WO2014060151A1 - Berührungslose drehwinkelmessung mit einem ferritmagnet - Google Patents

Berührungslose drehwinkelmessung mit einem ferritmagnet Download PDF

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WO2014060151A1
WO2014060151A1 PCT/EP2013/068778 EP2013068778W WO2014060151A1 WO 2014060151 A1 WO2014060151 A1 WO 2014060151A1 EP 2013068778 W EP2013068778 W EP 2013068778W WO 2014060151 A1 WO2014060151 A1 WO 2014060151A1
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WO
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component
magnet
measuring device
sensitive element
recess
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Application number
PCT/EP2013/068778
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English (en)
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Inventor
Norbert Lang
Johannes Maess
Thomas Klotzbuecher
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the magnetic field strength of the permanent magnet must be sufficiently high in order to allow an optimal rotational angular resolution of the sensor. Furthermore, a high magnetic field strength can have a positive effect on the insensitivity of the sensor
  • the magnetic field of the permanent magnet must be sufficiently homogeneous to tolerances of new components or tolerances arising during operation
  • magnets with large expansions can be used.
  • these require a large amount of space, which may be limited in particular in motor vehicles.
  • rare earth magnets such as neodymium magnets with high remanence induction can be used.
  • rare earth magnets can be associated with high costs. Disclosure of the invention There may therefore be a need for an improved measuring device, a corresponding actuating system and a method for producing a measuring device, which in particular make it possible to provide, in a limited space, a measuring accuracy which is consistently high, for example over the service life, during the determination of a rotational angle.
  • the measuring device has a first component with a magnet. Furthermore, the measuring device has a second component with a magnetically sensitive element. The first component and the second component are mutually rotatably mounted about a common axis of rotation. In this case, the magnet-sensitive element is designed to determine a rotational angle of the first component with respect to the second component as a function of a magnetic field of the magnet.
  • the magnet is a ferrite magnet.
  • the idea of the present invention is based on the magnetic field required for contactless rotation angle determination with the aid of a magnetic field
  • the ferrite magnet has smaller dimensions than commonly used magnets in rotational angle sensors and thereby ensures a sufficiently homogeneous magnetic field in the region of the magnetically sensitive element. This can be ensured by a special geometric design of the magnet. In this way, while maintaining the required homogeneous magnetic field manufacturing costs of the measuring device can be saved.
  • the measuring device can be used for example in motor vehicles, in particular in hybrid or electric vehicles.
  • the measuring device can be used in all systems of the vehicle sector in which angles of rotation are measured.
  • the measuring device to throttle valve, on Accelerator encoders, to body spring sensors or to angle sensors of windscreen wiper drives are used.
  • the first component may be a rotating component such as a rotor. At least one magnet is arranged on the first component. The magnet is rotatably connected to the first component.
  • the magnet is as
  • the magnet may be partially encapsulated in plastic, for example.
  • the second component may be, for example, a stationary component such as a stator.
  • the magnetosensitive element is non-rotatable with the second
  • the magnetically sensitive element may be, for example, a Hall sensor or a magnetoresistive sensor.
  • a Hall sensor or a magnetoresistive sensor.
  • the magnetically sensitive element is designed, for example, as a Hall element, then it can have current-carrying semiconductor chips which are separated from the magnetic field of the
  • magnets are penetrated vertically.
  • a voltage proportional to the magnetic field strength can be tapped transversely to the current direction on the semiconductor chip.
  • the magnetosensitive element may comprise silicon, for example.
  • a control unit or signal processing electronics can be integrated on the magnetosensitive element.
  • the magnet may for example be designed as a circular disc magnet.
  • ferrite As the material of the magnet while ferrite is used.
  • barium ferrite (BaFe 12 Oi 9 ) or strontium ferrite (SrFei 2 0i 9 ) can be used as the magnetic material.
  • This material is much cheaper than, for example rare earth magnets and can ensure the same homogeneity of the magnetic field as rare earth magnets of the same size thanks to a corresponding geometric design.
  • a recess is provided on the magnet.
  • the recess is provided on a magnet-sensitive element facing side or surface of the magnet.
  • the recess is designed as a symmetrical recess.
  • the magnet in a plane parallel to the magnetosensitive element, also referred to as the XY plane, has a circular depression.
  • the recess may be executed, for example, blind hole.
  • the recess ensures a homogeneous magnetic field in the XY direction. That is, in the region of the recess, the magnetic field lines between the magnet and the magnetically sensitive element extend as parallel as possible and at the same distance from one another. Furthermore, the magnetic field lines run as parallel as possible to the surface of the magnetically sensitive element.
  • the magnetic field lines can run perpendicular to the surface of the magnetically sensitive element.
  • the magnetosensitive element is designed accordingly.
  • the recess may have a depth between 0.2 mm and 1, 2 mm, in particular between 0.3 mm and 0.6 mm. The depth can be measured in a Z-direction parallel to a longitudinal axis of the magnet.
  • a diameter of the recess may be in an XY plane perpendicular to the
  • the diameter may be between 20% and 60% of an outside diameter of the magnet in the XY plane.
  • a diameter of the magnet in a plane parallel to the surface of the magnetosensitive element may be e.g. 14 mm.
