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Dokumentenidentifikation DE102005040168A1 01.03.2007
Titel Sensoranordnung
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Welsch, Wolfgang, 69121 Heidelberg, DE;
Moerbe, Matthias, 74360 Ilsfeld, DE;
Bauer, Christian, 71701 Schwieberdingen, DE
DE-Anmeldedatum 25.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005040168
Offenlegungstag 01.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse G01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01D 5/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01R 33/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01R 33/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01B 7/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine Sensoranordnung zur Auswertung der Signale eines magnetempfindlichen Sensors vorgeschlagen, bei dem die durch ein bewegtes Geberelement 10 verursachten Magnetfeldänderungen durch Differenzbildung ausgewertet werden. Das Geberelement 10 weist eine Vielzahl magnetischer Pole 14, 16 auf. Es ist ein weichmagnetisches Sammelelement 18, 20 vorgesehen, das das Magnetfeld zumindest zweier gleichartiger magnetischer Pole 14, 16 abgreift und dem Sensorelement 22 zuführt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der DE 10357147 A1 ist bereits eine Magnetsensoranordnung zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements bekannt, bei der die durch ein bewegtes Geberelement verursachten Magnetfeldänderungen und die dadurch bewirkten Schaltflanken auswertbar sind. Bei einer Vorbeibewegung des mit Permanentenmagneten versehenen Geberelements am ortsfesten Sensorelement wird ein Ausgangssignal zur Erzeugung der Schaltflanken bewirkt. Hierbei ist ein Feldverstärker vorgesehen, vorzugsweise ein weichmagnetisches Element, das an der dem Geberelement abgewandten Seite hinter dem Sensorelement angeordnet ist, um am Ort der Messung die Messempfindlichkeit durch Fokussierung des Feldes zu erhöhen.

Aus der EP 1424541 A2 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments bekannt, wobei die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist und die beiden Wellenabschnitte gegeneinander verdrehbar sind. Den ersten Wellenabschnitt umgibt ein mit diesem verbundener Multipol-Magnetring. An einem zweiten Wellenabschnitt ist ein Statorhalter befestigt, wobei am Statorhalter zwei Statorelemente befestigt sind und jedes Statorelement in axialer Richtung abragende Finger aufweist, wobei die Finger den zwischen den Polen des Magnetringes vorhandenen Lücken zugeordnet sind. Bei dieser Anordnung wird jedoch kein Differenzsignal des erfassten Magnetfeldes gebildet. Während sich die EP 1424541 A2 auf die Bestimmung eines Drehmoments (Kleinwinkelmessung), zielt vorliegende Erfindung auf die Erfassung einer Bewegung (Inkrementalmessung) ab. Somit unterscheidet sich das Anwendungsgebiet grundsätzlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Signalauswertung zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass das weichmagnetische Sammelelement, das das Magnetfeld zumindest zweier gleichartiger magnetischer Pole abgreift und dem Sensorelement zuführt, eine Entkopplung der Geometrie des Geberelements und des Sensorelements zulässt. Die weichmagnetischen Sammelelemente sammeln den magnetischen Fluss der jeweiligen Nord- beziehungsweise Südpole, vorzugsweise eines Multipolrings und führen ihn an einer solchen Stelle dem auf Differenzbildung basierenden Sensorelement zu, sodass die zwei magnetfeldempfindlichen Zellen des Sensorlelements immer um 180° phasenverschobene magnetische Flussdichtesignale erfahren. Somit ist die Phasenlage unabhängig von der jeweiligen Pollänge des Multipolgeberelements, da die Anpassung über die weichmagnetischen Sammelelemente erfolgt. Dadurch können mit einem einzigen Differenz-Sensorelement (beispielsweise ein Differenz-Hall-IC) bei festem Sensorzellenabstand verschiedenste Polteilungen abgedeckt werden. Einen zusätzlichen Vorteil bildet die Reduzierung des Teilungsfehlers (d. h. die Abweichung der realen Schaltpunkte des Sensorelements vom Idealwert des Multipol-Gebers) durch die Mittelung der magnetischen Flussdichte über mehrere Pole.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sammelelemente als Kammstruktur ausgeführt werden. Die Abstände der Kammfortsätze können dabei individuell an das jeweilige Geberelement angepasst werden. Somit kann für eine verschiedene Anzahl von Multipolpaaren wie auch für unterschiedliche Leseradien am Multipolrad immer das gleiche Sensorelement mit einem festen Zellenabstand der beiden magnetempfindlichen Zeilen benutzt werden. Die Phasenlage der magnetischen Flussdichtesignale an den beiden magnetempfindlichen Zellen kann dabei immer auf 180° (Optimum) eingestellt werden. So erhält man stets das maximal mögliche Differenzsignal der beiden magnetempfindlichen Zellen. Durch die Vielzahl an Kammfortsätzen entsteht ein Sammeleffekt, der zu einer Signalerhöhung führt. Gleichzeitig bewirkt die Sammelung des magnetischen Flusses von mehreren Polen einen Mittelungseffekt und somit eine Reduktion des Teilungsfehlers. Durch diese Mittelung können Magnetfeldinhomogenitäten und Längenunterschiede bei den Pollängen ausgeglichen werden. Damit lässt sich sowohl der Einzel- als auch der Summenteilungsfehler (vorzeichengenaue Summierung der Einzelteilungsfehler am jeweiligen Schaltpunkt) reduzieren.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Rückschlusselement und/oder eine ferromagnetische Struktur des Sensorelements vorgesehen ist, um den Luftspalt zwischen Abgriffstruktur und Rückschluss zu minimieren. Dadurch wird die Signalauswertung weiter verbessert.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Es zeigen:

