DE102010038936B4

DE102010038936B4 - Sensoranordnung zur Erfassung eines Differenzwinkels

Info

Publication number: DE102010038936B4
Application number: DE102010038936.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Behrens; David Bendes; Holger Frank; Helmut Grutzeck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: DE102010038936A1

Abstract

Sensoranordnung (10) zur Erfassung eines Differenzwinkels, mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (24), mit einem Magnetring (22), der mit einer um eine Drehachse (16) drehbaren Welle (12) verbindbar ist, mit einem ferromagnetischen inneren Fluxring (18), der erste Polschuhe (32) aufweist, die in radialer Richtung zur Drehachse (16) verlaufen zum im Wesentlichen radialen Abgriff des Magnetfelds des Magnetrings (22), mit einem ferromagnetischen äußeren Fluxring (20), der zweite Polschuhe (34) aufweist, die in radialer Richtung zur Drehachse (16) verlaufen zum im Wesentlichen radialen Abgriff des Magnetfelds des Magnetrings (22), wobei innerer und äußerer Fluxring (18, 20) drehbar gegenüber dem Magnetring (22) angeordnet sind, wobei dem Sensorelement (24) jeweils ein Magnetfeld über den inneren Fluxring (18) und den äußeren Fluxring (20) zugeführt ist, wobei die Enden der ersten Polschuhe (32) und die Enden der zweiten Polschuhe (34) in derselben Richtung orientiert sind, wobei der innere Fluxring (18) und der äußere Fluxring (20) mit Hilfe eines Verbindungsmittels (26) mit einer Welle (11) verbindbar sind, wobei das Sensorelement (24) über eine rotatorisch gelagerte Kappe (100) gehalten ist, und wobei die Kappe (100) in einem Bereich (107) durch das Verbindungsmittel (26) gelagert ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Eine entsprechende Sensoranordnung ist bereits in der DE 10 2005 031 086 A1 beschrieben. Zur Erfassung eines Differenzwinkels ist zumindest ein magnetfeldempfindliches Sensorelement vorgesehen, mit dem die Magnetfeldinformationen eines Magnetkreises, bestehend aus einem mit einer Welle verbindbaren Magnetpolrad und ferromagnetischen Fluxringen mit Zähnen, auswertbar ist. Die Zähne verlaufen in radialer Richtung zum radialen Abgriff der Magnetfeldinformation des Magnetpolrads. Die Enden der mit dem inneren Fluxring verbundenen Zähne weisen alle nach außen, während die Enden der mit dem äußeren Fluxring verbundenen Zähne nach innen, das heißt in Richtung Drehachse der Welle weisen. Ein ähnlicher Aufbau ist auch in der DE 10 2007 028 483 A1 gezeigt.
Zudem offenbart die JP H06-11 402 A eine Sensoranordnung, bei welcher die Enden der ersten Polschuhe und die Enden der zweiten Polschuhe in derselben Richtung orientiert sind.
Ferner sind ähnliche Sensoranordnungen aus der DE 10 2007 028 481 A1 sowie der US 2008/0 314 164 A1 bekannt.
Vorteile der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Insbesondere soll die neue Anordnung eine bessere und noch zuverlässigere Signalerfassung ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Enden der vorzugsweise ineinander greifenden Polschuhe alle in derselben radialen Richtung orientiert sind. Sowohl die Polschuhe des inneren Fluxrings wie auch die Polschuhe des äußeren Fluxrings weisen alle nach Außen bezogen auf die Drehachse der Welle. Bei einer alternativen, aber insgesamt gleichwertigen Konstruktion können alle Polschuhe nach Innen zeigen.
Als Messprinzip wird ein mit unterschiedlichen Polungen aufmagnetisierter Magnetring verwendet. Das Signal für die Verdrehung wird über Polschuhe abgegriffen. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung die Fluxringe so gestaltet, dass deren Polschuhe radial in die gleiche Richtung zeigen. Dadurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Das Sensorelement kann weiter entfernt vom Magnetring angeordnet werden. Restfelder, die vom Magnetring durch die Luft ausgehen, haben dadurch keinen oder deutlich geringeren Einfluß auf das Nutzsignal des Sensorelements. Der sogenannte Rippleeffekt wird dadurch vermieden. Dieser Rippleeffekt entsteht, wenn das magnetfeldempfindliche Element zu nahe am Magnetring plaziert wird. Die Streufelder des Magnetfeldes verursachen dann bei einer Umdrehung der Fluxringe und bei feststehendem Sensorelement entsprechend Ihrer Polteilung über den Drehwinkel veränderte Felder, die die Erfassung der Drehmomentes stören.
