DE102018217283A1

DE102018217283A1 - Winkelsensor

Info

Publication number: DE102018217283A1
Application number: DE102018217283.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Brüggemann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor (16) zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel (18) abhängigen Ausgangssignals umfassend eine um ihre Drehachse (37) drehbar gelagerte Welle (38), einen drehfest an einem axialen Ende (39) der Welle (38) befestigten Permanentmagnet (30) zum Abgeben eines magnetischen Messfeldes (32) und ein zum Permanentmagnet (30) mit einem Luftspalt (31) beabstandet angeordnetes Sensorelement (28) zum Erfassen des magnetischen Messfelds (32), wobei das Sensorelement (28) in einem relativ zur Drehachse (37) durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten (30) beschränkten Bereich angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet (30) eine bezüglich der Drehachse (37) axiale Magnetisierung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines Winkelsensors.
Aus der WO 2006 / 029 946 A1 ist ein Sensor mit einem Feldgeberelement in Form eines diametral magnetisierten, zylindrischen Permanentmagneten und einem Sensorelement mit zugehöriger Auswertschaltung zur Erfassung eines vom Permanentmagneten abgegebenen Magnetfeldes bekannt. Der Permanentmagnet kann über einen zu erfassenden Weg, wie beispielsweise einen Drehwinkel bewegt werden, wobei das Sensorelement den Drehwinkel basierend auf dem vom Gebermagneten abgegebenen Magnetfeld erfasst und in einem Ausgabesignal ausgibt. Derartige Winkelsensoren können in Zusammenwirkung mit entsprechenden Gelenkstangen als Höhenstandssensor zur Erfassung des Abstands zwischen einer Fahrzeugkarosserie und einem Radträger eingesetzt werden.
Die bei solchen Sensoren verwendeten diametral magnetisierten Permanentmagnete erzeugen während ihrer Umdrehung einen sinusförmigen Flussdichteverlauf, der sich präzise und einfach messen lässt. Die gilt jedoch nur für einen Durchmesserbereich, der etwa einem Drittel des Gesamtdurchmessers des zylindrischen Magneten entspricht. Bei der Messung wird also ein Großteil des Magnets nicht genutzt. Andererseits müssen, um in axialer Richtung für die Messung ein Magnetfeld mit ausreichender Stärke nutzen zu können, hochwertige Permanentmagnete mit seltenen Erden verwendet werden, weshalb der nicht genutzte Teil des Magnets die Gegenüberstellung von Kosten und Nutzen besonders negativ beeinflusst.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Winkelsensor anzugeben, der kostengünstig und / oder effizient ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Ansprüche werden durch ausdrückliche Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht.
Erfindungsgemäß umfasst ein Winkelsensor zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals eine um ihre Drehachse drehbar gelagerte Welle, einen drehfest an einem axialen Ende der Welle befestigten Permanentmagnet zum Abgeben eines magnetischen Messfeldes und ein zum Permanentmagnet mit einem Luftspalt beabstandet angeordnetes Sensorelement zum Erfassen des magnetischen Messfelds, wobei das Sensorelement in einem relativ zur Drehachse durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten beschränkten Bereich angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet eine bezüglich der Drehachse axiale Magnetisierung aufweist. Der Permanentmagnet weist mit anderen Worten eine Magnetisierung auf, deren Pole parallel zur Richtung der Drehachse angeordnet sind. Die axial ausgerichtete Magnetisierung bewirkt, dass der Permanentmagnet einen geringen Durchmesser aufweisen kann, wodurch Magnetmaterial und somit Kosten eingespart werden können.
Das Sensorelement ist in einem relativ zur Drehachse durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten beschränkten Bereich angeordnet. Mit anderen Worten ist das Sensorelement senkrecht unterhalb der Stirnfläche des Permanentmagneten angeordnet bzw. in dem Bereich, der einer axialen Verlängerung des Permanentmagneten entspricht.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Hall-Sensor.
Alternativ können auch mehrere Sensorelemente verwendet werden, die ebenfalls in diesem Bereich angeordnet sind. Insbesondere können vier Sensorelemente verwendet werden, die mittels einer Arctan-Berechnung eine über 360° eindeutige Messung gewährleisten.
