DE102014213483A1

DE102014213483A1 - Magnetischer Encoder am Wellenumfang

Info

Publication number: DE102014213483A1
Application number: DE102014213483.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Habig; S. Orcun Yapici; Martin Haverkamp
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2016-01-14
Also published as: WO2016005549A1

Abstract

Positionsgeberelement (10) für einen Sensor (1) zum Erfassen einer Drehung aufweisend – einen Trägerkörper (11) mit zwei axialen Stirnflächen (12, 12b, 12c, 13) und eine die zwei Stirnflächen (12, 12b, 12c, 13) verbindende Umfangsfläche (14, 14b), – mindestens ein Signalelement (20, 20b, 20c), das in mehreren magnetisch voneinander unterschiedlichen Abschnitten codierbar ist, wobei die Abschnitte von einem Sensorelement (51, 52) erfassbar sind, um eine Drehbewegung zu messen, und wobei das Signalelement (20, 20b, 20c) an dem Trägerkörper (11) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalelement (20, 20b, 20c) an der Umfangsfläche (14, 14b) des Trägerkörpers (11) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Positionsgeberelement für einen Sensor zum erfassen einer Drehung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Sensor mit einem Positionsgeberelement.
Aus dem Stand der Technik sind Positionsgeberelemente mit einem Magnetencoder bekannt. Der Magnetencoder ist auf einer Stirnfläche eines Wellenelementes eingearbeitet und dient als Positionsgeber für einen Sensor. Die Anordnung des Magnetencoders auf der Stirnfläche hat dabei den Vorteil, dass der Durchmesser des Magnetencoders variabel im Bereich des Durchmessers der Stirnfläche des Wellenelements eingestellt werden kann. Es hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass die Zentrifugalkräfte bei der Rotation des Wellenelements mechanische Belastungen verursachen, die sich negativ auf die Verbindung zwischen Magnetencoder und Wellenelement oder auf den Magnetencoder selbst auswirken. Ferner hat die Anordnung des Magnetencoders auf der Stirnfläche den Nachteil, dass bei Veränderung der Außentemperatur die Ausdehnung des Wellenelements ungleich der Ausdehnung des Magnetencoders ist, was zu zusätzlichen mechanischen Spannungen führt. In der Praxis wird daher oftmals eine elastische Zwischenschicht zwischen dem Wellenelement und dem Magnetencoder eingebaut, welche die mechanischen Spannungen bzw. Belastungen kompensieren sollen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Sensor bzw. einen Positionsgeberelement aufzuzeigen, das diese Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird gelöst gemäß einem 1. Aspekt der Erfindung mittels eines Positionsgeberelements mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Der Gegenstand der abhängigen Ansprüche wird durch Bezugnahme ausdrücklich zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die während der Nutzung auftretenden typischen mechanischen Belastungen durch Rotation des Trägerkörpers im Bereich der Umfangsfläche wesentlich gleichmäßiger verteilt sind als im Bereich der Stirnfläche. Die Umfangsfläche umfasst dabei den Bereich des Trägerkörpers, der zwischen den beiden Stirnflächen des Trägerkörpers angeordnet ist. Dabei ist es unwesentlich, ob die Umfangsfläche ebenförmig oder konturiert ausgebildet ist. Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Umfangsfläche die gesamte Fläche, welche die beiden Stirnseiten verbindet. Die Anordnung des Signalelements an der Umfangsfläche hat den Vorteil, dass die mechanischen Belastungen durch Ausdehnung des Trägerkörpers an jeder Stelle der Umfangsfläche im Wesentlichen gleichmäßig auftreten und das Signalelement einfacher darauf einstellbar ist. Die Zentrifugalkräfte wirken im Wesentlich gleichmäßig auf der Kontaktfläche bzw. Auflagefläche des Signalelements zum Trägerköper. Des weiteren kann die Auflagefläche des Signalelements an dem Trägerkörper durch die Größe der Umfangsfläche ohne größere Probleme so vergrößert werden kann, so dass sich Druckspitzen leichter vermeiden lassen, als wenn man das Signalelement auf der Stirnfläche des Trägerkörpers anordnen würde. Auch die durch thermische Ausdehnung verursachten Spannungen verteilen sich gleichmäßig über die Auflagefläche des Signalelements am Trägerkörper, so dass das Signalelement einfach an die jeweiligen Belastungen auslegbar ist. Der Nachteil des möglicherweise erhöhten Aufwandes bei der Herstellung des Positionsgeberelements kann durch geeignete Herstellprozesse, wie nachfolgend beschrieben, umgangen werden.