Die 1 ein Modell eines axialmagnetisierten Multipolrads mit Nordpol, Südpol und Innenring sowie weichmagnetischen Abnehmern, die als Halbkreise ausgeführt sind,

2 ein Ausschnitt aus der Anordnung der 1 zur genaueren Darstellung der Anordnung des Sensorelements mit Rückschlusselement, sowie

3 den winkelabhängigen Signalverlauf der von den beiden magnetempfindlichen Zellen erfassten magnetischen Flussdichte B sowie das daraus abgeleitete Differenzsignal.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Ein Geberelement 10 besteht aus einem Ring 12, der als axial magnetisiertes Multipolrad wechselnd Nordpole 14 und Südpole 16 aufweist. Der Ring 12 ist als metallischer Trägerring ausgeführt, auf den der separate Multipolring aufgebracht ist. Axial beabstandet von den Nordpolen 14 und Südpolen 16 ist ein erstes halbkreisförmiges Sammelelement 18 angeordnet, welches mit ersten Kammfortsätzen 26, die sich von der Ringstruktur in Richtung zu den magnetischen Polen 14, 16 in axialer Richtung erstrecken, ausgestattet ist. Weiterhin ist ein zweites Sammelelement 20 vorgesehen, welches ebenfalls axial beabstandet wie das erste Sammelelement 18 mit entsprechenden zweiten Kammfortsätzen 28 ausgestattet ist. Die Geometrie der ersten und zweiten Kammfortsätze 26, 28 ist jeweils so gewählt, dass sie in Umfangsrichtung an die Geometrie der magnetischen Pole 14, 16 des Geberelements 10 angepasst sind. Allerdings sind erste Kammfortsätze 26 und zweite Kammfortsätze 28 in der Weise gegeneinander versetzt angeordnet, dass bei mittiger Ausrichtung der Pole 14, 16 über den Kammfortsätzen 26, 28 die ersten Kammfortsätze 26 beispielsweise das Magnetfeld der Nordpole 14 abgreifen, während die zweiten Kammfortsätze 28 in dieser Position das Magnetfeld der Südpole 16 abgreifen. Die Sammelelemente 18, 20 sind gegenüber dem sich bewegendem Geberelement 10 feststehend angeordnet. Das von den Sammelelementen 18, 20 abgegriffene Magnetfeld wird über am Ende der Stege der Sammelelemente 18, 20 ausgebildeten Fortsätzen einem Sensorelement 22 zugeführt, welches somit zwischen den Sammelelementen 18, 20 angeordnet ist. Auf der von dem Sammelelement 18, 20 abgewandten Seite des Sensorelements 22 ist ein Rückschlusselement 24 angeordnet, das die magnetischen Feldlinien zum jeweils entgegengesetzten Pol führt. Das Sensorelement 22 umfasst zwei magnetfeldempfindliche Zellen, hier als rechte beziehungsweise linke magnetfeldempfindliche Zelle bezeichnet. Die linke magnetfeldempfindliche Zelle erfasst die vom zweiten Sammelelement 20 zugeführte magnetische Flussdichte B, welche sich sinusförmig in Abhängigkeit vom Winkel (Verdrehung des Geberelements 10 gegenüber dem Sensorelement 22) verändert. Das erste Sammelelement 18 führt der rechten magnetempfindlichen Zelle die abgegriffene magnetische Flussdichte B zu, welche den mit 30 gekennzeichneten sinusförmigen Verlauf aufweist. Das Ausgangssignal 30 der rechten magnetempfindlichen Zelle ist gegenüber dem Ausgangssignal 32 der linken magnetempfindlichen Zelle um 180° phasenverschoben. Aus den beiden Ausgangssignalen 30, 32 wird über Differenzbildung ein Differenzsignal 34 gebildet, welches den in 3 gezeigten sinusförmigen Verlauf aufweist mit gegenüber den Ausgangssignalen 30, 32 entsprechend verdoppelter Amplitude. Durch die Differenzbildung können störende Fremdfelder unterdrückt werden.

