoder 1 is radially the shaft 7 encompassing on the outer circumference is ⁇ assigns.
- Rotary encoder 1 has a groove 8, which serves as an air gap between the limiting ring segments 5 and 6 and is immersed in which sensor element 4.
- sensor element 4 detects the homogeneous magnetic field, not shown, which forms between the magnetized ring segments 5 and 6 in the air gap of the groove 8 and whose magnetization direction is perpendicular to the central axis 11 of the shaft 7 pronounced.
- 2 b) 2 a) is the exporting ⁇ approximately example of FIGS.
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Abstract
Winkelsensoranordnung zurradialbeabstandeten Winkelmessung an einer Welle Winkelsensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle (7), umfassend einen magnetischen Drehwinkelgeber (1), welcher an der Welle direkt oder indirekt befestigt ist und sich mit dieser dreht und wenigstens ein Sensorelement (4), welches das durch den Drehwinkelgeber (1) erzeugte Magnet- feld erfasst, wobei der magnetische Drehwinkelgeber (1) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, die Welle (7) um- greift und radial von der Welle (7) abragend ausgebildet und angeordnet ist, wobei das Sensorelement (4) radial bezüglich der Welle (7) und innerhalb des äußersten Radius (12) des Drehwinkelgebers (1) angeordnet ist. (Fig. 1)
Description
Winkelsensoranordnung zur radial beabstandeten Winkelmessung an einer Welle
Die Erfindung betrifft eine Winkelsensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Winkelsensoranordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Lenkwinkelsensor .
Es sind Winkelsensoranordnungen mit magnetischen Drehwinkelgebern bekannt, bei denen eine Welle einen diametral magne- tisierten Drehwinkelgeber umfasst und bei denen ein Magnetfeldsensorelement am Wellenende angeordnet ist und das Mag¬ netfeld erfasst.
Häufig ist eine Anordnung des Sensorelements am Wellenende nicht erwünscht oder sogar technisch nicht möglich, so dass das Magnetfeld eines Drehwinkelgebers oder der Welle selbst radial von der Welle angeordnet, erfasst werden soll.
In der Druckschrift DE 10 2006 051 720 AI wird eine Winkel¬ sensoranordnung mit einem diametral magnetisierten Encoder an der Welle vorgeschlagen, bei welcher zwei oder mehr Sensorelemente radial von der Welle angeordnet sind und das ra¬ dial der Welle inhomogene Magnetfeld erfassen. Aus den Aus¬ gangssignalen dieser Sensorelemente wird der Drehwinkel be¬ stimmt .
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt eine Winkelsen¬ soranordnung vorzuschlagen, die eine Erfassung des Magnetfelds radial von der Welle, insbesondere auch mit einem ein¬ zigen Sensorelement, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Winkel¬ sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
Der Drehwinkelgeber ist vorzugsweise im Wesentlichen homogen magnetisiert , mit einer Magnetisierungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse der Welle bzw. mit einer dia¬ metralen Magnetisierung. Hierdurch wird bei einer Anordnung des Sensorelements radial von der Welle und innerhalb des äußersten Radius des Drehwinkelgebers ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld von dem Sensorelement erfasst.
Die Winkelsensoranordnung umfasst bevorzugt ein einziges Sensorelement, welche allerdings als Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken ausgebildet sein kann.
Unter der Formulierung innerhalb des äußersten Radius des Drehwinkelgebers wird bevorzugt verstanden, dass das Sensor¬ element in radialer Richtung neben dem Drehwinkelgeber angeordnet ist oder in diesen seitlich zumindest teilweise ein-
tauchend .
Der Drehwinkelgeber weist vorzugsweise zwei voneinander durch einen Luftspalt beabstandete Ringsegmente auf, von de¬ nen das äußere Ringsegment das innere Ringsegment durch den Luftspalt beabstandet, radial bezüglich der Welle, umgreift. Dabei ist das Sensorelement in diesen ringförmig um die Wel¬ le herum verlaufenden Luftspalt zumindest teilweise eintau¬ chend angeordnet, insbesondere vollständig eintauchend.
Hierdurch wird eine Störung der Drehwinkelerfassung durch externe Magnetfelder verhindert oder zumindest stark verringert und der Einfluss auf die Feldgeometrie durch die Welle, welche oft magnetisch leitfähig ist, verhindert oder zumindest vermindert.