Dadurch, dass die Polschuhe der Fluxringe radial in die gleiche Richtung zeigen, können die beiden Ringe radial in geringerem Abstand zueinander angeordnet werden. Dadurch wird das zwischen den Ringen angeordnete Sensorelement besser gegen magnetische Störfelder abgeschirmt Durch die jetzt erheblich dichter beieinander liegenden Ringe erhält man zudem eine erhebliche Erhöhung des Nutzsignals, nämlich des zu erfassenden magnetischen Feldes. Dadurch können unter anderem geringer aufmagnetisierbare, aber preiswertere Magnetmaterialien für den Magnetring benutzt werden. Außerdem sind sogenannte Magnetfluss-Sammler, die den magnetischen Fluß an den Ringen sammeln und verstärkt dem Sensorelement zuleiten nicht mehr unbedingt erforderlich. Dies vereinfacht die Bauweise eines solchen Sensors erheblich.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine teilweise geschnittene Darstellung der Sensoranordnung,
2 eine perspektivische Darstellung der Ringe mit Polschuhen mit Magnetring sowie
3 ein alternatives Ausführungsbeispiel mit nach Innen weisenden Enden der Polschuhe im Schnitt,
4 ein Ausführungsbeispiel mit einem rotatorisch gelagertem Sensorelement sowie
5 eine Draufsicht auf die Fluxringe zur genaueren Darstellung der Polschuhform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 sind die Komponenten einer Sensoranordnung 10 gezeigt. Zwei Enden einer ersten Welle 11 und einer zweiten Welle 12 werden durch einen Torsionsstab 14 miteinander verbunden. Die beiden Wellen 11, 12 sind um eine Drehachse 16 gegeneinander verdrehbar. Die Sensoranordnung 10 erfasst diese relative Verdrehung der beiden Wellen 11, 12 zueinander.
Ein Magnetring 22 ist drehfest mit dem Ende der zweiten Welle 12 über einen hülsenförmigen Träger 28 verbunden. Mit dem Ende der ersten Welle 11 sind über ein Verbindungsmittel 26 ein innerer Fluxring 18 und ein äußerer Fluxring 20 drehfest verbunden. Das Verbindungsmittel 26 kann aus einem beliebigen nichtmagnetischen Material wie beispielsweise Kunststoff oder ein nichtmagnetisches Metall ausgeführt sein. Zwischen innerem Fluxring 18 und äußerem Fluxring 20 ist ein Sensorelement 24 angeordnet zur Erfassung eines Magnetfelds.
Gemäß 2 weist der innere Fluxring 18 erste Polschuhe 32 auf, die in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse 16 auslaufen. Dabei weisen die Enden der ersten Polschuhe 32 alle bezogen auf die Drehachse 16 nach Außen. Der äußere Fluxring 20 weist zweite Polschuhe 34 auf, die ebenfalls in radialer Richtung orientiert sind und deren Enden in derselben Weise wie die der ersten Polschuhe 32 auslaufen, nämlich nach Außen. Erste Polschuhe 32 und zweite Polschuhe 34 greifen wechselseitig ineinander. Die radial orientenierten Polschuhe 32, 34 liegen alle in derselben sich in radialer Richtung senkrecht zur Drehachse 16 erstreckenden Ebene. In dem in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel liegen die Enden von ersten und zweiten Polschuhen 32, 34 im Wesentlichen auf demselben Radius. Die in radialer Richtung orientierten Polschuhe 32, 34 erfassen das vom Magnetring 22 erzeugte Magnetfeld. Wie in 2 ersichtlich ist der Magnetring 22 wechselseitig in der Weise magnetisiert, dass die Richtung 30 des Magnetfeldes sich im Wesentlichen entsprechend dem Teilungsabstand der Polschuhe 32, 34 ändert.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich von demjenigen nach 2 darin, dass nun die Enden der ersten und zweiten Polschuhe 32, 34 nach Innen, das heißt in Richtung zur Drehachse 16, orientiert sind. Die Enden erster und zweiter Polschuhe 32, 34 sind jedoch - wenn auch nach Innen - in der gleichen Weise orientiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist die Befestigung der Fluxringe 18, 20 und des Sensorelements 24 gezeigt 4 ist eine dreidimensionale Darstellung der in der Achsenmitte durchgeschnittenen Sensoranordnung 10. Auf die Darstellung der in 1 gezeigten Wellenenden 11 und 12 und des Torsionsstabs 14 wurde in der 4 verzichtet. Dargestellt sind in der 4 der innere Fluxring 18 und der äußere Fluxring 20. Das Verbindungsmittel 26 aus vorzugsweise Kunststoff hält die Fluxringe 18, 20 zusammen und ist wiederum an einem Verbindungselement 106 befestigt. Das Verbindungselement 106 ist hülsenförmig ausgeführt mit einem radial nach Außen stehenden Flansch und dient zur Verbindung mit der ersten Welle 11. Das Sensorelement 24 ist über einen rechteckförmigen Sensorhalter 101 mit einer Kappe 100 verbunden. Die Kappe 100 ist im Bereich 107 rotatorisch auf dem Verbindungsmittel 26 (zum Verbinden der Fluxringe 18, 20) gelagert. Die Kappe 100 ist vorzugsweise hülsenförmig ausgeführt und umschließt zumindest teilweise das Sensorelement 24.