  • the diameter of the recess can be, for example, between 2.8 mm and 8.4 mm.
  • the magnetosensitive element may, for example, have a rectangular shape and be 5 mm ⁇ 5 mm in the XY plane.
  • Magnetic sensitive element in the Z direction can be 2.8 mm.
  • the depth of the recess that is to say the dimension in a dimension perpendicular to the surface of the magnet-sensitive element, which is also referred to as Z-direction, is as homogeneous as possible. That is, substantially the depth of the recess over the entire surface of the recess can be 0.3 mm. Alternatively, the depth of the recess may be substantially over the entire surface of the
  • the recess may correspond to a rotation body of a parabola.
  • the recess is made in two stages. That is, the recess may have a first region with a first depth and a second region with a second depth in the Z direction. The second region may be arranged concentrically around the first region. Furthermore, the first depth may be greater in magnitude than the second depth.
  • the recess may have a first region with a first depth and a second region with a second depth in the Z direction.
  • the second region may be arranged concentrically around the first region.
  • the first depth may be greater in magnitude than the second depth.
  • the recess may correspond to a rotation body of a parabola.
  • the recess is made in two stages. That is, the recess may have a first region with a first depth and a second region with a second depth in the Z direction. The second region may be arranged concentrically around the first region. Furthermore, the first depth may be greater in magnitude than the second depth.
  • Recess be executed in several stages.
  • a stepped configuration of the recess can be made easier to produce than, for example, a production technology
  • a diameter of the recess in the magnet is greater than a diameter of the magnet-sensitive
  • the diameter of the recess corresponds to a dimension of the recess in the XY plane, that is parallel to the surface of the
  • the magnet may have a
  • a diameter of the recess can be approximately 5 mm.
  • the magnetically sensitive element can thereby
  • Surface of the magnetically sensitive element can be a particularly homogeneous
  • Magnetic field can be generated in the region of the magnetically sensitive element.
  • an air gap between the magnetosensitive element and the magnet is provided.
  • the air gap can have a width between 1.5 mm and 4 mm. That is, the magnetism-sensitive element is not disposed in the recess, but is spaced from the recess in a Z-direction.
  • the magnet is rotatably connected to the first component and the magnetically sensitive element rotatably with connected to the second component.
  • the first component may be designed as a rotor and the second component as a stator.
  • the first component may be designed as a stator and the second component as a rotor.
  • a control system for motor vehicles has a control unit and a measuring device described above.
  • the measuring device is designed to transmit or transmit a determined angle of rotation value to the control unit.
  • the control unit is designed to readjust the rotation angle based on the determined rotation angle value.
  • the control unit can be integrated, for example, in a chip on which the magnet-sensitive element is arranged.
  • the adjusting system is as
  • Throttle controller as accelerator pedal in a pedal module, as
  • Body spring or executed as an angle sensor of a windscreen wiper.
  • a method for manufacturing a measuring device described above comprises the following steps: providing a first device; non-rotatably connecting a magnet to the first component; Providing a second component; non-rotatably connecting a magnetically sensitive element to the second component; rotatably supporting the first component and the second component about a common axis of rotation such that the first component and the second component are mutually rotatable.
  • the magnet-sensitive element is executed, depending on a
  • the magnet Magnetic field of the magnet to determine a rotation angle of the first component with respect to the second component.
  • the magnet is designed as a ferrite magnet.
  • the individual steps of the method can be performed in a variable order.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a measuring device according to a
  • FIG. 2 shows a cross section of the measuring device shown in FIG. 1
  • Fig. 3 shows a perspective view of a magnet for a measuring device according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 5A and 5B show different courses of the magnetic field lines for different configurations of the magnet
  • a measuring device 1 is shown in perspective.
  • the measuring device 1 in this case has a first component 3 and a second component 5.
  • the first component 3 has a first component 3 and a second component 5.
  • Component 3 for example, a rotor and the second component 5 may be a stator.
  • first component 3 and the second component 5 parts of a control system 27, in particular a throttle valve, a
  • the measuring device 1 can be used for example on an electric throttle valve (DV-E), on an accelerator pedal module (APM) or in the General Purpose Actuator (GPA).
  • DVD-E electric throttle valve
  • API accelerator pedal module
  • GPS General Purpose Actuator
  • a magnet 7 is non-rotatably arranged on the first component 3.
  • Component 5 is a magnet-sensitive element 9, in particular provided a Hall sensor and rotatably connected to the second component 5.
  • the magnetosensitive element 9 may be disposed on a circuit board 33, for example.
  • the first component 3 can be rotated relative to the second component 5 about a rotation axis 1 1 by a rotation angle ⁇ .
  • the magnet sensitive Element 9 is penetrated by field lines of the magnetic field of the magnet 7.
  • the magnetically sensitive element 9 is designed to determine a rotational angle value of the first component 3 relative to the second component 5 as a function of a direction and intensity of the magnetic field.
  • Control unit 29 transmit.
  • the control unit 29 can be arranged together with the magnetically sensitive element 9 on the circuit board 33. This is shown for example in the illustration of FIG. 2.
  • the control unit 29 au outside the measuring device 1, as shown in Fig. 1, may be arranged.
  • the control unit 29 may be functionally connected to the first component 3 and readjust a rotation angle ⁇ based on the determined rotation angle value.
