CH706043B1

CH706043B1 - Winkelsensor.

Info

Publication number: CH706043B1
Application number: CH00124/12A
Authority: CH
Inventors: Rolf Bachmann; Meric Amstutz
Original assignee: Contelec Ag
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2015-12-15
Also published as: CH706043A1; DE102013200931A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor (1) zur Messung eines Drehwinkels. Der Winkelsensor (1) umfasst ein Sensorgehäuse (2), an welchem eine Rotorwelle (3) drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle (3) weist einen Magnetträger (4) auf zur Aufnahme von mindestens einem Erregermagneten (5). Es ist ein Sensorelement (6) vorgesehen zur Erfassung des Magnetfelds des mindestens einen Erregermagneten (5), wobei aufgrund des erfassten Magnetfelds der Drehwinkel der Rotorwelle (3) gegenüber dem Sensorgehäuse (2) bestimmbar ist. Das Sensorgehäuse (2) und der Magnetträger (4) weisen einen ferromagnetischen Werkstoff auf.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelsensor zur Messung eines Drehwinkels.

Stand der Technik

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Winkelsensoren zur Erfassung eines Drehwinkels bekannt. So zeigt die DE 10 2007 039 050 einen Linearsegment- oder Umdrehungszähler mit einem Wiegand-Element. Das Wiegand-Element befindet sich zwischen zwei sich bewegenden Erregermagneten, welche über einen ferromagnetischen Rückschlusskörper, der als Ring ausgebildet ist, verbunden sind. Zur Ermittlung der Position und Polarität der Erregermagneten ist eine zusätzliche Sensoreinheit im Hauptfeld zwischen den Erregermagneten angeordnet. Als ferromagnetischer Rückschlusskörper kann allerdings auch eine Haube dienen, mittels der der Umdrehungszähler abgedeckt ist.

[0003] Bei einem Taster für geometrische Grössen sind zur Drehwinkelmessung zwei Winkelsensoren angebracht, in deren unmittelbaren Nähe zwei permanent erregte DC-Motoren angeordnet sind. Durch die DC-Motoren sowie des jeweils anderen Winkelsensor entsteht ein Fehler bei der Drehwinkelmessung. Dieser Fehler kann mehrere Prozent betragen.

Darstellung der Erfindung

[0004] Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Winkelsensor zur Messung eines Drehwinkels vorzuschlagen, welcher mindestens gewisse Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, einen Winkelsensor vorzuschlagen, welcher gegenüber Winkelsensoren aus dem Stand der Technik eine höhere Störfestigkeit aufweist.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die im unabhängigen Patentanspruch 1 definierten Merkmale gelöst. Ein Winkelsensor zur Messung eines Drehwinkels umfasst ein Sensorgehäuse, an welchem eine Rotorwelle drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle weist einen Magnetträger auf zur Aufnahme von mindestens einem Erregermagneten. Es ist ein Sensorelement vorgesehen zur Erfassung des Magnetfelds des mindestens einen Erregermagneten, wobei aufgrund des erfassten Magnetfelds der Drehwinkel der Rotorwelle gegenüber dem Sensorgehäuse bestimmbar ist. Das Sensorgehäuse und der Magnetträger weisen einen ferromagnetischen Werkstoff auf. Der ferromagnetische Werkstoff des Magnetträgers führt zu einer Schirmung des Erregermagnets, also insbesondere von magnetischer und/oder elektrischer Strahlung, gegenüber aussenliegender Geräte, und der ferromagnetische Werkstoff des Sensorgehäuses führt zu einer Schirmung der darin angeordneten Sensorbauteile gegenüber insbesondere magnetischer und/oder elektrischer Strahlung aussenliegender Geräte, welche den Winkelsensor somit nicht stören. Durch den Aufbau mit dem Sensorgehäuse sowie dem Magnetträger aus ferromagnetischem Werkstoff wird zudem erreicht, dass keine Hysterese auf dem Ausgangssignal entsteht.

[0006] In einer Ausführungsvariante weist der Magnetträger einen ringförmig ausgebildeten ferromagnetischen Werkstoff auf. Dieser kann wesentliche Teile des Erregermagneten umschliessen und somit zu einer effektiven Schirmung gegenüber aussenliegenden Geräten führen, so dass diese durch den Erregermagneten nicht gestört werden.