Eine Rotation der in 4 nicht dargestellten Wellenenden 11, 12 und damit der Fluxringe 18 und 20 sowie des Magnetrings 22 kann somit von der rotatorisch über ein Element 108 fixierten Kappe 100 über eine dauerhaft verbundene elektrische oder optische Zu- und Ableitung ausgelesen werden. Das Sensorelement 24 bewegt sich jedenfalls bei einer Rotation der Wellen 11, 12 nicht mit, sondern ist über den Sensorhalter 101, die Kappe 100 und das Element 108 drehfest relativ zu den Wellen 11, 12 befestig. Die Kappe 100 ist im Bereich 107 auf dem Verbindungselement 106 gelagert. Das Sensorelement 24 ist radial und/oder auch axial beabstandet von dem Magnetring 22 angeordnet. Dadurch wird es keinem bzw. nur einem sehr geringen Streufeld des Magnetrings 22 ausgesetzt
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 ist die Geometrie der Polschuhe 32, 34 näher dargestellt. Die Polschuhe 32, 34 sind trapezförmig gestaltet und zwar so, dass sich die Polschuhe 32, 34 nach Außen hin verjüngen. Diese Geometrie verhindert, dass sich der über die Polschuhe 32, 34 zum jeweiligen Fluxring 18, 20 hin aufsammelnde Fluß zu einer unzulässigen Sättigung des Magnetmaterials führt, indem der Querschnitt, über den sich der Fluß zum Fluxringring 18, 20 hin ausbreitet, ebenfalls breiter wird. Der Winkel α sollte dabei im Bereich zwischen 3° und 25° liegen, je nach verwendeten Materialien des Fluxringes 18, 20 und nach der Magnetfeldstärke des in 4 dargestellten Magnetringes 22. Zeigen die Polschuhe 32, 34 wie in 3 dargestellt nach Innen, ist es vorteilhaft, wenn sich die Polschuhe 32, 34 auch in gleicher Weise nach Innen hin verjüngen.
Die in den Figuren gezeigten Sensoranordnungen 10 arbeiten wie folgt. Eine Verdrehung der beiden durch den Torsionsstab 14 verbundenen Wellen 11,12 führt zu einer Verdrehung des Ringmagnets 22 relativ zu den Polschuhen 32, 34. Dadurch verändert sich das Magnetfeld, das auf erste und zweite Polschuhe 32, 34 einwirkt und welches jeweils über die zugehörigen Fluxringe (innerer Fluxring 18 bzw. äußerer Fluxring 20) unmittelbar - ohne weitere Sammelelemente - an das Sensorelement 24 weitergeleitet wird.
Das Sensorelement 24 rotiert nicht zusammen mit den Fluxringen 18, 20 wie bereits in Verbindung mit 4 beschrieben, sondern ist feststehend angeordnet, so dass in einfacher Weise ein elektrisches Signal abgegriffen und in einem Steuergerät weiterverarbeitet werden kann. Das Sensorelement 24 kann dabei auch durch ein Lager auf dem Ende der ersten oder zweiten Welle 11, 12 radial und axial geführt werden. Alternativ kann die Lagerung auch auf dem Verbindungsmittel 26 oder auch auf den beiden Fluxringen 18, 20 erfolgen. Die rotatorische Bewegung der Wellenenden 11, 12 muß das Sensorelement 24 dann nicht mit vollführen.
Der Magnetring 22 wie in 2 mittels Magnetfeldrichtungspfeilen 30 angedeutet ist wechselnd polarisiert. Der Magnetring 22 könnte auch mit Hilfe geringer aufmagnetisierbarer, aber preiswerter Magnetmaterialien (wie Ferrite, SrCo, AINiCo etc.) hergestellt werden. Die Fluxringe (innerer Fluxring 18, äußerer Fluxring 20) bestehen aus einem weichmagnetischen Material wie beispielsweise Blech.
Durch die stimseitige bzw. radiale Orientierung der Polschuhe 32, 34 zu dem Magnetring 22 ist es möglich, diese Elemente exakt mit einem definierten Luftspalt zueinander auszurichten. Dadurch reduziert sich der Luftspalt, was sich positiv auf den Gesamtmagnetfluss und auf die Umlaufmodulation auswirkt. Die Polschuhe 32, 34 der beiden Fluxringe (innerer Fluxring 18, äußerer Fluxring 20) liegen vorzugsweise auf derselben Ebene, greifen ineinander und sind radial angeordnet. Eine radiale Bewegung zwischen den Ringen (Innerer Fluxring 18, Äußerer Fluxring 20) und dem Magnetring 22 bewirkt kaum eine Änderung des Magnetflusses, da die Polschuhe 32, 34 in radialer Richtung den Magneten des Magnetrings 22 überdecken und somit diese Radialverschiebung nicht in eine Luftspaltänderung eingeht.
Wird anstelle eines Sensorelementes 24 zwei oder mehrere in der gleichen Art und Weise wie in der 4 dargestellt zwischen den Fluxringen 18, 20 positioniert, lassen sich Sensorfehler, die durch Montageungenauigkeiten entstehen können, ausgleichen.
Die Sensoranordnung 10 eignet sich insbesondere zur Erfassung eines Drehmoments, vorzugsweise eines von einem Fahrer ausgeübten Lenkmoments eines Kraftfahrzeugs. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.