Die gezeigte Magnetsensoranordnung wird beispielsweise zur Weg-, Drehzahl- oder Positionsdetektion verwendet, wie sie z. B. zur Steuerung von Motoren oder auch im Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen bei Kraftfahrzeugen zu Messzwecken eingesetzt werden. Die Bewegung des ferromagnetischen Geberelements 10 wird von einem gegenüber dem Geberelement 10 ortsfest angeordneten Sensorelement 22 erfasst. Dieses magnetfeldempfindliche Sensorelement 22 kann als Hallsensor oder auf einer anderen Magnetfeldsensor-Technologie beruhen wie z. B. AMR, GMR oder TMR. Erstes und zweites Sammelelement 18, 20 bestehen aus zwei Halbringen mit Kammstruktur, bestehend aus ersten Kammfortsätzen 26 und zweiten Kammfortsätzen 28 aus weichmagnetischem Material, die jeweils den magnetischen Fluss einer Polart (Nordpol 14, Südpol 16) sammeln und in Richtung des Sensorelements 22 führen. Die Abstände der Kammfortsätze 26, 28 lassen sich individuell an das jeweilige Geberelement 10 anpassen. Als Geberelement 10 könnte beispielsweise ein Multipolrad verwendet werden. Anstelle der Detektion einer Rotationsbewegung könnte das beschriebene Prinzip jedoch auch zur Linearbewegungserfassung verwendet werden. Erste Kammfortsätze 26 und zweite Kammfortsätze 28 sind vorzugsweise um die Länge eines Pols des Geberelements 10 versetzt. Dadurch wird erreicht, dass lediglich der magnetische Fluss einer Polart von einem Sammelelement 18, 20 gesammelt wird.

Das Sensorelement 22 besteht beispielsweise aus einer rechten magnetfeldempfindlichen Zelle und einer linken magnetfeldempfindlichen Zelle, wie dies bei einem Hall-Sensor der Fall sein könnte. Dessen magnetfeldempfindliche Zellen detektieren jeweils nur eine bestimmte Magnetfeldrichtung. So könnte die eine magnetfeldempfindliche Zelle die Magnetfeldkomponente detektieren, die senkrecht vom Geberelement 10 zum Sensorelement 22 gerichtet ist, während die andere magnetfeldempfindliche Zelle die Komponente des Magnetfelds erfasst, die von oben in Richtung auf das Geberelement 10 orientiert ist. Die rechte magnetempfindliche Zelle detektiert die zugeführte Komponente der magnetische Flussdichte B, die in der Detektionsrichtung der rechten magnetfeldempfindlichen Zelle orientiert ist. Die linke magnetfeldempfindliche Zelle erfasst die zugeführte Komponente der magnetischen Flussdichte B in Detektionsrichtung der linken magnetfeldempfindlichen Zelle. Bei der entsprechenden geometrischen Anordnung geben die beiden Zellen um 180° phasenverschobene Ausgangssignale 30, 32 ab. In dem Sensorelement 22 ist ein Schaltkreis integriert, der die Differenz bildet aus dem Ausgangssignal 30 der rechten magnetempfindlichen Zelle und dem Ausgangssignal 32 der linken magnetempfindlichen Zelle, so dass das Differenzsignal 34 entsteht. Durch die Phasenverschiebung optimalerweise um 180° verdoppelt sich die Amplitude des ebenfalls sinusförmigen Differenzsignals 34, wodurch sich die Auswertung verbessert. Das Differenzsignal 34 ist ein Maß des Winkels zwischen Geberelement 10 und gegenüber dem Geberelement 10 feststehenden Sensorelement 22.