Es ist bevorzugt, dass der Permanentmagnet an der dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite eine unebene Kontur aufweist, so dass der Luftspalt in Abhängigkeit des Drehwinkels veränderlich ist, insbesondere gemäß eines sinusförmigen Verlaufs veränderlich ist. Der veränderliche Luftspalt ist vorzugsweise in Abhängigkeit des Drehwinkels als kürzester Abstand zwischen dem Permanentmagnet und dem Sensorelement definiert. Die unebene Kontur bewirkt, dass der Luftspalt und damit die gemessene Flussdichte mit dem Drehwinkel variiert, so dass die Flussdichte ein Maß für den Drehwinkel ist.
Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Permanentmagnet ein Ferrit-Magnet ist und insbesondere keine seltenen Erden, wie beispielsweise Neodym, Lanthan, Yttrium, Dysprosium, Terbium oder Praseodym aufweist. Zwar ist die Leistungsfähigkeit eines Ferrit-Magnets geringer als die eines Magnets mit seltenen Erden, jedoch erlaubt die erfindungsgemäße Ausführung des Winkelsensors den Einsatz eines Magnets mit einem deutlich schwächeren Feld. Somit reduzieren sich die Kosten für den Magnet und für den Winkelsensor insgesamt.
Vorzugsweise ist der Permanentmagnet ein kunststoffgebundener, gespritzter oder gepresster Magnet. Gespritzte bzw. gepresste Magnete entstehen als Verbundwerkstoffe durch Einbettung von beispielsweise Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver in thermoplastische Kunststoffe. Dabei bestimmen die Mengenanteile des Magnetpulvers die magnetischen und mechanischen Eigenschaften. Kunststoffgebundene, gespritzte Magnete sind verglichen mit kunststoffgebunden gepressten Magneten elastischer, weisen jedoch meist geringere magnetische Werte auf.
Es ist bevorzugt, dass der Permanentmagnet wenigstens zwei Teilmagnete mit in Richtung der Drehachse gegensätzlichen axialen Magnetisierungen aufweist.
Die Teilmagnete sind bezüglich der Drehachse bevorzugt achsensymmetrisch angeordnet und ausgebildet. Entsprechend ist beispielsweise ein Teilmagnet mit einer Nord-Süd-Magnetisierung in Richtung parallel zur Drehachse radial benachbart zu einem Teilmagnet angeordnet, der eine Süd-Nord-Magnetisierung in Richtung parallel zur Drehachse aufweist. Die Stirnseite des durch die Teilmagnete gebildeten Permanentmagneten weist also einen magnetischen Nord- und einen Südpol auf.
Es ist bevorzugt, dass die Teilmagnete aneinander anliegen und insbesondere einteilig, beispielsweise als ein kunststoffgebundener, gespritzter oder gepresster Magnet, ausgebildet sind.
Die Teilmagnete an der dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite bzw. der Stirnseite des Permanentmagneten weisen bevorzugt jeweils eine hügelförmige Ausformung in axialer Richtung auf. Somit lässt sich durch entsprechende Dimensionierung der hügelförmigen Ausformung eine unebene Kontur bereitstellen, so dass der Luftspalt in Abhängigkeit des Drehwinkels veränderlich ist und ein klares, präzises Messsignal ermöglicht.
Es ist bevorzugt, dass das Sensorelement dazu ausgebildet ist, das magnetische Messfeld anhand dessen magnetischer Flussdichte zu erfassen.
Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Permanentmagnet, eine im Wesentlichen zylindrische Außenwand aufweist. Mit anderen Worten weist er über alle Drehwinkel um die Drehachse einen konstanten Radius auf.
Vorzugsweise ist das Sensorelement mit einer Auswerteschaltung elektrisch verbunden, wobei die Auswerteschaltung zum Erzeugen eines Ausgabesignals basierend auf dem sich mit dem Drehwinkel verändernden magnetischen Messfeld ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals eingerichteten Winkelsensors, insbesondere einem der vorstehend angegebenen Winkelsensoren, die Schritte Bereitstellen einer um ihre Drehachse drehbar gelagerte Welle, Anspritzen eines zum Ausgeben eines magnetischen Messfeldes eingerichteten Permanentmagneten an ein axiales Ende der Welle so dass der Permanentmagnet eine bezüglich der Drehachse axiale Magnetisierung aufweist, und Anordnen eines Sensorelements so dass das Sensorelement in einem relativ zur Drehachse durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten beschränkten Bereich angeordnet ist.
In einer Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Ausbilden einer Verdrehsicherung am axialen Ende vor dem Anspritzen des Permanentmagneten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Winkelsensor zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel abhängigen Ausgangssignals nach einem der angegebenen Verfahren hergestellt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in schematischer Darstellung