Es ist zweckmäßig, dass der Luftspalt als ringförmige Nut in dem Drehwinkelgeber ausgebildet ist, deren Begrenzung die beiden Ringsegmente bilden. Diese Nut ist bezüglich der Aus¬ richtung der Welle axial in den Drehwinkelgeber eingelassen.
Alternativ vorzugsweise sind die beiden Ringsegmente separat ausgebildet und mit einem magnetisch nicht leitenden Verbindungselement miteinander verbunden.
Es ist zweckmäßig, dass das innere und das äußere Ringseg¬ ment des Drehwinkelgebers zumindest teilweise permanent mag- netisiert sind und insbesondere zumindest teilweise aus ei¬ nem hartmagnetischen Material ausgebildet sind.
Der Winkelsensoranordnung ist bevorzugt so ausgebildet und dabei insbesondere der Drehwinkelgeber, dass sie einen Drehwinkel von 0° bis 360° erfassen bzw. anzeigen kann.
Die Winkelsensoranordnung umfasst zweckmäßigerweise eine elektronische Auswerteschaltung, die mit dem Sensorelement verbunden ist und in welcher der Drehwinkel der Welle be¬ rechnet wird.
Das Sensorelement ist bevorzugt als Magnetfeldsensorelement, insbesondere als magnetoresistives Sensorelement, besonders bevorzugt als AMR-Sensorelement ausgebildet.
Das Sensorelement umfasst zweckmäßigerweise für eine Messung eines Drehwinkels von 360° zwei Hallelemente oder ein GMR- Element oder ein oder mehrere AMR-Elemente, die dabei je¬ weils insbesondere einen Drehwinkel von 180° erfassen kön¬ nen .
Das Sensorelement ist vorzugsweise mit seiner sensitiven Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse der Welle ausgerichtet und im Wesentlichen parallel zur Magnetisie¬ rungsrichtung des Drehwinkelgebers.
Der Drehwinkelgeber ist zweckmäßigerweise am Außenumfang der Welle angeordnet und montiert. Hierdurch kann eine Standard¬ welle verwendet werden, auf welche der Drehwinkelgeber auf¬ gezogen und an dieser befestig wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung der Winkelsensoranordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Lenkwinkelsensor, wobei die Welle der Lenkwelle entspricht.
Weitere bevorzugte Aus führungs formen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen von
Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
Es zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Winkelsensoranordnung in der Draufsicht,
Fig. 2 die Seitenansicht einer Winkelsensoranordnung mit einem beispielhaften Drehwinkelgeber mit einer umlaufenden Nut, und
Fig. 3 die Seitenansicht einer beispielhaften Winkelsensoranordnung mit einem Drehwinkelgeber, dessen inneres und äußeres Ringsegment durch ein magnetisch nicht leitendes Verbindungselement miteinander verbunden sind.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Winkel¬ sensoranordnung zeigt eine Welle 7, beispielgemäß eine Lenk¬ welle, mit einer Mittelachse 11. An dieser Welle 7 ist ein magnetischer Drehwinkelgeber 1 befestigt, der die Welle 7 umgreift und radial von der Welle 7 abragt. Drehwinkelgeber 1 weist ein inneres Ringsegment 5 und ein äußeres Ringseg¬ ment 6 auf, welche durch ein Luftspalt 2 voneinander
beabstandet sind. Beispielgemäß ist dieser Luftspalt 2 als Nut, bezüglich der Ausrichtung der Welle 7, axial in den Drehwinkelgeber 1 eingelassen. Die beiden Ringsegmente 5, 6 sind diametral magnetisiert bzw. weisen eine homogene Magne¬ tisierungsrichtung 10 senkrecht zur Mittelachse 11 der Welle 7 auf, wodurch sich im Luftspalt 2 ein homogenes Magnetfeld 3, durch die senkrechte Schraffur dargestellt, ausprägt. Sensorelement 4 ist in Luftspalt 2 bzw. in die Nut zwischen
den Ringsegmenten 5 und 6 vollständig eingetaucht und er- fasst das homogene Magnetfeld 3 und damit den Drehwinkel der Welle 7. Sensorelement 4 ist damit auch radial bezüglich der Welle 7 angeordnet, innerhalb der äußersten Radius 12 des Drehwinkelgebers 1. Das dargestellte Rechteck, welches das Sensorelement 4 symbolisiert, entspricht von der Ausrichtung im Raum der sensitiven Ebene des Sensorelements 4, welche senkrecht zur Mittelachse 11 der Welle 7 ausgerichtet ist.