Der Trägerkörper ist üblicherweise als Wellenelement ausgebildet, der an eine sich rotierende Welle befestigt wird. Typischerweise ist der Trägerkörper scheibenförmig geformt. Vorteilhafterweise ist der Trägerkörper als Metallkörper ausgebildet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Trägerkörper somit nicht um eine Welle selbst, sondern einem auf einer Welle oder dgl. anbringbaren Körper. Die Dicke des Trägerkörpers ist dabei so ausgelegt, dass das Signalelement die Umfangsfläche nahezu vollständig bedeckt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Welle selbst den Trägerkörper für das Signalelement darstellt. Das Signalelement würde dann auf der Mantelfläche der Welle angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Signalelement einen Basiskörper und darin gebundene magnetische Partikel. Ein so aufgebautes Signalelement kann besonders einfach auf dem Trägerkörper angeordnet werden.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Material des Basiskörpers einen Elastomer enthält und die magnetischen Partikel mit dem Elastomer verbindbare Magnetpartikel sind. Elastomere eignen sich besonders aufgrund ihrer einfachen Formbarkeit und Elastizität gut als Basiskörper für das Signalelement.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass die magnetischen Partikel in den Basiskörper gesinterte Partikel sind. Auf diese Weise ist eine hohe Beständigkeit des Signalelements erreichbar.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass der Trägerkörper der Basiskörper des Signalements ist bzw. diesen bildet. Anstelle eines separaten Basiskörpers für die Magnetpartikel, werden die Magnetpartikel direkt auf dem Trägerkörper im Bereich der Umfangsfläche aufgebracht. Das Signalelement ist besonders haltbar an dem Trägerkörper befestigt. Die vorgenannten
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Signalelement als eine magnetisierbare Spur ausgebildet ist, die auf der Umfangsfläche des Trägerkörpers aufgetragen ist.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass der Trägerkörper an der Umfangsfläche eine Mulde oder eine Nut aufweist, in welche das Signalelement einlegbar ist. Diese Form der Umfangsfläche eignet sich besonders gut zum Aufnehmen des Signalelements mit einem Basiskörper.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass die Mulde eine U-Form aufweist.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Signalelement als Magnetelement ausgebildet ist, das ein magnetisches Feld erzeugt, dessen magnetische Wirkung sich im Wesentlichen in axialer Richtung des Trägerköpers ausbreitet.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Signalelement eine im Wesentliche U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei das Signalelement in der Nut derart ausgerichtet ist, dass die Öffnung der U-Form radial nach außen gerichtet ist. Die magnetische Wirkung kann durch die Formgebung im Bereich zwischen den Flanken des Signalelements besonders stark ausgebildet werden, so dass auf diese Weise die Signalgüte verbesserbar ist.
Das erfindungsgemäße Positionselement wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Signalelements bzw. dessen Seitenwände im Wesentlichen bündig mit der Umfangsfläche des Trägerkörpers schließend ausgebildet sind.
Die Aufgabe wird ferner gelöst gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung mittels eines Sensors nach dem zweiten unabhängigen Anspruch.
Der erfindungsgemäße Sensor wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Sensorelement eine Leiterplatine aufweist, die kreissegmentförmig ausgebildet ist, wobei der Radius derart gewählt ist, dass ein Randbereich der Leiterplatine mit einem gleichförmigen Abstand zum Signalelement positionierbar ist. Insbesondere in Kombination mit einem U-förmig ausgebildeten Signalelement lässt sich das Sensorelement besonders vorteilhaft zwischen den Flanken des Signalelements und so nah wie möglich am Signalelement positionieren, um eine erhöhte Signalgüte zu erreichen. Ferner ist diese Anordnung besonders platzsparend.
Der erfindungsgemäße Sensor wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass das Sensorelement zwischen den Stirnflächen des Trägerkörpers benachbart zum Signalelement angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Sensor wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass der Sensor mehrere Sensorelemente aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Teilansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors,
2 eine Schnittansicht auf einen Teilquerschnitt des Positionsgeberelements gemäß des ersten Ausführungsbeispiels,
3 eine Schnittansicht auf einen Teilquerschnitt des Positionsgeberelements gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels, und
4 eine Schnittansicht auf einen Teilquerschnitt des Positionsgeberelements gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
1 zeigt die wesentlichen Teile des erfindungsgemäßen Sensors, nämlich einen erfindungsgemäßen Positionsgeberelement 10 sowie zwei auf einer Leiterplatine 50 angeordneten Sensorelemente 51, 52. Die Sensorelemente 51, 52 sind als magnetische Sensorelemente ausgebildet, die die vom Positionsgeberelement vorgegebenen Signale erfassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Positionsgeberelement 10 mit einem Signalelement 11 ausgestatte, das alternierende Magnetpole in einer Ringformation aufweist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Form des Signalelements zu beschränken. Weitere Teile des Sensors, wie bspw. ein Gehäuse, Anschlüsse, usw. wurden zur besseren Darstellung der vorgenannten Elemente aus den Figuren ausgeblendet.