  • FIG. 2 shows a cross section through the measuring device 1 shown in FIG. As shown in Fig. 2, the magnet 7 by means of a magnet holder 31 at the first
  • the magnet holder 31 can, for example, to the
  • Magnet be molded plastic.
  • FIG. 2 The orientation of the cross-sectional representation in FIG. 2 is rotated relative to the illustration in FIG.
  • a coordinate system is shown.
  • An X-axis is denoted by 35, a Y-axis by 37 and a Z-axis by 39.
  • the Z-axis 39 runs parallel to the
  • Rotary axis 1 A plane perpendicular thereto is spanned by the X-axis 35 and the Y-axis 37.
  • the surface of the magnetically sensitive element 9 lies, for example, in the plane spanned by the X-axis 35 and the Y-axis 37.
  • the magnet 7 is designed as a ferrite magnet.
  • the function of the ferrite magnet 7 is the generation of a magnetic field in the measuring range of
  • Magnetic Sensitive Element 9 The minimum and maximum allowable field strength across the air gap variation between the magnet 7 and the magnetosensitive element 9 is given by the specification of the magnetosensitive element 9. This permissible field strength is achieved by a diameter and a thickness of the magnet 7.
  • An inhomogeneity of the magnetic field 13 in the measuring range of the magnetically sensitive element 9 can cause an angle error.
  • the maximum permissible angle error is given by the respective application.
  • the inhomogeneity of the magnetic field 13 is achieved by providing a recess 15 on the magnetosensitive element 9 facing side of the magnet 7 is reduced.
  • the recess 15 is as
  • the depth of the recess 15 is adjusted so that the angle error in the region of the magnetically sensitive element 9 is minimized.
  • the recess 15 may have a small depth of 0.3 mm or 0.6 mm in comparison to the air gap 25.
  • a diameter 21 of the recess 15 is larger than a
  • Fig. 3 is a perspective view of the recess 15
  • the recess 15 has a first region 17 and a second region 19.
  • the first region 17 is inserted deeper into the magnet 7 than the second region 19.
  • the second region 19 concentrically surrounds the first region 17. That is to say, the first region 17 concentrically surrounds the first region 17
  • Overall diameter or the diameter of the second region 19 corresponds to the diameter 21 of the recess 15.
  • the diameter 22 of the first region 17 is smaller than the total diameter 21 of the recess 15. Due to the two-stage configuration of the recess 15, the homogeneity of the magnetic field in the air gap
  • FIG. 4 shows an angle error in degrees of the measuring device 1 as a function of the width of the air gap 25 in millimeters between the magnet 7 and the magnetically sensitive element 9.
  • the width of the air gap in millimeters is plotted on the X axis.
  • An angle in degrees is plotted on the Y axis.
  • a dashed line at slightly below 1 0 indicates a maximum allowable angle error.
  • a crossed line in the range between -0.5 ° and -1 0 indicates a minimum allowable angle error.
  • the curve represented by triangles shows the angle error as a function of the width of the air gap 25 at a depth of the recess 15 of 0.3 mm. It is off
  • the measuring curve shown with circles shows an angular error of the measuring device 1 as a function of a width of the air gap 25 at a depth of the recess 15 of 0.6 mm. It can be seen from Fig. 4 that at a depth of the recess 15 of 0.6 mm, the angular error is minimized at about a width of the air gap 25 of 3 mm.
  • FIGS. 5A and 5B show different courses of the magnetic field 13 and of the magnetic field lines in the air gap 25 in different configurations of the magnetic field
  • FIG. 5A shows a commercially available magnet 7 'without a recess 15. In the upper area of FIG. 5A
  • FIG. 5B shows the field line course of the magnetic field 13 of a magnet 7 with a recess 15.
  • the field lines of the magnetic field 13 in the air gap 25 or on the magnetically sensitive element 9 extend as parallel as possible to the surface of the magnetically sensitive element 9.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

Es wird eine Messvorrichtung (1) zur berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels (α) vorgestellt. Die Messvorrichtung (1) weist ein erstes Bauelement (3) mit einem Magneten (7) auf. Ferner weist die Messvorrichtung (1) ein zweites Bauelement (5) mit einem magnetempfindlichen Element (9) auf. Das erste Bauelement (3) und das zweite Bauelement (5) sind um eine gemeinsame Drehachse (11) gegeneinander drehbar gelagert. Das magnetempfindliche Element (9) ist dabei ausgeführt, in Abhängigkeit eines Magnetfeldes (13) des Magneten (7) einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements (3) in Bezug auf das zweite Bauelement (5) zu ermitteln. Der Magnet (7) ist dabei als Ferritmagnet ausgeführt.

Description

Beschreibung Titel
Berührunqslose Drehwinkelmessunq mit einem Ferritmaqnet Stand der Technik Drehwinkelmessungen müssen in vielen Bereichen der Technik durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von Magnetfeldsensoren geschehen, die eine Lage eines Dauermagneten erfassen. Der Permanentmagnet kann dabei am rotierenden Element drehfest befestigt sein und eine berührungslose Drehwinkeldetektion
ermöglichen. Beispielsweise sind berührungslose Drehwinkelsensoren aus
DE 10 2007 016 133 A1 bekannt.