[0007] In einer anderen Ausführungsvariante weist der Magnetträger einen glockenförmig ausgebildeten ferromagnetischen Werkstoff auf. Dabei ist das Sensorelement auf der Seite der Glockenöffnung angebracht. Somit werden Felder des Erregermagneten auf der dem Sensorelement abgewandten Seite effektiv gegenüber aussenliegenden Geräten abgeschirmt, so dass diese durch den Erregermagnet nicht gestört werden.

[0008] In einer weiteren Ausführungsvariante weist die Rotorwelle einen ferromagnetischen Werkstoff auf. Die Rotorwelle befindet sich auf der dem Sensorelement abgewandten Seite des Magnetträgers, und Felder, welche auf dieser Seite bestehen, werden somit effektiv gegenüber aussenliegenden Geräten abgeschirmt, so dass diese durch den Erregermagneten nicht gestört werden.

[0009] In einer Ausführungsvariante weist der Erregermagnet mindestens einen Permanentmagneten der folgenden Formen auf: Ringmagnet, mehrere Ringsektormagnete. Der Winkelsensor kann somit einen Erregermagneten aufweisen, welcher kostengünstig aus auf dem Markt erhältlichen Bauteilen hergestellt ist.

[0010] In einer Ausführungsvariante umfasst das Sensorelement mindestens einen der folgenden Sensoren: Hall-Sensor, XMR (X-magneto-resistive) Magnetfeldsensor. Insbesondere mit dem Hall-Sensor kann ein Winkelsensor hergestellt werden, welcher eine hohe Genauigkeit aufweist.

[0011] In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Rotorwelle mit mindestens einem Lager, wie insbesondere einem Kugellager oder einem Gleitlager, am Sensorgehäuse gelagert. Es können vorzugsweise zwei Lager vorgesehen sein. Insbesondere ein Kugellager ergibt eine präzise und widerstandsarme Lagerung der Rotorwelle, so dass eine hohe Genauigkeit des Winkelsensors erreicht wird.

[0012] In einer Ausführungsvariante ist das Sensorgehäuse zylinderförmig ausgeführt, an dessen einem Ende die Rotorwelle herausgeführt ist und an dessen zweitem Ende eine Elektronikplatine angeordnet ist, an welcher insbesondere das Sensorelement angebracht ist. Durch das zylinderförmige Sensorgehäuse ergibt sich eine kompakte Bauform, so dass der Winkelsensor für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden kann.

[0013] In einer weiteren Ausführungsvariante ist das Sensorelement im Wesentlichen auf der Rotationsachse der Rotorwelle angeordnet. Dadurch kann eine besonders starkes Magnetfeld erfasst und eine hohe Genauigkeit des Winkelsensors erreicht werden.

[0014] In einer anderen Ausführungsvariante ist der Erregermagnet mit einer Magnetvergussmasse vergossen. Der Erregermagnet ist dabei insbesondere mit dem Magnetträger vergossen. Dies ergibt eine hohe Stabilität und Langlebigkeit, insbesondere zur Erzielung einer hohen Genauigkeit des Winkelsensors.

[0015] In einer Ausführungsvariante ist die Elektronikplatine mit einer Platinenvergussmasse vergossen, wobei vorzugsweise mindestens eine Anschlusslitze durch die Platinenvergussmasse hindurchgeführt ist. Dies ergibt eine hohe Stabilität und Langlebigkeit, insbesondere zur Erzielung einer hohen Genauigkeit des Winkelsensors.

[0016] In einer Ausführungsvariante sind das Sensorgehäuse (2) und der Magnetträger (4) sowie vorzugsweise die Rotorwelle (3) in Stahl ausgeführt und derart konstruiert, dass die magnetische Flussdichte aufgrund des mindestens einen Erregermagneten und aufgrund externer Magnetfelder kleiner ist als die maximale Sättigungsdichte, welche für Stahl ungefähr 1.9 Tesla beträgt. Dadurch können die Magnetfelder absorbiert werden, und Messstörungen können verhindert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0017] Anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, wird die Erfindung im Folgenden erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>schematisch einen Längsschnitt des erfindungsgemässen Winkelsensors; <tb>Fig. 2<SEP>schematisch einen Querschnitt des erfindungsgemässen Winkelsensors; <tb>Fig. 3<SEP>schematisch die Feldlinien des Erregermagneten; und <tb>Fig. 4<SEP>schematische drei Ausführungsvarianten a), b) und c) von Rotorwellen mit daran angebrachten Magnetträgern.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