1 einen Winkelsensor, ausgebildet als Höhenstandssensor zum Erfassen eines Weges zwischen einem Rad und einem Fahrwerk in einem Fahrzeug,
2 einen Teil einer Welle in einer teilweisen Schnittdarstellung, in die ein Permanentmagnet für den Winkelsensor der 1 anspritzbar ist,
3 in einer teilweisen Schnittdarstellung den Teil der Welle aus 2, an die der Permanentmagnet für den Winkelsensor der 1 angespritzt ist.

In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die einen als Höhenstandssensor ausgebildeten Winkelsensor 16 zeigt. Ein solcher Höhenstandssensor kann beispielsweise im Rahmen eines Fahrwerksregelsystem eingesetzt werden, bei dem Hub-, Nick und Wankbewegungen eines Chassis gegenüber einer Straße, auf der ortsfest Räder des Fahrzeuges in einer Hochachse ortsfest rollen minimiert werden, um die Fahreigenschaften des Fahrzeugs beim Fahren in einer Fahrtrichtung zu verbessern. Dazu weist das Fahrwerksregelsystem in einer beispielsweise aus der DE 10 2005 060 173 A1 bekannten Weise eine Steuervorrichtung auf, die in der vorliegenden Ausführung aus an jedem Rad angeordneten Winkelsensoren Drehwinkel empfängt, die eine relative Lage des entsprechenden Rades gegenüber dem Chassis beschreiben.
Der Winkelsensor 16 weist in der vorliegenden Ausführung ein in der Hochachse ortsfest mit dem Chassis verbindbares Schaltungsgehäuse 26 auf. Dazu sind an dem Schaltungsgehäuse 26 nicht weiter sichtbare Befestigungsbohrungen 27 ausgebildet, durch das ein nicht weiter gezeigtes Befestigungsmittel, wie beispielsweise eine Schraube geführt werden kann. In dem Schaltungsgehäuse 26 ist eine Auswerteschaltung 28 eingehaust, die von einem noch zu beschreibenden Geberelement in Form eines Permanentmagneten 30 ein physikalisches Feld in Form eines Magnetfeldes 32 empfängt. Der Magnet 30 ist dabei von der Auswerteschaltung 28 mit einem Luftspalt 31 beanstandet, der in der vorliegenden Ausführung vom Drehwinkel 18 abhängig ist. Durch eine Durchgangsöffnung 34 des Schaltungsgehäuses 26 ist eine um eine Drehachse 37 drehbare Geberwelle 38 aufgenommen, an der der Magnet 30 an einem axialen Ende 39 gehalten ist. Vom dem dem Magneten 30 gegenüberliegenden axialen Ende 40 des Gebergehäuses 38 ragt rechtwinklig ein Hebel 41 ab, an dessen radialem Ende eine Befestigungsbohrung 42 ausgebildet ist, an der der Winkelsensor 16 in der Hochachse ortsfest mit einem der Räder verbindbar ist.
Bewegt sich das entsprechende Rad in der Hochachse gegenüber dem Chassis, so bewegt das Rad auch den Hebel 41 und verdreht damit die Geberwelle 38 gegenüber dem Schaltungsgehäuse 26 mit dem zu übertragenden Drehwinkel 16. Damit bewegt sich auch Magnetfeld 32 gegenüber der Auswerteschaltung 28 mit dem Drehwinkel 18. Das sich bewegende Magnetfeld 32 ändert sich damit in Abhängigkeit des Drehwinkels 18 gegenüber der Auswerteschaltung 28 in seiner magnetischen Feldstärke bzw. Flussdichte, was von der Auswerteschaltung 28 messtechnisch beispielsweise über ein an sich bekanntes Hall-Element in der Auswerteschaltung 28 erfasst und an einer Ausgabeschnittstelle 46 in einem den Drehwinkel 18 tragenden nicht weiter dargestellten Ausgangssignal an eine Steuervorrichtung übertragen werden kann.
Der Permanentmagnet 30 kann an das axiale Ende 39 der Geberwelle 38 angespritzt sein. Dazu wird zunächst auf die 2 Bezug genommen, in der die Geberwelle 38 in einem Zustand gezeigt ist, bevor der Magnet 30 an die Geberwelle 38 angespritzt ist.
Am axialen Ende 39 der Geberwelle 38 ist in der vorliegenden Ausführung ein elliptisches und ausgehöltes Halteelement 62 ausgebildet, in dem zwei Wände 64 aufgenommen sind, die als Verdrehsicherung für den Magneten 30 dienen sollen.
In dieses ausgehölte Halteelement 62 wird ein magnetischer Werkstoff eingespritzt. Als magnetischer Werkstoff kann beispielsweise als Füllstoff ein Kunststoff wie Polyamid, Polyphenylensulfid oder ähnliches verwendet werden. In diesen Kunststoff kann ein Magnetpulver, beispielsweise auf Hartferritbasis oder auf NdFeB-Basis eingebettet sein. Die Magnetisierung des eingespritzten Materials kann dabei direkt bei der Einspritzung oder danach erfolgen, wenn der Einspritzvorgang bereits abgeschlossen ist.
Alternativ kann am axialen Ende 39 der Geberwelle 38 ein vorab beispielsweise durch Sintern hergestellter Magnet zum Beispiel durch Kleben befestigt werden.
In 3 ist ein Beispiel für einen angespritzten Magneten 30 gezeigt, in dem der Permanentmagnet 30 zwei achsensymmetrisch zur Drehachse angeordnete und ausgebildete Teilmagnete 30a, 30b mit in Richtung der Drehachse 37 gegensätzlichen axialen Magnetisierungen aufweist. Die beiden Magnetisierungen sind durch ein N für den Nordpol bzw. durch ein S für den Südpol verdeutlicht.
Der Permanentmagnet 30 weist an der Stirnseite, die dem Sensorelement gegenüber liegt, eine unebene Kontur auf, so dass der Luftspalt 31 in Abhängigkeit des Drehwinkels 18 gemäß einem sinusförmigen Verlauf veränderlich ist. Dazu weist in diesem Ausführungsbeispiel jeder der Teilmagnete 30a, 30b jeweils eine hügelförmige Ausformung in axialer Richtung auf. Die hügelförmigen Ausformungen sind dabei so ausgebildet, dass bei Drehung der Welle 38 mit dem Permanentmagnet 30 die am Sensorelement vorbeiziehenden Ausformungen eine sinusförmige Veränderung des Lufspalts 31 bewirken und somit Aufschluss über den Drehwinkel 18 geben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005060173 A1 [0025]