Das Positionsgeberelement 10 weist einen Trägerkörper 11 mit zwei axialen Stirnflächen 12, 13 auf, wobei die zweite Stirnfläche 13 des Trägerkörpers 11 in 1 verdeckt ist. Die Stirnflächen 12 und 13 sind mittels einer Umfangsfläche 14 verbunden, die hier durch das Signalelement 20 größtenteils verdeckt ist. Eine bessere Ansicht auf die Umfangsfläche ist in den 2 bis 4 dargestellt.
Der Trägerkörper 10 ist aus einem metallischen Material gefertigt und ist ringförmig ausgebildet. Auf diese Weise kann der Trägerkörper auf eine Welle oder dgl. angebracht werden. Die Innenumfangsfläche 15 und die Stirnseiten 12, 13 können je nach Bedarf mit einer beliebigen Kontur versehen werden und haben für die Ausführung der Erfindung keinen wesentlichen Einfluss. Wesentlich hingegen ist, dass das Signalelement 20 auf der Außenumfangsfläche bzw. Umfangsfläche 14 des Trägerkörpers 10 angeordnet ist. Die Umfangsfläche ist wie in den 2 bis 4 zu sehen, aufgrund der Mulde 16 zwischen den Stirnflächen konturiert ausgebildet. Das Signalelement 20 ist innerhalb der Mulde 16 angeordnet oder eingearbeitet. Die Tiefe der Mulde ist dabei so ausgebildet, dass es das Signalelement 20 im Wesentlichen vollständig aufnehmen kann und die oberen bzw. radial äußeren Ränder des Signalelements im Wesentlichen bündig zu den radial äußeren Rändern der Umfangsfläche 14 enden. Zwischen dem Signalelement 20 und dem Trägerkörper 11 ergibt sich auf diese Weise eine Kontaktfläche, die im Wesentlichen die gesamte Umfangsfläche 14 abdeckt. Radial nach außen wirkende Kräfte verteilen sich somit gleichmäßig über die Kontaktfläche.
Das Signalelement 20 weist einen Basiskörper 21 auf, in dem magnetische Partikel eingearbeitet sind. Diese können auf unterschiedliche Art und Weise in den Basiskörper 21 eingearbeitet sein. Die in 1 gezeigte Ausführung zeigt einen Basiskörper 21 aus einem Elastomer. Der Basiskörper 21 des Signalelements 20 weist einen im Wesentlichen U-förmig geformten Querschnitt auf, wobei die Öffnung der U-Form in radialer Richtung nach außen zeigt. Die Seitenwände bzw. Flanken des Basiskörpers 21 verlaufen in radialer Richtung und umschließen teilweise einen kleinen Bereich in die die Sensorelemente 51, 52 angeordnet werden können. Die zwei Flanken des Sensorelements 20 ermöglichen es ein Magnetfeld aufzubauen, das bereichsweise in axialer Richtung verläuft, was für die Erfassung der Rotation des Trägerkörpers besonders vorteilhaft ist. Wie in 1 und 2 zu sehen, sind die Sensorelemente derart ausgebildet und positioniert, so dass sie innerhalb des von den Signalelement 20 umschlossenen Bereichs angeordnet sind. Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Leiterplatine 50 kreissegmentförmig ausgebildet ist und der Radius der Leiterplatine in etwa dem Außenradius des Basiskörpers 21 entspricht, so dass ein Randbereich der Leiterplatine mit einem gleichförmigen Abstand zum Signalelement 21 positionierbar ist.
Als Alternative zu den in den 1 und 2 gezeigtem Ausführungsbeispiel ist es denkbar das Signalelement als magnetische Spur oder dgl. direkt auf die Umfangsfläche aufzubringen. Ferner ist es möglich die magnetischen Partikel in die Umfangsfläche des Trägerkörpers durch Sintern anzubringen. Im Hinblick auf die thermischen Spannungen ist es vorteilhaft die Spur auf der Umfangsfläche aufzubringen.
Die 3 und 4 zeigen zwei alternative Ausführungsbeispiele. Die Bezugszeichen identischer Elemente wurden für das zweite und dritte Ausführungsbeispiel beibehalten.
In 3 ist das zweite Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Trägerkörper 11 weist eine Umfangsfläche 14b auf, die in eine offene Stirnfläche 12b fließend übergeht. Die dieser Stirnfläche 12b gegenüber liegende Stirnfläche 13 weist einen größeren Außenradius als die Stirnfläche 12b auf, so dass der Trägerkörper 11 im Bereich der Umfangsfläche 14b ein halboffenes U-Profil aufweist und das Signalelement 20b daran abstützbar ist.
Das Signalelement 20b ist weiterhin im Wesentlichen mit einem U-förmigen Querschnitt ausgebildet, wobei die zur offenen Stirnfläche 12b gewandete Seite des Basiskörpers 21b Signalelements 20b bündig zur offenen Stirnfläche 12b abschließt und auch um eine Abrundung 17 greift, die im Übergang von der Umfangsfläche 14b zur offenen Stirnfläche 12b angeordnet ist. Die offene Stirnfläche 12b wird auf diese Weise durch den Basiskörper 21b erweitert, so dass die Flanken des Basiskörpers 21b weiterhin einen Bereich 16 umschließen, in dem die Sensorelemente 51, 52 anordnenbar sind.
In 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, dass sich mit dem zweiten Ausführungsbeispiel ähnelt. Jedoch ist das Signalelement 20 nun mit einem Basiskörper 21c versehen, das zur offenen Stirnfläche 12b hin auch offen ist. Der Querschnitt des Basiskörpers gleicht daher einer L-Form. Die Sensorelemente 51, 52 sind benachbart zu der radial verlaufenden Flanke des Basiskörpers 21c angeordnet.
Das halboffene Profil des Trägerkörpers 11 ermöglicht eine einfachere Anbringung des Signalelements 20b, 20c an den Trägerkörper. Das dritte Ausführungsbeispiel bietet zudem den Vorteil, dass die Positionierung der Sensorelemente 51, 52 benachbart zu Signalelement 20c auch unter engen Bauraumbedigungen einfacher möglich ist.