Claims

Sensoranordnung (10) zur Erfassung eines Differenzwinkels, mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (24), mit einem Magnetring (22), der mit einer um eine Drehachse (16) drehbaren Welle (12) verbindbar ist, mit einem ferromagnetischen inneren Fluxring (18), der erste Polschuhe (32) aufweist, die in radialer Richtung zur Drehachse (16) verlaufen zum im Wesentlichen radialen Abgriff des Magnetfelds des Magnetrings (22), mit einem ferromagnetischen äußeren Fluxring (20), der zweite Polschuhe (34) aufweist, die in radialer Richtung zur Drehachse (16) verlaufen zum im Wesentlichen radialen Abgriff des Magnetfelds des Magnetrings (22), wobei innerer und äußerer Fluxring (18, 20) drehbar gegenüber dem Magnetring (22) angeordnet sind, wobei dem Sensorelement (24) jeweils ein Magnetfeld über den inneren Fluxring (18) und den äußeren Fluxring (20) zugeführt ist, wobei die Enden der ersten Polschuhe (32) und die Enden der zweiten Polschuhe (34) in derselben Richtung orientiert sind, wobei der innere Fluxring (18) und der äußere Fluxring (20) mit Hilfe eines Verbindungsmittels (26) mit einer Welle (11) verbindbar sind, wobei das Sensorelement (24) über eine rotatorisch gelagerte Kappe (100) gehalten ist, und wobei die Kappe (100) in einem Bereich (107) durch das Verbindungsmittel (26) gelagert ist.
Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der ersten Polschuhe (32) und die Enden der zweiten Polschuhe (34) nach Außen oder nach Innen bezogen auf die Drehachse (16) orientiert sind.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der ersten Polschuhe (32) und die Enden der zweiten Polschuhe (34) im Wesentlichen auf demselben Radius liegen.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Polschuhe (32) und die zweiten Polschuhe (34) ineinander greifen und in derselben Ebene liegen.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensorelement (24) das Magnetfeld unmittelbar, insbesondere ohne weiteres Sammelelement, über den inneren Fluxring (18) und/oder den äußeren Fluxring (20) zugeführt ist, indem der innere und/oder der äußere Fluxring (18, 20) benachbart zu dem Sensorelement (24) angeordnet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (24) radial beabstandet vom Magnetring (22) angeordnet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (24) feststehend relativ zu innerem Fluxring (18) und äußerem Fluxring (20) angeordnet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Polschuhe (32, 34) radial in Richtung der Enden vorzugsweise trapezförmig verjüngen.