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WO2007014599A1 - Vorrichtung zur detektion von umdrehungen einer lenkwelle - Google Patents

Vorrichtung zur detektion von umdrehungen einer lenkwelle Download PDF

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WO2007014599A1
WO2007014599A1 PCT/EP2006/005922 EP2006005922W WO2007014599A1 WO 2007014599 A1 WO2007014599 A1 WO 2007014599A1 EP 2006005922 W EP2006005922 W EP 2006005922W WO 2007014599 A1 WO2007014599 A1 WO 2007014599A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
permanent magnet
magnetic field
steering shaft
ferromagnetic element
field sensor
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2006/005922
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ekkehart Froehlich
Jens Thom
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Original Assignee
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Schalter und Sensoren GmbH filed Critical Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Publication of WO2007014599A1 publication Critical patent/WO2007014599A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0215—Determination of steering angle by measuring on the steering column
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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    • B62D6/08—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque
    • B62D6/10—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque characterised by means for sensing or determining torque
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/104—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving permanent magnets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/221—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to steering wheels, e.g. for power assisted steering

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting revolutions of a steering shaft, with a coupled with the movement of the steering shaft permanent magnet which describes an annular path upon rotation of the steering shaft, which passes on a stationary relative to the permanent magnet magnetic field sensor.
  • Such sensors are based on the Hall effect, which can be used to measure magnetic fields in an existing between the permanent magnet and the magnetic field sensor air gap.
  • the known Hall sensors are relatively robust and also suitable for applications in which high temperatures can occur. Due to the increasing integration of various components and assemblies in a motor vehicle, however, there is the problem that influence these components or assemblies each other.
  • the present invention is based on the object, a device for the detection of To create revolutions of a steering shaft, with the magnetic interference can be minimized.
  • Characterized in that seen along the course of the annular path of the permanent magnet to each other opposite poles, formed between the opposite poles magnetic field lines can be influenced in their course so that they extend from a first pole to an opposite pole, without taking up space and thus the surroundings of the device are magnetically disturbing around the entire magnet.
  • the magnetic field lines can be reduced spatially limited, so that closed magnetic field lines arise.
  • the magnetic field lines can be returned to a limited extent on one side of the magnet.
  • the magnetic field thus generated is locally limited and thus has a less magnetic influence on the environment of the device.
  • the ferromagnetic element thus has a shielding effect.
  • the magnetic field generated according to the invention is also relatively dense and thus easy to detect for a magnetic field sensor, in particular for a magnetic field sensor with a unipolar switching characteristic
  • the ferromagnetic element may be arranged in a plane parallel to the annular path. As a result, a space which is arranged relative to the ferromagnetic element on a side opposite to the permanent magnet side, at least largely freed from magnetic interference.
  • the ferromagnetic element may also be radially offset relative to the annular track.
  • magnetic perturbations in a radially more inwardly offset region can be minimized.
  • magnetic perturbations in a radially outward offset region can be minimized.
  • the permanent magnet can, in particular on its free side, at least one north pole and at least one south pole exhibit.
  • the permanent magnet thus has at least two mutually opposite poles.
  • the permanent magnet may have a pole arranged on the outside of the opposite central pole.
  • This embodiment has the advantage that a particularly homogeneous and dense magnetic field is created, which is also evaluable with a magnetic field sensor which generates a digital output value.
  • This embodiment also has the advantage that a locally particularly pronounced magnetic field is created.
  • the ferromagnetic element is advantageously formed by a ferrous metal sheet.
  • This metal sheet also has a shielding effect, in particular when the metal sheet is formed so that it projects beyond the permanent magnet on all sides.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the permanent magnet and the ferromagnetic element are arranged on a common carrier. This arrangement facilitates the accurate positioning of the permanent magnet and the ferromagnetic element to each other. At the same time the unit of carrier, permanent magnet and ferromagnetic element is easy to handle.
  • the common carrier is formed of plastic material, the magnetic field formed between the permanent magnet and the magnetic field sensor is not affected.
  • the common carrier is designed as a ring member which is non-rotatably connected to the steering shaft and / or with a torque sensor arranged on the steering shaft, a circular path for the permanent magnet can be generated in a particularly simple manner, thereby ensuring that the permanent magnet with a exact, predetermined distance (air gap) can be passed to the magnetic field sensor.