[0018] Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines erfindungsgemässen Winkelsensors 1. An einem Sensorgehäuse 2 sind ein erstes Kugellager 71 und ein zweites Kugellager 72 angebracht für die drehbare Lagerung einer Rotorwelle 3 am Sensorgehäuse 2. Das Sensorgehäuse ist zylindrisch aufgebaut, und die Kugellager 71, 72 sind im Bereich eines ersten Endes des Sensorgehäuses angeordnet, also in Fig. 1 auf der rechten Seite des Sensorgehäuses. Die Rotorwelle 3 ragt im Bereich des ersten Endes des Sensorgehäuses 2 aus dem Sensorgehäuse 2 heraus. Der Winkelsensor 1 kann zusammen mit einem baugleichen Winkelsensor in einem Taster für geometrische Grössen vorgesehen sein, wobei die Rotationsachsen der beiden Winkelsensoren beispielsweise rechtwinklig zueinander stehen.

[0019] Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, ist an der Rotorwelle 3 ein Magnetträger 4 vorgesehen. Die Rotorwelle 3 und der Magnetträger 4 können aus zwei Werkstücken zusammengesetzt und beispielsweise miteinander verschraubt, verpresst oder verklebt sein. In einer Ausführungsvariante können die Rotorwelle 3 und der Magnetträger 4 aus einem einzelnen Werkstück hergestellt sein.

[0020] Der Magnetträger 4 ist eingerichtet, um einen Erregermagneten 5 aufzunehmen. Der Magnetträger 4 ist beispielsweise zylinderförmig ausgeführt, wobei der beispielsweise ebenfalls zylinderförmig ausgeführte Erregermagnet 5 auf der Zylinderinnenseite des Magnetträgers 4 angebracht ist. Der Erregermagnet 5 ist beispielsweise mit einer Magnetvergussmasse 10 vergossen, wobei der Innenraum des Magnetträgers 4 vom Erregermagneten 3 und der Magnetvergussmasse 10 vollständig ausgefüllt ist. Die Magnetvergussmasse 10 kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Erregermagneten 5 und dem Magnetträger 4 herstellen.

[0021] Der Magnetträger 4 weist einen ferromagnetischen Werkstoff auf, beispielsweise Eisen, Cobalt, Nickel oder eine ferromagnetische Legierung wie beispielsweise Stahl, Ni-Stahl oder Si-Stahl oder ein gefüllter Kunststoff mit ferromagnetischen Eigenschaften oder gesinterte Werkstoffe mit ferromagnetischen Eigenschaften. Der Magnetträger 4 kann ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt sein. In einer Ausführungsvariante weist der Magnetträger 4 einen ringförmig ausgebildeten ferromagnetischen Werkstoff auf, so dass beispielsweise die Zylinderwand des Magnetträgers 4 einen ferromagnetischen Werkstoff aufweist oder aus einen ferromagnetischen Werkstoff besteht. In einer anderen Ausführungsvariante weist der Magnetträger 4 einen glockenförmig ausgebildeten ferromagnetischen Werkstoff auf, so dass beispielsweise die Zylinderwand des Magnetträgers 4 sowie eine daran anschliessende scheibenförmige Abdeckung, an welcher die Rotorwelle 4 weitergeführt ist, einen ferromagnetischen Werkstoff aufweisen oder aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen. Der Magnetträger und der ferromagnetische Werkstoff sind bevorzugt derart dimensioniert, dass keine Sättigung erreicht wird. Für Stahl beträgt die maximale Sättigungsdichte ca. 1.9 Tesla.

[0022] Das Sensorgehäuse 2 weist ebenfalls einen der genannten ferromagnetischen Werkstoffe auf. Das Sensorgehäuse 2 kann ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt sein.

