DE19953190C2

DE19953190C2 - Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE19953190C2
Application number: DE1999153190
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: DE19953190A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Teils, insbesondere zur Erfassung sowohl des inkrementellen als auch des absoluten Drehwinkels.

Es ist aus der DE 195 43 562 A1 eine Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung bekannt, bei der eine drehbare Welle an ihrem Ende einen Dauermagneten als mitdrehendes Teil trägt. Die magnetischen Feldlinien des Magneten verlaufen hierbei durch ein Gehäuseteil, das eine ortsfeste Sensoranordnung, bestehend aus zwei gegeneinander um 90° versetzten Hallsensoren, trägt. Die Richtungskomponenten der Feldlinien verursachen bei der bekannten Anordnung spezifische Ausgangssignale der beiden Hallsensoren, wodurch sowohl die absolute Drehlage als auch eine Änderung der Drehlage um eine beliebige Winkeländerung mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden kann.

Beispielsweise werden für wichtige elektronische Systeme in einem Kraftfahrzeug kleine und kompaktbauende inkre mentelle Winkelsensor benötigt. Zum Beispiel zur Erfas sung des auf eine Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges wir kenden Drehmomentes während der Drehung des Lenkrades müssen sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrich tungen des Lenkrades gemessen werden. Für eine Vielzahl von elektronisch kommutierten Motoren wird ein inkremen teller oder auch oft ein absoluter Winkelwert benötigt, um den Motor auf die Phasenein- bzw. Phasenausschaltwin kel optimal einzustellen oder auch in einen vorbestimmten Winkel zu stellen.

Viele solcher kompaktbauenden Kommutierungs-Winkel sensoren basieren auf den eingangs erwähnten Hallelemen ten oder -schaltern, die von einem magnetischen Impuls ring angesteuert werden und so ein digitales Winkelinkre ment oder mit zwei Sensoren auch zwei um 90° verschobene Rechtecksignale zu gewinnen, aus denen dann sowohl die Drehrichtung als auch eine vierfache Auflösung, gegenüber dem Einzelsensor, ableitbar ist. Der Nachteil dieser be kannten Ausführung besteht vor allem darin, dass pro Ka nal ein Sensor und eine Leitung benötigt wird und die ab solute Genauigkeit stark vom Impulsring abhängt. Da rüber hinaus wirken sich die mechanischen Positionstoleranzen zwischen dem Magneten und dem Impulsrad als drehendes Element negativ auf die Genauigkeit aus.

Für unkritische Umweltbedingungen werden oftmals auch in krementale optische Zweikanallösungen verwendet, die bei spielsweise zwischen 16 bis 18000 Inkremente pro Umdre hung liefern können. Der Nachteil der optischen Sensoren liegt in der Verschmutzung oder auch Betauung der optischen Strecke sowie in der Degradation der Leuchtdioden.

Im JP-Abstract zur JP 62-21 5880 A2 wird ein magnetostriktiver Draht beschrieben, in dem bei angelegtem magnetischen Feld eine Spannung entsteht. Hier wird nicht das Magnetfeld gemessen, sondern der Draht reagiert mit Dehnung auf das angelegte Magnetfeld. Der Draht ist in einem Zickzackmuster angeordnet. Hinweise auf eine sternförmige Ausbildung und eine Verwendung bei anderen Meßprinzipien finden sich nicht.

In der DE 195 32 674 C1 ist ein unter Verwendung von Giant- Magneto-Widerstandsmaterialien mit isotropen magnetoresistiven Effekt (GMR-Sensor) arbeitender Drehwinkelgeber beschrieben. Hier sind zwei unter einem vorgegebenen Winkel angeordnete Halbbrücken miteinander verschaltet. Auch hier sind keine Hinweise auf eine sternförmige Anordnung und auf das Messprinzip des GMI- Sensors gegeben.

Im JP-Abstract zu JP 9-126711 A2 wird eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels beschrieben, die einen auf einem drehenden Teil angeordneten Magneten und einem ortsfesten magnetfeldempfindlichen MI-Sensor, bei dem unter Ausnutzung des Magneto-Impedanz-Effekts in einer Leiterbahn eine Impedanzänderung auftritt, aufweist. Hinweise auf eine besondere Anordnung der Leiterbahnen und der damit verbundenen Verbesserungen sind nicht zu entnehmen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels unter Verwendung eines GMI-Sensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei dem die Leiterbahnen des GMI- Sensors Mäandersegmente bildet und in der beanspruchten Weise sternförmig geführt sind hat den Vorteil, daß sie auf einfache Weise durch eine leichte Variation der geometrischen Anordnung an verschiedene Meßbereiche anpassbar ist. Der Winkel kann dabei inkremental und auch absolut berührungslos abgegriffen werden. Ein guter Nullpunkt und eine gute Temperaturstabilität ist bei diesem Messprinzip ebenfalls gegeben, wobei nur eine einfache Auswerteschaltung und ein Zweidrahtanschluß für die Leiterbahnen notwendig ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind in den Unteransprüchen angegeben. Insbesondere für eine absolute Erfassung der Winkellage ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Mäandersegment eine relativ zu den anderen größere Länge aufweist, da die absolute Größe der Impedanzänderung abhängig ist von der Länge des jeweils zum Impedanzsprung führenden Mändersegments. Somit kann neben der genauen Inkrementposition auch eine absolute Kodierung des Inkrements auf dem Drehkreis über die Länge des jeweiligen Mäandersegments festgelegt werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipansicht einer rotierenden Welle mit einem Magneten und einem GMI-Sensor in einem Ge häuse in Schnittansicht;