  • a torque sensor as in this case, Hall sensors can be used for the torque sensor. These are not or only slightly disturbed by the described, shielded course of the magnetic field between the permanent magnet and the magnetic field sensor. The shielding effect is particularly good when the ferromagnetic element is arranged in the axial direction of the steering shaft between the permanent magnet and the torque sensor.
  • the common carrier can also be part of one
  • Be torque sensors so that a unit can be created, which requires only a few parts.
  • non-influencing Hall sensors or sensors for controlling the steering of a motor vehicle can be used in a small space.
  • the magnetic field sensor of the device for detecting revolutions of the steering shaft is arranged on or on a circuit board which is at least partially associated with a torque sensor.
  • the invention further relates to various methods for operating a device for detecting revolutions of a steering shaft.
  • Figure 1 is a perspective view of a structural unit of a device for detecting revolutions of a steering shaft and a torque sensor when mounted on a steering shaft;
  • FIG. 2 is a perspective view of a carrier for a permanent magnet and a ferromagnetic element
  • FIG. 3 shows a magnetic field formed by the permanent magnet and the ferromagnetic element according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows the magnetic induction generated by the magnetic field according to FIG. 3;
  • Figure 5 plotted the magnetic induction over different angles of rotation of the steering shaft for different air gaps between the permanent magnet and the magnetic field sensor
  • Figure 6 is a view corresponding to Figure 5 for a two-pole magnet.
  • FIG. 7 shows a view corresponding to FIG. 3 for the two-pole magnet according to FIG. 6.
  • a device for detecting revolutions of a steering shaft is denoted overall by the reference numeral 2.
  • a torque sensor 4 Adjacent to this device 2, a torque sensor 4 is arranged, wherein the device 2 and the torque sensor 4 form a structural unit 6.
  • This structural unit 6 is mounted on a steering shaft 8, wherein the steering shaft shaft portions 10 and 12, which are rotatable relative to each other.
  • the Shaft sections 10 and 12 are rotatable relative to each other, wherein between the shaft sections 10 and 12 applied torsional force can be detected by the torque sensor 4.
  • the torque sensor 4 has a housing part, which is designed as an annular support 14, which consists of a plastic material. This is shown in Figure 2, in perspective.
  • the carrier 14 is rotatably connected to the shaft portion 10 and serves, inter alia, to hold components associated with the stator side of the torque sensor 4.
  • a permanent magnet 16 and a ferromagnetic element 18 is further arranged.
  • the permanent magnet 16 and the ferromagnetic element 18 are formed in accordance with Figure 2 is substantially cuboid.
  • Both the permanent magnet 16 and the ferromagnetic element 18 may, however, also extend along a circular arc, in particular adapted to the annular course of the carrier 14.
  • the permanent magnet 16 moves along a circular path 24 schematically indicated in FIG. 4.
  • the ferromagnetic element 18 moves in a plane parallel to the web 24.
  • the permanent magnet 16 can be passed with a corresponding rotational position of the steering shaft 8 to a stationary magnetic field sensor 26, wherein between the permanent magnet 16 and the magnetic field sensor 26, an air gap is formed.
  • the magnetic field sensor 26 is arranged on a circuit board 28, which is also associated with the torque sensor 4.
  • the circuit board 28 has a second magnetic field sensor 30, which is assigned to the torque sensor 4.
  • the carrier 14 is formed substantially rotationally symmetrical and has an annular bead 32, with which the carrier 14 is rotatably connected to the shaft portion 10 of the steering shaft 8. From the bead 32 extends radially outwardly an annular disc 34, in which the permanent magnet 16 and the ferromagnetic element 18 are injected.
  • the carrier 14 is shown cut in a portion of the annular disc 34 to make the shape of the permanent magnet 16 and the ferromagnetic element 18 more visible.
  • the permanent magnet 16 has according to Figure 3 a total of three poles and that is a central north pole 36 and two outside south poles 38.
  • the outside south poles 38 have the same length together as the central north pole 36.
  • the permanent magnet 16 and the ferromagnetic elements 18 are arranged in parallel planes. In this case, the ferromagnetic element 18 extends in its plane beyond the outer sides of the permanent magnet 16 addition, which is particularly well visible in Figure 4.
  • the magnetic field generated by the described structure of permanent magnet 16 and ferromagnetic element 18 is shown in Figure 3 based on magnetic field lines.