[0023] Im Bereich des zweiten Endes des Sensorgehäuses 2, also in Fig. 1 auf der linken Seite des Sensorgehäuses, ist am Sensorgehäuse eine Elektronikplatine 8 angebracht. Dazu kann das Sensorgehäuse wie in Fig. 1 schematisch dargestellt einen Absatz oder eine Aufnahme für die Elektronikplatine 8 aufweisen. Die Elektronikplatine 8 kann mit einer Platinenvergussmasse 11 vergossen sein, welche die Elektronikplatine 8 vollständig bedeckt. Die Platinenvergussmasse 11 kann derart ausgeführt sein, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Elektronikplatine 8 und dem Sensorgehäuse 2 besteht.

[0024] Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, kann an der Elektronikplatine 8 ein Sensorelement 6 vorgesehen sein, welches zur Erfassung des Magnetfelds des Erregermagneten 5 eingerichtet ist. Das Sensorelement 6 kann beispielsweise als Hall-Element ausgeführt sein.

[0025] In einer anderen Ausführungsvariante kann das Sensorelement 6 als XMR Element (X-magneto-resistive) ausgeführt sein. Das Sensorelement 6 ist bevorzugt auf der Seite der Elektronikplatine 8 angeordnet, welche dem Erregermagneten 5 zugewandt ist.

[0026] Die Elektronikplatine 8 weist Elektronikkomponenten bekannter Bauart auf, wobei das Sensorelement 6 angesteuert wird, um das Magnetfeld des Erregermagneten zu erfassen und wobei aufgrund des erfassten Magnetfelds der Drehwinkel der Rotorwelle 3 gegenüber dem Sensorgehäuse 2 bestimmbar ist. Die Elektronikkomponenten können insbesondere Spannungsquellen für das Sensorelement 6 sowie Verstärkerschaltungen für die Verstärkung eines Sensorsignals des Sensorelements 6 umfassen.

[0027] Zur Verbindung mit einer externen Strom- oder Spannungsquelle sowie mit einer Auswerteelektronik können wie in Fig. 1 schematisch dargestellt eine oder mehrere Anschlusslitzen 12 vorgesehen sein, welche durch die Platinenvergussmasse 11 hindurchgeführt sind. So können beispielsweise fünf Anschlusslitzen vorgesehen sein, insbesondere eine Erdung GND, eine Speisung Ub, ein digitaler Ein-/Ausgang DIO, ein serieller Clock SCLK und ein slave select SS. Die Auflösung kann beispielsweise 14 bit betragen, wobei beispielsweise den Zahlenwerten 0... 16383 Drehwinkel zwischen 0°... 360° linear zugeordnet sein können.

[0028] Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt des Winkelsensors 1 an der in Fig. 1 mit A–A gekennzeichneten Linie. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind das Sensorgehäuse 2, der Magnetträger 4 und der Erregermagnet 5 zylinderförmig ausgeführt und konzentrisch zueinander angeordnet. Der Erregermagnet 5 umfasst in einem inneren Bereich die Magnetvergussmasse 10.

[0029] Der Erregermagnet kann als Ringmagnet, mehrere Ringsektormagnete oder in irgendeiner anderen Weise ausgeführt sein, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches vom Sensorelement 6 erfassbar ist.

[0030] Fig. 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch den Magnetträger 4 in einem gegenüber der Fig. 1 vergrösserten Ansicht. Der Erregermagnet 5 weist abwechslungsweise Nordpole 5N und Südpole 5S auf. Die ersten Feldlinien 5a zwischen dem in Fig. 3 dargestellten äusseren Nordpol 5N und dem äusseren Südpol 5S werden durch den Magnetträger 4 geführt, welcher einen ferromagnetischen Werkstoff aufweist. Die zweiten Feldlinien 5b zwischen dem in Fig. 3 dargestellten inneren Nordpol 5N und inneren Südpol 5S werden am Sensorelement 6 vorbeigeführt, wobei das Magnetfeld vom Sensorelement 5 erfasst wird und aufgrund des erfassten Magnetfelds ein Drehwinkel zwischen dem Magnetträger 4 und dem Sensorelement 6 bestimmbar ist. Da das Sensorelement 6 über die Elektronikplatine 8 mit dem Sensorgehäuse 2 und ferner der Magnetträger 4 mit der Rotorwelle 3 verbunden sind, ist der Drehwinkel zwischen dem Sensorelement 6 und dem Magnetträger 5 gleich dem Drehwinkel zwischen dem Sensorgehäuse 2 und der Rotorwelle 3.