Die Magnetfeldstärke des Permanentmagneten muss dabei ausreichend hoch sein, um eine optimale Drehwinkelauflösung des Sensors zu ermöglichen. Ferner kann sich eine hohe Magnetfeldstärke positiv auf die Unempfindlichkeit des Sensors gegenüber
Fremdfeldern und gegenüber einer Alterung auswirken.
Des Weiteren muss das Magnetfeld des Permanentmagneten ausreichend homogen sein, um Toleranzen von neuen Bauteilen oder im Betrieb entstehende Toleranzen
auszugleichen. Dabei können beispielsweise Drehachsenverlagerungen wegen
Verschleiß oder wegen mechanischem Spiel zur Entstehung von Toleranzen im Betrieb führen.
Um eine ausreichende Magnetfeldstärke und Homogenität des Permanentmagneten zu gewährleisten, können Magneten mit großen Ausdehnungen eingesetzt werden. Diese benötigen jedoch einen großen Bauraum, der insbesondere in Kraftfahrzeugen begrenzt sein kann. Bei Anwendungen mit limitiertem Bauraum können Seltenerdenmagnete wie zum Beispiel Neodymmagnete mit einer hohen Remanenzinduktion eingesetzt werden. Allerdings können Seltenerdenmagnete mit hohen Kosten verbunden sein. Offenbarung der Erfindung Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten Messvorrichtung, einem entsprechenden Stellsystem und einem Verfahren zur Herstellung einer Messvorrichtung bestehen, die es insbesondere ermöglichen, auf begrenztem Bauraum kostengünstig eine zum Beispiel über die Lebensdauer gleichbleibend hohe Messgenauigkeit bei der Ermittlung eines Drehwinkels bereitzustellen.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Messvorrichtung zur
berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels vorgestellt. Die Messvorrichtung weist ein erstes Bauelement mit einem Magneten auf. Ferner weist die Messvorrichtung ein zweites Bauelement mit einem magnetempfindlichen Element auf. Das erste Bauelement und das zweite Bauelement sind gegeneinander drehbar um eine gemeinsame Drehachse gelagert. Dabei ist das magnetempfindliche Element ausgeführt, in Abhängigkeit eines Magnetfeldes des Magneten einen Drehwinkel des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement zu ermitteln. Der Magnet ist dabei ein Ferritmagnet.
Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, das zur berührungslosen Drehwinkelermittlung notwendige Magnetfeld mit Hilfe eines
kostengünstigen Ferritmagneten zu erzeugen. Der Ferritmagnet hat dabei geringere Abmessungen als üblicherweise verwendete Magneten in Drehwinkelsensoren und gewährleistet dabei ein ausreichend homogenes Magnetfeld im Bereich des magnetisch empfindlichen Elements. Dies kann durch eine besondere geometrische Ausgestaltung des Magneten gewährleistet werden. Auf diese Weise können unter Beibehaltung des erforderlichen homogenen Magnetfelds Herstellungskosten der Messvorrichtung eingespart werden.
Die Messvorrichtung kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Hybridoder Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Dabei kann die Messvorrichtung in allen Systemen des Fahrzeugbereichs eingesetzt werden, bei denen Drehwinkel gemessen werden. Beispielsweise kann die Messvorrichtung an Drosselklappengebern, an Gaspedalwertgebern, an Karosserieeinfederungsgebern oder an Winkelaufnehmern von Scheibenwischerantrieben verwendet werden.
Das erste Bauelement kann ein rotierendes Bauelement wie zum Beispiel ein Rotor sein. Am ersten Bauelement ist mindestens ein Magnet angeordnet. Der Magnet ist dabei drehfest mit dem ersten Bauelement verbunden. Dabei ist der Magnet als
Permanentmagnet ausgeführt. Ferner kann der Magnet beispielsweise teilweise kunststoffumspritzt sein. Das zweite Bauelement kann zum Beispiel ein ortsfestes Bauelement wie zum Beispiel ein Stator sein. Das magnetempfindliche Element ist drehfest mit dem zweiten
Bauelement verbunden. Dabei kann das magnetempfindliche Element zum Beispiel ein Hallsensor oder ein magnetresistiver Sensor sein. Beispielsweise kann das
magnetempfindliche Element in Abhängigkeit des Magnetfelds des Magneten
insbesondere in Abhängigkeit von der Richtung und Intensität des Magnetfelds ein Signal ausgeben, welches repräsentativ für einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement ist.
Ist das magnetempfindliche Element beispielsweise als Hallelement ausgeführt, so kann es stromdurchflossene Halbleiterplättchen aufweisen, die von dem Magnetfeld des
Magneten beispielsweise senkrecht durchsetzt werden. Eine zur Magnetfeldstärke proportionale Spannung kann quer zur Stromrichtung an dem Halbleiterplättchen abgegriffen werden. Das magnetempfindliche Element kann beispielsweise Silizium aufweisen. Dabei kann am magnetempfindlichen Element eine Regeleinheit bzw. eine Signalverarbeitungselektronik integriert sein.
Der Magnet kann beispielsweise als kreisförmiger Scheibenmagnet ausgeführt sein. Als Material des Magneten wird dabei Ferrit verwendet. Insbesondere kann Bariumferrit (BaFe120i9) oder Strontiumferrit (SrFei20i9) als Magnetmaterial verwendet werden.