Claims

Winkelsensor (16) zur Ausgabe eines von einem Drehwinkel (18) abhängigen Ausgangssignals umfassend - eine um ihre Drehachse (37) drehbar gelagerte Welle (38), - einen drehfest an einem axialen Ende (39) der Welle (38) befestigten Permanentmagnet (30) zum Abgeben eines magnetischen Messfeldes (32) und - ein zum Permanentmagnet (30) mit einem Luftspalt (31) beabstandet angeordnetes Sensorelement (28) zum Erfassen des magnetischen Messfelds (32), wobei das Sensorelement (28) in einem relativ zur Drehachse (37) durch das radiale Ausmaß des Permanentmagneten (30) beschränkten Bereich angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet (30) eine bezüglich der Drehachse (37) axiale Magnetisierung aufweist.
Winkelsensor (16) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (30) an der dem Sensorelement (28) gegenüberliegenden Seite eine unebene Kontur aufweist, so dass der Luftspalt (31) in Abhängigkeit des Drehwinkels (18) veränderlich ist, insbesondere gemäß eines sinusförmigen Verlaufs veränderlich ist.
Winkelsensor (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (30) ein Ferrit-Magnet ist.
Winkelsensor (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (30) ein kunststoffgebundener, gespritzter oder gepresster Magnet ist.
Winkelsensor (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (30) zwei Teilmagnete (30a, 30b) mit in Richtung der Drehachse (37) gegensätzlichen axialen Magnetisierungen aufweist.
Winkelsensor (16) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmagnete (30a, 30b) bezüglich der Drehachse (37) achsensymmetrisch angeordnet und ausgebildet sind.
Winkelsensor (16) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmagnete (30a, 30b) aneinander anliegen und insbesondere einteilig ausgebildet sind.
Winkelsensor (16) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmagnete (30a, 30b) an der dem Sensorelement (28) gegenüberliegenden Seite jeweils eine hügelförmige Ausformung in axialer Richtung aufweisen.
Winkelsensor (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (28) dazu ausgebildet ist, das magnetische Messfeld (32) anhand dessen magnetischer Flussdichte zu erfassen.
Winkelsensor (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (30), eine im Wesentlichen zylindrische Außenwand aufweist.
Winkelsensor (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (28) mit einer Auswerteschaltung (28) elektrisch verbunden ist, wobei die Auswerteschaltung (28) zum Erzeugen eines Ausgabesignals basierend auf dem sich mit dem Drehwinkel (18) verändernden magnetischen Messfeld (32) ausgebildet ist.