  • the magnetic field has main field lines 40 which extend arcuately from the north pole 36 back to one of the south poles 38, pass therethrough and are returned via the ferromagnetic element 18.
  • the magnetic field also has adjacent field lines 42, which extend approximately laterally adjacent to the south poles 38.
  • the magnetic field lines 40 and 42 extend outside the material of the permanent magnet 16 and of the ferromagnetic element 18 only in a region which, viewed from the ferromagnetic element 18, faces the permanent magnet 16.
  • the rear region in which the torque sensor 4 is arranged can be freed of interfering magnetic field influences, so that the function of the magnetic field sensor 30 is not impaired.
  • the permanent magnet 16 is moved along the annular path indicated by 24 and is guided past the magnetic field sensor 26, a magnetic induction is produced.
  • the field strength detected by the magnetic field sensor is shown in FIG.
  • the north pole 36 is associated with a magnetic induction 44
  • the south poles 38 each have an opposite magnetic induction 46.
  • the magnetic inductions 44 and 46 have local maxima, which are assigned to the centers of the respective poles 36 and 38.
  • FIG. 5 shows a diagram in which the Tesla values of the magnetic inductions 44 and 46 are plotted over different angles of rotation of the steering shaft 8.
  • the magnetic inductions 44 and 46 cause the magnetic field sensor 26 to produce an output signal 48 whose value is 0 or 1.
  • FIG. 5 shows further courses of magnetic inductions 50 and 52. These inductions are compared with the magnetic Inductions 44 and 46 associated with smaller air gaps between the permanent magnet 16 and magnetic field sensor 26, so that the local maxima of the magnetic Inductions 50 and 52 are more pronounced. Regardless of the choice of the air gap, the course of the magnetic induction 44 and 46 intersect with the Runs 50 and 52 in areas that are associated with approximately a rotation angle of the steering shaft 8 of -5 ° and + 5 °. In this case, the exact angular positions are determined by the position of the pole transitions between the north pole 36 and the south poles 38.
  • the courses of the magnetic inductions 44, 46, 50 and 52 are such that the transition from a negative magnetic induction (eg 46) to a positive magnetic induction (eg 44) with a comparatively steep gradient accompanied.
  • the switching thresholds 54 are assigned to a very small angular range, as a result of which the values of the output signal 48 can change precisely and reproducibly between 0 and 1.
  • the magnetic field sensor 26 may have some hysteresis despite the described steep gradient. This means that the magnetic field sensor 26 when exceeded a first switching threshold of "0" to "1" and when a second switching threshold falls below the value of the hysteresis is less than the value of the first switching threshold, again provides an output signal "0".
  • a first switching threshold of "0" to "1” when exceeded a second switching threshold falls below the value of the hysteresis is less than the value of the first switching threshold, again provides an output signal "0".
  • the switching point for the change from "0" to "1" is associated with a rotation angle which is -5.3 ° (see reference numeral 72 in FIG. 5).
  • the width between the switching points 72 and 74 depends on the air gap between the permanent magnet 16 and the magnetic field sensor 26.
  • the position of the index center 76 is, however, from this air gap independent and can be used as an exact reference position.
  • tolerances of the overall lengths of the centric pole 36 of the permanent magnet 16 can be computed by means of an evaluation unit. In a corresponding manner, rotational angle tolerances can be compensated, which result during assembly of the carrier 14 on the steering shaft 8.
  • FIG. 6 shows the course of a magnetic induction 56 for a two-pole magnet shown in FIG. 7, again plotted over the angle of rotation of the steering shaft 8.
  • the profile In a region adjacent to 0 °, the profile has a local minimum and, subsequently, a steep flank which leads to leading to a local maximum.
  • the magnetic induction is point symmetric about a zero crossing designated 58.
  • the magnetic induction 56 generated by means of the two-pole permanent magnet 60 shown in FIG. 7 can be evaluated, for example, by a linear magnetic field sensor which outputs an output signal proportional to the magnetic induction.
  • the zero crossing 58 corresponds to a reference position, which can be determined precisely by the fact that the described edge in the region of the zero crossing 58 is very steep. According to FIG.
  • the permanent magnet 60 is arranged adjacent and parallel to a ferromagnetic element 62.
  • the permanent magnet 60 has a south pole 64 and a north pole 66, each occupying half of the material of the permanent magnet 60.
  • a magnetic field is generated having 68 designated main field lines, which lead from the north pole 66 to the south pole 64 and via the ferromagnetic element 62 back to the north pole.