Dieses Material ist wesentlich kostengünstiger als zum Beispiel Seltenerdenmagnete und kann dank einer entsprechenden geometrischen Ausgestaltung die gleiche Homogenität des Magnetfelds wie Seltenerdenmagnete gleicher Abmessung gewährleisten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist am Magneten eine Ausnehmung vorgesehen. Die Ausnehmung ist an einer dem magnetempfindlichen Element zugewandten Seite bzw. Oberfläche des Magneten vorgesehen. Die Ausnehmung ist dabei als eine symmetrische Vertiefung ausgeführt. Insbesondere kann der Magnet in einer zum magnetempfindlichen Element parallelen Ebene, die auch als XY-Ebene bezeichnet wird, eine kreisförmige Vertiefung aufweisen.
Die Ausnehmung kann zum Beispiel sacklochartig ausgeführt sein. Dabei gewährleistet die Ausnehmung ein homogenes Magnetfeld in der XY-Richtung. Das heißt, im Bereich der Ausnehmung verlaufen die magnetischen Feldlinien zwischen dem Magneten und dem magnetempfindlichen Element möglichst parallel und im gleichen Abstand zueinander. Ferner verlaufen die magnetischen Feldlinien dabei möglichst parallel zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel können die magnetischen Feldlinien senkrecht zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements verlaufen. Das magnetempfindliche Element ist dabei entsprechend ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Tiefe der
Ausnehmung zwischen 5% und 30% einer Gesamthöhe des Magneten. Beispielsweise kann die Gesamthöhe des Magneten dabei z.B. 4 mm betragen. In diesem Fall kann die Ausnehmung eine Tiefe zwischen 0,2 mm und 1 ,2 mm, insbesondere zwischen 0,3 mm und 0,6 mm aufweisen. Die Tiefe kann dabei in einer Z-Richtung parallel zu einer Längsachse des Magneten gemessen werden.
Ein Durchmesser der Ausnehmung kann in einer XY-Ebene, die senkrecht zur
Z-Richtung verläuft, gemessen werden. Der Durchmesser kann dabei Zwischen 20% und 60% eines Außendurchmessers des Magneten in der XY-Ebene betragen. Ist der Magnet als kreisförmiger Scheibenmagnet ausgeführt, so kann ein Durchmesser des Magneten in einer Ebene parallel zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements z.B. 14 mm betragen. Der Durchmesser der Vertiefung kann dabei beispielsweise zwischen 2,8 mm und 8,4 mm betragen. Das magnetempfindliche Element kann beispielsweise rechteckig ausgeführt sein und in der XY-Ebene 5 mm x 5 mm betragen. Die Dicke des
magnetempfindlichen Elements in der Z-Richtung kann dabei 2,8 mm betragen.
Die Tiefe der Ausnehmung, das heißt die Abmessung in einer zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements senkrechten Ausdehnung, die auch als Z-Richtung bezeichnet wird, ist dabei möglichst homogen. Das heißt, im Wesentlichen kann die Tiefe der Ausnehmung über die gesamte Fläche der Ausnehmung 0,3 mm betragen. Alternativ kann die Tiefe der Ausnehmung im Wesentlichen über die gesamte Fläche der
Ausnehmung 0,6 mm betragen. Alternativ kann die Ausnehmung einem Rotationskörper einer Parabel entsprechen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ausnehmung zweistufig ausgeführt. Das heißt, die Ausnehmung kann einen ersten Bereich mit einer ersten Tiefe und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Tiefe in Z-Richtung aufweisen. Der zweite Bereich kann dabei konzentrisch um den ersten Bereich angeordnet sein. Ferner kann die erste Tiefe betragsmäßig größer sein als die zweite Tiefe. Insbesondere kann die
Ausnehmung mehrstufig ausgeführt sein. Eine stufige Ausgestaltung der Ausnehmung kann fertigungstechnisch einfacher realisierbar sein als beispielsweise eine
parabelförmige Vertiefung.
Ferner kann dank einer zwei- bzw. mehrstufigen Ausgestaltung der Ausnehmung auch bei großen Ausdehnungen bzw. Abmessungen des magnetempfindlichen Elements ein homogenes Magnetfeld über die gesamte Oberfläche des magnetempfindlichen Elements gewährleistet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Durchmesser der Ausnehmung im Magneten größer als ein Durchmesser des magnetempfindlichen
Elements. Der Durchmesser der Ausnehmung entspricht dabei einer Abmessung der Ausnehmung in der XY-Ebene, das heißt parallel zur Oberfläche des
magnetempfindlichen Elements. Beispielsweise kann der Magnet einen
Gesamtdurchmesser von 14 mm aufweisen. Ein Durchmesser der Ausnehmung kann dabei in etwa 5 mm betragen. Das magnetempfindliche Element kann dabei
beispielsweise rechteckig ausgeführt und zum Beispiel eine Kantenlänge von 1 ,5 mm aufweisen.