Um die magnetischen Feldlinien zum jeweils entgegengesetzten Pol zu führen und die Magnetfeldlinien an die Detektionsrichtung der magnetfeldempfindlichen Zellen anzupassen, ist ein Rückschlusselement 24 vorgesehen, welches zwischen erstem und zweitem Sammelelement 18, 20 angeordnet ist, vorzugsweise so, dass das von den Sammelelementen 18, 20 jeweils abgegriffene Magnetfeld den entsprechenden magnetempfindlichen Zellen zugeführt ist. Anstelle eines separaten Rückschlusselements 24 könnte eine Sensorelement mit einem ferromagnetischen Lead-Frame verwendet werden zur Minimierung des Luftspalts zwischen Abgriffstruktur 18, 20 und Rückschluss.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung hat den Effekt der Mittelung und somit eine Reduktion des Teilungsfehlers zur Folge. Der Teilungsfehler ist die Abweichung des realen Schaltpunkts des IC's gegenüber dem idealen Schaltzeitpunkt bei idealem Magnetfeldverlauf über einem Pol.

Der Magnetkreis kann in magnetischen Differenzfeldsensoren eingesetzt werden, deren Anregung mittels Multipolelementen erfolgt. Vorraussetzung ist die Zugangsmöglichkeit zu einem großen Teil der Multipolelemente wie beispielsweise bei einem Kappensensor. Die vorgeschlagene Sensoranordung eignet sich insbesondere für Drehzahlfühler am Rad beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, als Drehzahlsensor im Getriebe oder bei Linearweg-, Winkel- oder Näherungssensoren, bei denen die Magnetfeldänderungen durch bewegte magnetische Polelemente induziert werden.


Anspruch[de]
Sensoranordnung zur Auswertung der Signale eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements (22), bei dem die durch ein Geberelement (10) verursachten Magnetfeldänderungen durch Differenzbildung ausgewertet sind, wobei das Geberelement (10) eine Vielzahl magnetischer Pole (14, 16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weichmagnetisches Sammelelement (18, 20) vorgesehen ist, das das Magnetfeld zumindest zweier gleichartiger magnetischer Pole (14, 16) des Geberelements (10) abgreift und dem Sensorelement (22) zuführt, wobei das Geberelement (10) und das Sammelelement (18, 20) gegeneinander beweglich angeordnet sind. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelelement (18, 20) als Kammstruktur ausgeführt ist. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Sammelelement (20) vorgesehen ist zum Abgreifen des Magnetfelds zumindest zweier gleichartiger magnetischer Pole (16). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (22) zwei magnetfeldempfindliche Zellen, vorzugsweise Hall-Zellen, umfasst. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzsignal (34) aus einem Ausgangssignal (30) der ersten magnetfeldempfindlichen Zelle und aus einem Ausgangssignal (32) der zweiten magnetfeldempfindlichen Zelle gebildet ist. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlusselement (24) vorgesehen ist zum Schliessen des magnetischen Kreises der unterschiedlich magnetisierten Pole (14, 16). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (10) als Multipolrad ausgeführt ist. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelelement (18, 20) in Richtung zum Geberelement (10) orientierte Kammfortsätze (26, 28) aufweist. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammfortsätze (26, 28) der geometrischen Struktur des Geberelements (10) angepasst sind.






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