Fig. 2 a) zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Drehwin¬ kelgeber 1 von der Seitenansicht. Dabei ist Drehwinkelgeber 1 radial die Welle 7 umgreifend an deren Außenumfang ange¬ ordnet. Drehwinkelgeber 1 weist eine Nut 8 auf, die als Luftspalt zwischen den begrenzenden Ringsegmenten 5 und 6 dient und in welche Sensorelement 4 eintauchend angeordnet ist. Dabei erfasst Sensorelement 4 das nicht dargestellte homogene Magnetfeld, das sich zwischen den magnetisierten Ringsegmenten 5 und 6 im Luftspalt der Nut 8 ausbildet und dessen Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Mittelachse 11 der Welle 7 ausgeprägt ist. In Fig. 2 b) ist das Ausfüh¬ rungsbeispiel von Fig. 2 a) derart modifiziert dargestellt, dass die Ringsegmente 5 und 6 nicht als Begrenzungen einer Nut ausgebildet sind, also nicht einstückig miteinander ver¬ bunden sind, sondern nun mittels eines magnetisch nichtlei¬ tenden Verbindungselements 9 verbunden sind, das den Luft¬ spalt 2 zwischen den Ringsegmenten 5, 6 des Drehwinkelgebers 1 definiert, in welchem Sensorelement 4 vollständig eintau¬ chend angeordnet ist.
Claims
1. Winkelsensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle (7), umfassend einen magnetischen Drehwinkel¬ geber (1), welcher an der Welle direkt oder indirekt be¬ festigt ist und sich mit dieser dreht und wenigstens ein Sensorelement (4), welches das durch den Drehwinkelgeber (1) erzeugte Magnetfeld erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
der magnetische Drehwinkelgeber (1) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, die Welle (7) umgreift und radial von der Welle (7) abragend ausgebildet und ange¬ ordnet ist, wobei das Sensorelement (4) radial bezüglich der Welle (7) und innerhalb des äußersten Radius (12) des Drehwinkelgebers (1) angeordnet ist.
2. Winkelsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelgeber (1) im Wesentlichen homogen (3, 10) magnetisiert ist, mit einer Magnetisie¬ rungsrichtung (10) im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse (11) der Welle (7) .
3. Winkelsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelgeber (1) zwei vonei¬ nander durch einen Luftspalt (2) beabstandete Ringseg¬ mente (5, 6) aufweist, von denen das äußere Ringsegment
(6) das innere Ringsegment (5) durch den Luftspalt (2) beabstandet, radial bezüglich der Welle (7), umgreift, wobei das Sensorelement (4) in diesen ringförmig um die Welle (7) herum verlaufenden Luftspalt (2) zumindest teilweise eintauchend angeordnet ist.
4. Winkelsensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (2) als ringförmige Nut (8 in dem Drehwinkelgeber (1) ausgebildet ist, deren Begrenzungen die beiden Ringsegmente (5, 6) bilden.
5. Winkelsensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringsegmente (5, 6) separat ausgebildet sind und mit einem magnetisch nicht leiten¬ den Verbindungselement (9) miteinander verbunden sind.
6. Winkelsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorele ment (4) ein magnetoresistives Sensorelement ist, insbe sondere ein AMR-Sensorelement .
7. Winkelsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorele ment (4) mit seiner sensitiven Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse (11) der Welle (7) ausgerich¬ tet ist und im Wesentlichen parallel zur Magnetisie¬ rungsrichtung (10) des Drehwinkelgebers (1) .
8. Verwendung der Winkelsensoranordnung nach mindestens ei nem der Ansprüche 1 bis 7 in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Lenkwinkelsensor, wobei die Welle der Lenkwell entspricht .
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- 2011-08-25 WO PCT/EP2011/064626 patent/WO2012025588A1/de active Application Filing
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