Durch die Ausgestaltung der Ausnehmung mit einer größeren Abmessung als die
Oberfläche des magnetempfindlichen Elements kann ein besonders homogenes
Magnetfeld im Bereich des magnetempfindlichen Elements erzeugt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Luftspalt zwischen dem magnetempfindlichen Element und dem Magneten vorgesehen. Je nach Anwendung der Messvorrichtung kann der Luftspalt dabei eine Breite zwischen 1 ,5 mm und 4 mm aufweisen. Das heißt, das magnetempfindliche Element ist nicht in der Ausnehmung angeordnet, sondern ist zur Ausnehmung in einer Z-Richtung beabstandet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Magnet drehfest mit dem ersten Bauelement verbunden und das magnetempfindliche Element drehfest mit dem zweiten Bauelement verbunden. Dabei kann das erste Bauelement als Rotor und das zweite Bauelement als Stator ausgeführt sein. Alternativ kann das erste Bauelement als Stator und das zweite Bauelement als Rotor ausgeführt sein. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Stellsystem für Kraftfahrzeuge vorgestellt. Das Stellsystem weist eine Regeleinheit und eine oben beschriebene Messvorrichtung auf. Die Messvorrichtung ist dabei ausgeführt, einen ermittelten Drehwinkelwert an die Regeleinheit zu übertragen bzw. zu übermitteln. Ferner ist die Regeleinheit ausgeführt, den Drehwinkel basierend auf dem ermittelten Drehwinkelwert nachzuregeln. Dabei kann die Regeleinheit beispielsweise in einen Chip integriert sein, auf dem das magnetempfindliche Element angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Stellsystem als
Drosselklappenregler, als Gaspedalwertgeber in einem Pedalmodul, als
Karosserieeinfederungsgeber oder als Winkelaufnehmer eines Scheibenwischers ausgeführt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen Messvorrichtung vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines ersten Bauelements; drehfestes Verbinden eines Magneten mit dem ersten Bauelement; Bereitstellen eines zweiten Bauelements; drehfestes Verbinden eines magnetempfindlichen Elements mit dem zweiten Bauelement; drehbares Lagern des ersten Bauelements und des zweiten Bauelements um eine gemeinsame Drehachse derart, dass das erste Bauelement und das zweite Bauelement gegeneinander drehbar sind. Das magnetempfindliche Element ist dabei ausgeführt, in Abhängigkeit eines
Magnetfelds des Magneten einen Drehwinkel des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement zu ermitteln. Der Magnet ist dabei als Ferritmagnet ausgeführt.
Die einzelnen Schritte des Verfahrens können in einer variablen Reihenfolge ausgeführt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Messvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Messvorrichtung
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Magneten für eine Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 4 zeigt beispielhaft einen Winkelfehler der Messvorrichtung in Abhängigkeit von einem Luftspalt zwischen dem Magneten und dem magnetempfindlichen Elemente für verschiedene Tiefen der Ausnehmung im Magneten
Fig. 5A und 5B zeigen unterschiedliche Verläufe der magnetischen Feldlinien für unterschiedliche Ausgestaltungen des Magneten
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu
wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
In Fig. 1 ist eine Messvorrichtung 1 perspektivisch dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist dabei ein erstes Bauelement 3 und ein zweites Bauelement 5 auf. Das erste
Bauelement 3 kann beispielsweise ein Rotor und das zweite Bauelement 5 ein Stator sein. Beispielsweise können das erste Bauelement 3 und das zweite Bauelement 5 Teile eines Stellsystems 27, insbesondere eines Drosselklappengebers, eines
Gaspedalwertgebers, eines Karosserieeinfederungsgebers oder eines Winkelaufnehmers eines Scheibenwischers für Kraftfahrzeuge sein. Somit kann die Messvorrichtung 1 beispielsweise an einer elektrischen Drosselklappe (DV-E), an einem Fahrpedalmodul (APM) oder im General Purpose Actuator (GPA) eingesetzt werden.
An dem ersten Bauelement 3 ist drehfest ein Magnet 7 angeordnet. Am zweiten
Bauelement 5 ist ein magnetempfindliches Element 9, insbesondere ein Hallsensor vorgesehen und drehfest mit dem zweiten Bauelement 5 verbunden. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann das magnetempfindliche Element 9 beispielsweise an einer Leiterplatte 33 angeordnet sein. Das erste Bauelement 3 kann in Bezug auf das zweite Bauelement 5 um eine Drehachse 1 1 um einen Drehwinkel α verdreht werden. Das magnetempfindliche Element 9 wird von Feldlinien des Magnetfelds des Magneten 7 durchsetzt. Dabei ist das magnetempfindliche Element 9 ausgeführt, in Abhängigkeit einer Richtung und Intensität des Magnetfelds einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements 3 gegenüber dem zweiten Bauelement 5 zu ermitteln. Die Messvorrichtung 1 und insbesondere das magnetempfindliche Element 9 können den ermittelten Drehwinkelwert an eine
Regeleinheit 29 übermitteln. Die Regeleinheit 29 kann dabei zusammen mit dem magnetempfindlichen Element 9 an der Leiterplatte 33 angeordnet sein. Dies ist zum Beispiel in der Darstellung von Fig. 2 gezeigt. Alternativ kann die Regeleinheit 29 au ßerhalb der Messvorrichtung 1 , wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet sein. Ferner kann die Regeleinheit 29 mit dem ersten Bauelement 3 funktional verbunden sein und einen Drehwinkel α basierend auf dem ermittelten Drehwinkelwert nachregeln.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Messvorrichtung 1 dargestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann der Magnet 7 mit Hilfe eines Magnethalters 31 am ersten
Bauelement 3 fixiert sein. Der Magnethalter 31 kann dabei beispielsweise an den
Magneten angespritzter Kunststoff sein.