Fig. 2 drei Beispiele einer mäanderförmigen Anord nung von Leiterbahnen zur Auswertung von Impedanz sprüngen durch die Drehung des Magneten und

Fig. 3 ein Diagramm der resultierenden Impedanz in Abhängigkeit vom Drehwinkel des drehenden Teils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine rotierende Welle 1 als sich um den Winkel α drehendes Teil gezeigt, auf der ein Permanentma gnet 2 in der dargestellten Richtung des Nord- und des Südpols N bzw. S angeordnet ist. Feldlinien 3 des Magneten 2 schneiden dabei eine Sensoranordnung 4, die in einem Gehäuse 5 angeordnet ist. Die Sensoranordnung 4 besteht aus einem GMI-Sensor 5 und einer hier nicht näher erläu terten, an sich bekannten Auswerteschaltung 6.

Aus Fig. 2 sind drei mögliche geometrische Anordnungen des GMI-Sensors 5 ersichtlich, wobei der GMI-Sensor 5 aus einem amorphen Draht 7, bzw. einer Leiterbahn in Dünn schichttechnik auf einem Siliziumsubstrat, besteht, der in bestimmten Mäandersegmenten zwischen Bondpunkten 8 und 9 positioniert ist. Hierdurch entsteht eine sternförmige Mäanderanordnung, deren Segmente in der linken Darstel lung in einem 90° Abstand auf dem Drehkreis verteilt sind; im mittleren beträgt der Abstand 60° und im rechten Teil 30°.

Während einer Drehung des drehenden Teils 1 nach der Fig. 1 um den Winkel α erhält man bei bestimmten Ausrich tungen des Permanentmagneten 2 während der Drehung einen auswertbaren Impedanzsprung im Draht 7, welcher mit An schlussdrähten 10 und 11 an die Auswerteschaltung 6 ange schlossen ist. In einem Diagramm nach Fig. 3 ist die Im pedanz des Drahtes 7 (Kurve 12) in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α des drehenden Teils 1 dargestellt. Die Impe danzsprünge treten hierbei jeweils in einem 45° Abstand auf. Der Draht des GMI-Sensors 5 ist die beschriebene Messung unter 50°, 95° und 140° angebracht. Somit ergeben sich drei Impedanzsprünge bei 50° bzw. 230°, 95° bzw. 275° und 140° bzw. 320°. Da in Richtung 5° kein Draht an gebracht ist, fehlt hier der Impedanzsprung bei 5° bzw. bei 185°.

Claims

1. Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels, mit
mindestens einem auf einem drehenden Teil (1) angeordneten Magneten (2) und mit mindestens eines ortsfesten magnetfeldempfindlichen Sensor (5) wobei der
mindestens eine magnetfeldempfindliche Sensor ein GMI-Sensor (5) ist, bei dem unter Ausnutzung des Giant Magneto Impedance Effekts in einer Leiterbahn (7) eine Impedanzänderung auftritt, wenn sich die Feldstärke des magnetischen Feldes im Bereich des GMI-Sensors (5) ändert, wobei
die Leiterbahn (7) des GMI-Sensors (5) Mäandersegmente bildet, die jeweils vom Bereich der Drehachse des drehenden Teils (1) mindestens einmal sternförmig zu einem in einem vorgegebenen Abstand liegenden Punkt (9) geführt sind und wobei
bei einer Vielzahl von Mäandersegmenten diese über den Drehkreis des drehenden Teils (1) so verteilt sind, dass sich im GMI-Sensor (5) ein inkrementaler Winkelimpuls durch die Impedanzänderung aufgrund einer Drehung des drehbaren Teils (1) mit dem Magneten (2) ergibt.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sternförmigen Mäandersegmente über den Drehkreis in einem Winkelabstand von 180°, 90°, 45° oder in einem sonstigen mit einem vielfachen Teiler verkleinerten Winkelabstand verteilt sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sternförmigen Mäandersegmente über den Drehkreis in einem Winkelabstand von 120°, 60°, 30° oder in einem sonstigen mit einem vielfachen Teiler verkleinerten Winkelabstand verteilt sind.

4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der sternförmigen Mäandersegmente eine relativ zu den anderen größere Länge aufweist.

5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den in einem regelmäßigen Winkelabstand angeordneten sternförmigen Mäandersegmente weitere einzelne Mäandersegmente auf dem Drehkreis des drehbaren Teils (1) angeordnet sind.

6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der GMI-Sensor (5) aus einem amorphen Draht (7) aufgebaut ist.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der GMI-Sensor (5) aus einer amorphen Leiterbahn (7) aufgebaut ist, die in Dünnschichttechnik auf einem Substrat angebracht ist.