Claims

Positionsgeberelement (10) für einen Sensor (1) zum Erfassen einer Drehung aufweisend – einen Trägerkörper (11) mit zwei axialen Stirnflächen (12, 12b, 2c, 13) und eine die zwei Stirnflächen (12, 12b, 12c, 13) verbindende Umfangsfläche (14, 14b), – mindestens ein Signalelement (20, 20b, 20c), das in mehreren magnetisch voneinander unterschiedlichen Abschnitten codierbar ist, wobei die Abschnitte von einem Sensorelement (51, 52) erfassbar sind, um eine Drehbewegung zu messen, und wobei das Signalelement (20, 20b, 20c) an dem Trägerkörper (11) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalelement (20, 20b, 20c) an der Umfangsfläche (14, 14b) des Trägerkörpers (11) angeordnet ist.
Element (10) nach einem dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalelement einen Basiskörper (21, 21b, 21c) und darin gebundene magnetische Partikel aufweist.
Element (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Basiskörpers (21, 21b, 21c) einen Elastomer enthält und die magnetischen Partikel mit dem Elastomer verbindbare Magnetpartikel sind.
Element (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Partikel in den Basiskörper (21, 21b, 21c) gesinterte Partikel sind.
Element (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (11) der Basiskörper des Signalements ist.
Element (10) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalelement als eine magnetisierbare Spur ausgebildet ist, die auf der Umfangsfläche (14, 14b) des Trägerkörpers (11) aufgetragen ist.
Element (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (11) an der Umfangsfläche (14, 14b) eine Mulde oder eine Nut aufweist, in welche das Signalelement einlegbar ist.
Element (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde eine U-Form aufweist.
Element (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalelement (20, 20b, 20c) als Magnetelement ausgebildet ist, das ein magnetisches Feld erzeugt, dessen magnetische Wirkung sich im Wesentlichen in axialer Richtung (A) des Trägerkörpers ausbreitet.
Element (10) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalelement (20, 20b, 20c), eine im Wesentliche U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei das Signalelement (20, 20b, 20c), in der Nut derart ausgerichtet ist, dass die Öffnung der U-Form radial nach außen gerichtet ist.
Element (10) nach einem Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalelement (20, 20b, 20c), im Wesentlichen bündig mit den Stirnflächen (12, 12b, 13) des Trägerkörpers (11) schließend ausgebildet sind.
Sensor (1) mit einem Positionsgeberelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und mindestens einem Sensorelement (51, 52) zum Erfassen der vom Positionsgeberelement (10) vorgegebenen Signale.
Sensor (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (51, 52) eine Leiterplatine (50) aufweist, die kreissegmentförmig ausgebildet ist, wobei der Radius derart gewählt ist, dass ein Randbereich der Leiterplatine (50) mit einem gleichförmigen Abstand zum Signalelement (20, 20b, 20c) positionierbar ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (51, 52) zwischen der Stirnflächen (12, 12b, 13) des Trägerkörpers (11) benachbart zum Signalelement (20, 20b, 20c) angeordnet ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mehrere Sensorelemente (51, 52) aufweist.