Die Orientierung der Querschnittsdarstellung in Fig. 2 ist gegenüber der Darstellung in Fig. 1 gedreht. Für einen besseren Vergleich der unterschiedlichen Figuren ist ein Koordinatensystem eingezeichnet. Eine X-Achse wird dabei mit 35, eine Y-Achse mit 37 und eine Z-Achse mit 39 bezeichnet. Die Z-Achse 39 verläuft dabei parallel zur
Drehachse 1 1 . Eine dazu senkrechte Ebene wird durch die X-Achse 35 und die Y-Achse 37 aufgespannt. Die Oberfläche des magnetempfindlichen Elements 9 liegt dabei beispielsweise in der durch die X-Achse 35 und die Y-Achse 37 aufgespannten Ebene.
Der Magnet 7 ist dabei als ein Ferritmagnet ausgeführt. Die Funktion des Ferritmagneten 7 ist die Erzeugung eines magnetischen Feldes im Messbereich des
magnetempfindlichen Elements 9. Die minimale und maximale zulässige Feldstärke über die Luftspaltvariation zwischen dem Magnet 7 und dem magnetempfindlichen Element 9 ist durch die Spezifikation des magnetempfindlichen Elements 9 gegeben. Diese zulässige Feldstärke wird durch einen Durchmesser und eine Dicke des Magneten 7 erreicht.
Durch eine Inhomogenität des Magnetfelds 13 im Messbereich des magnetempfindlichen Elements 9 kann ein Winkelfehler verursacht werden. Der maximal zulässige Winkelfehler ist durch die jeweilige Applikation gegeben. Die Inhomogenität des Magnetfelds 13 wird durch das Vorsehen einer Ausnehmung 15 auf der dem magnetempfindlichen Element 9 zugewandten Seite des Magneten 7 reduziert. Die Ausnehmung 15 ist dabei als
Vertiefung ausgeführt.
Die Tiefe der Ausnehmung 15 wird so eingestellt, dass der Winkelfehler im Bereich des magnetempfindlichen Elements 9 minimiert wird. Insbesondere kann die Ausnehmung 15 eine im Vergleich zum Luftspalt 25 geringe Tiefe von 0,3 mm oder 0,6 mm aufweisen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist ein Durchmesser 21 der Ausnehmung 15 größer als ein
Durchmesser 23 des magnetempfindlichen Elements 9.
Ferner kann die Ausnehmung 15 zweistufig ausgeführt sein. Dies ist beispielsweise in Fig. 3 gezeigt. Dabei stellt Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf die dem
magnetempfindlichen Element 9 zugewandte Seite des Magneten 7 dar. Dabei weist die Ausnehmung 15 einen ersten Bereich 17 und einen zweiten Bereich 19 auf. Der erste Bereich 17 ist tiefer in den Magneten 7 eingefügt als der zweite Bereich 19. Dabei umgibt der zweite Bereich 19 konzentrisch den ersten Bereich 17. Das heißt, der
Gesamtdurchmesser bzw. der Durchmesser des zweiten Bereichs 19 entspricht dem Durchmesser 21 der Ausnehmung 15. Der Durchmesser 22 des ersten Bereichs 17 ist dabei kleiner als der Gesamtdurchmesser 21 der Ausnehmung 15. Durch die zweistufige Ausgestaltung der Ausnehmung 15 kann die Homogenität des Magnetfeldes im Luftspalt
25 weiter verbessert werden.
In Fig. 4 ist ein Winkelfehler in Grad der Messvorrichtung 1 in Abhängigkeit von der Breite des Luftspalts 25 in Millimeter zwischen dem Magneten 7 und dem magnetempfindlichen Element 9 dargestellt. Auf der X-Achse ist dabei die Breite des Luftspalts in Millimeter aufgetragen. Auf der Y-Achse ist ein Winkel in Grad aufgetragen. Eine gestrichelte Linie bei etwas unterhalb von 1 0 zeigt einen maximal zulässigen Winkelfehler. Eine mit Kreuzen dargestellte Linie im Bereich zwischen -0,5° und -1 0 zeigt einen minimal zulässigen Winkelfehler. Die mit Dreiecken dargestellte Kurve zeigt den Winkelfehler in Abhängigkeit der Breite des Luftspalts 25 bei einer Tiefe der Ausnehmung 15 von 0,3 mm. Dabei ist aus
Fig. 4 ersichtlich, dass bei einer Tiefe der Ausnehmung 15 von 0,3 mm der Winkelfehler bei einem Luftspalt 25 von etwa 1 ,75 mm im Wesentlichen bei 0 liegt.