[0031] Fig. 4 zeigt schematisch drei Ausführungsvarianten a), b) und c) von Rotorwellen 3 mit daran angebrachten Magnetträger 4. In der Ausführungsvariante a) weist der Magnetträger 4 einen ringförmigen ferromagnetischen Werkstoff 41 auf. In der Ausführungsvariante b) weist der Magnetträger 4 einen glockenförmigen ferromagnetischen Werkstoff 42 auf. In der Ausführungsvariante c) weisen sowohl der Magnetträger 4 als auch die Rotorwelle 3 einen ferromagnetischen Werkstoff auf. In der Ausführungsvariante c) können der Magnetträger 4 und die Rotorwelle 3 aus einem einzelnen ferromagnetischen Werkstück hergestellt sein.

Bezugszeichen

[0032] <tb>1<SEP>Winkelsensor <tb>2<SEP>Sensorgehäuse <tb>3<SEP>Rotorwelle <tb>4<SEP>Magnetträger <tb>5<SEP>Erregermagnet <tb>6<SEP>Sensorelement <tb>71, 72<SEP>Kugellager <tb>8<SEP>Elektronikplatine <tb>9<SEP>Rotationsachse <tb>10<SEP>Magnetvergussmasse <tb>11<SEP>Platinenvergussmasse <tb>12<SEP>Anschlusslitze

Claims

1. Winkelsensor (1) zur Messung eines Drehwinkels, umfassend ein Sensorgehäuse (2), an welchem eine Rotorwelle (3) drehbar gelagert ist, wobei die Rotorwelle (3) einen Magnetträger (4) aufweist zur Aufnahme von mindestens einem Erregermagneten (5), wobei ein Sensorelement (6) vorgesehen ist zur Erfassung des Magnetfelds des mindestens einen Erregermagneten (5), wobei aufgrund des erfassten Magnetfelds der Drehwinkel der Rotorwelle (3) gegenüber dem Sensorgehäuse (2) bestimmbar ist, wobei das Sensorgehäuse (2) und der Magnetträger (4) einen ferromagnetischen Werkstoff aufweisen.

2. Winkelsensor (1) nach Anspruch 1, wobei der Magnetträger (4) ein ringförmig ausgebildetes ferromagnetisches Werkstück aufweist.

3. Winkelsensor (1) nach Anspruch 1, wobei der Magnetträger (4) ein glockenförmig ausgebildetes ferromagnetisches Werkstück aufweist.

4. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rotorwelle (3) einen ferromagnetischen Werkstoff aufweist.

5. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Rotor (3) und der Magnetträger (4) als ein einzelnes Werkstück ausgebildet sind.

6. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Erregermagnet (5) mindestens einen Permanentmagneten der folgenden Formen aufweist: Ringmagnet, mehrere Ringsektormagnete.

7. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Sensorelement (6) mindestens einen der folgenden Sensoren umfasst: Hall-Sensor, XMR, d.h. X-magneto-resistive, Magnetfeldsensor.

8. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Rotorwelle (3) mit mindestens einem Lager (71, 72), insbesondere einem Kugellager oder einem Gleitlager, am Sensorgehäuse (2) gelagert ist.

9. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Sensorgehäuse (2) zylinderförmig ausgeführt ist, an dessen erstem Ende die Rotorwelle (3) herausgeführt ist und an dessen zweitem Ende eine Elektronikplatine (8) angeordnet ist, an welcher insbesondere das Sensorelement (6) angebracht ist.

10. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Sensorelement (6) im Wesentlichen auf einer Verlängerung der Rotationsachse (9) der Rotorwelle (3) angeordnet ist.

11. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Erregermagnet (5) mit einer Magnetvergussmasse (10) vergossen ist.

12. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Elektronikplatine (8) mit einer Platinenvergussmasse (11) vergossen ist, wobei vorzugsweise mindestens eine Anschlusslitze (12) durch die Platinenvergussmasse (11) hindurchgeführt ist.

13. Winkelsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Sensorgehäuse (2) und der Magnetträger (4) sowie vorzugsweise die Rotorwelle (3) in Stahl ausgeführt sind und derart konstruiert sind, dass die magnetische Flussdichte aufgrund des mindestens einen Erregermagneten (5) und aufgrund externer Magnetfelder kleiner ist als die maximale Sättigungsdichte, welche für Stahl ungefähr 1.9 Tesla beträgt.