Die mit Kreisen dargestellte Messkurve zeigt einen Winkelfehler der Messvorrichtung 1 in Abhängigkeit einer Breite des Luftspalts 25 bei einer Tiefe der Ausnehmung 15 von 0,6 mm. Dabei ist aus Fig. 4 ersichtlich, dass bei einer Tiefe der Ausnehmung 15 von 0,6 mm der Winkelfehler bei etwa einer Breite des Luftspalts 25 von 3 mm minimiert wird. ln Fig. 5A und 5B sind unterschiedliche Verläufe des Magnetfeldes 13 bzw. der magnetischen Feldlinien im Luftspalt 25 bei unterschiedlichen Gestaltungen des
Magneten 7 dargestellt. Fig. 5A zeigt dabei einen handelsüblichen Magneten 7' ohne Ausnehmung 15. Im oberen Bereich von Fig. 5A ist eine Draufsicht auf den
handelsüblichen Magneten 7' dargestellt. Im unteren Bereich von Fig. 5A ist ein
Querschnitt durch den handelsüblichen Magneten 7' gezeigt. Die magnetischen Feldlinien 13' verlaufen dabei nicht parallel im Messbereich des magnetempfindlichen Elements 9. In Fig. 5B ist der Feldlinienverlauf des Magnetfeldes 13 eines Magneten 7 mit einer Ausnehmung 15 gezeigt. Dabei verlaufen die Feldlinien des Magnetfelds 13 im Luftspalt 25 bzw. am magnetempfindlichen Element 9 möglichst parallel zur Oberfläche des magnetempfindlichen Elements 9.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie„aufweisend" oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Au ßerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen
beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.

Claims

Ansprüche
5 1 . Messvorrichtung (1 ) zur berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels (a), die
Messvorrichtung (1 ) aufweisend
ein erstes Bauelement (3) mit einem Magneten (7);
ein zweites Bauelement (5) mit einem magnetempfindlichen Element (9);
wobei das erste Bauelement (3) und das zweite Bauelement (5) um eine gemeinsame i o Drehachse (1 1 ) gegeneinander drehbar gelagert sind;
wobei das magnetempfindliche Element (9) ausgeführt ist, in Abhängigkeit eines
Magnetfelds (13) des Magneten (7) einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements (3) in
Bezug auf das zweite Bauelement (5) zu ermitteln;
dadurch gekennzeichnet, dass
15 der Magnet (7) ein Ferritmagnet ist.
2. Messvorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 ,
wobei an einer dem magnetempfindlichen Element (9) zugewandten Oberfläche des Magneten (7) eine Ausnehmung (15) vorgesehen ist.
20
3. Messvorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 2,
wobei die Tiefe der Ausnehmung (15) zwischen 5% und 30% einer Gesamthöhe des Magneten (7) beträgt.
25 4. Messvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3,
wobei die Ausnehmung (15) zweistufig ausgeführt ist.
5. Messvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei ein Durchmesser (21 ) der Ausnehmung (15) größer ist als ein Durchmesser (23) 30 des magnetempfindlichen Elements (9).
6. Messvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei ein Luftspalt (25) zwischen dem magnetempfindlichen Element (9) und dem Magneten (7) vorgesehen ist;
35 wobei der Luftspalt (25) eine Breite zwischen 1 ,5 mm und 4 mm aufweist.
7. Messvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Magnet (7) drehfest mit dem ersten Bauelement (3) verbunden ist;
wobei das magnetempfindliche Element (9) drehfest mit dem zweiten Bauelement (5) verbunden ist;
wobei das erste Bauelement (3) als Rotor und das zweite Bauelement (5) als Stator ausgeführt ist; oder
wobei das erste Bauelement (3) als Stator und das zweite Bauelement (5) als Rotor ausgeführt ist.
8. Stellsystem (27) für Kraftfahrzeuge, das Stellsystem (27) aufweisend
eine Regeleinheit (29); und
eine Messvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7;
wobei die Messvorrichtung (1 ) ausgeführt ist, einen ermittelten Drehwinkelwert an die
Regeleinheit (29) zu übermitteln;
wobei die Regeleinheit (29) ausgeführt ist, den Drehwinkel (a) basierend auf dem ermittelten Drehwinkelwert nachzuregeln.
9. Stellsystem (27) gemäß Anspruch 8,
wobei das Stellsystem (27) als Drosselklappengeber, als Gaspedalwertgeber, als Karosserieeinfederungsgeber oder als Winkelaufnehmer eines Scheibenwischers ausgeführt ist.
10. Verfahren zum Herstellen einer Messvorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
Bereitstellen eines ersten Bauelements (3);
Drehfestes Verbinden eines Magneten (7) mit dem ersten Bauelement (3);
Bereitstellen eines zweiten Bauelements (5);
Drehfestes Verbinden eines magnetempfindlichen Elements (9) mit dem zweiten
Bauelement (5);
Drehbares Lagern des ersten Bauelements (3) und des zweiten Bauelements (5) um eine gemeinsame Drehachse (1 1 ) derart, dass das erste Bauelement (3) und das zweite
Bauelement (5) gegeneinander drehbar sind;
wobei das magnetempfindliche Element (9) ausgeführt ist, in Abhängigkeit eines
Magnetfelds (13) des Magneten (7) einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements (3) in Bezug auf das zweite Bauelement (5) zu ermitteln;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet (7) als Ferritmagnet ausgeführt ist.
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