  • the magnetic field has side-field lines 70 arranged laterally.
  • the permanent magnet 60 and the ferromagnetic element 62 may be arranged in the carrier 14 instead of the permanent magnet 16 and the ferromagnetic element 18 (see FIG. 2).
  • the permanent magnets 16 and 18 and their ferromagnetic elements 18 and 62 can also be arranged on the radially outer circumference of the annular disc 34, so that the permanent magnet 16 and the permanent magnet 60 faces radially outward and the ferromagnetic element 18 and 62 in the radial direction inside is arranged.
  • the associated magnetic field sensor 26 can then be positioned in the radial direction outside and in alignment with the permanent magnet 16 or 60.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle (8), mit einem mit der Bewegung der Lenkwelle (8) gekoppelten Dauermagneten (16, 60) , der bei Drehung der Lenkwelle (8) eine ringförmige Bahn (24) beschreibt, die an einem relativ zum Dauermagneten (16, 60) ortsfesten Magnetfeldsensor (26) vorbeiführt, wobei der Dauermagnet (16, 60) innerhalb des Verlaufs der ringförmigen Bahn (24) gesehen zueinander entgegengesetzte Pole (36, 38; 64, 66) aufweist und wobei benachbart zu dem Dauermagneten (16, 60) ein ferromagnetisches Element (18, 62) angeordnet ist.

Description

Titel : Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle, mit einem mit der Bewegung der Lenkwelle gekoppelten Dauermagneten, der bei Drehung der Lenkwelle eine ringförmige Bahn beschreibt, die an einem relativ zum Dauermagneten ortsfesten Magnetfeldsensor vorbeiführt.
Solche Sensoren basieren auf dem Halleffekt, der zur Messung von Magnetfeldern in einem zwischen dem Dauermagneten und dem Magnetfeldsensor vorhandenen Luftspalt genutzt werden kann.
Die bekannten Hallsensoren sind vergleichsweise robust und auch für Anwendungsfälle geeignet, bei denen hohen Temperaturen auftreten können. Durch die zunehmende Integration von verschiedensten Bauteilen und Baugruppen in einem Kraftfahrzeug besteht jedoch das Problem, dass sich diese Bauteile oder Baugruppen gegenseitig beeinflussen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle zu schaffen, mit dem magnetische Störeinflüsse minimiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Dauermagnet innerhalb des Verlaufs der ringförmigen Bahn gesehen zueinander entgegengesetzte Pole aufweist und dass benachbart zu dem Dauermagnet ein ferromagnetisches Element angeordnet ist.
Dadurch, dass entlang des Verlaufs der ringförmigen Bahn gesehen der Dauermagnet zu einander entgegengesetzte Pole aufweist, können zwischen den entgegengesetzten Polen ausgebildete Magnetfeldlinien in ihrem Verlauf so beeinflusst werden, dass sie von einem ersten Pol zu einem entgegengesetzten Pol hin verlaufen, ohne dabei raumgreifend und somit die Umgebung der Vorrichtung magnetisch störend um den gesamten Magneten herum zu verlaufen.
Mit Hilfe des ferromagnetischen Elements, das benachbart zum Dauermagneten angeordnet ist, können die Magnetfeldlinien räumlich begrenzt zurückgeführt werden, so dass geschlossene Magnetfeldlinien entstehen. Insbesondere können die Magnetfeldlinien auf einer Seite des Magneten begrenzt zurückgeführt werden. Das solchermaßen erzeugte Magnetfeld ist lokal begrenzt und hat somit einen geringeren magnetischen Einfluss auf die Umgebung der Vorrichtung. Das ferromagnetische Element hat also eine Abschirmwirkung. Außerdem ist das erfindungsgemäß erzeugte Magnetfeld auch relativ dicht und somit für einen Magnetfeldsensor gut zu detektieren, insbesondere für einen Magnetfeldsensor mit einer unipolaren Schaltcharakteristik
Das ferromagnetische Element kann in einer zur ringförmigen Bahn parallelen Ebene angeordnet sein. Hierdurch wird ein Raum, der relativ zu dem ferromagnetischen Element auf einer dem Dauermagneten entgegengesetzten Seite angeordnet ist, von magnetischen Störeinflüssen zumindest weitestgehend befreit.
Das ferromagnetische Element kann auch relativ zu der ringförmigen Bahn radial versetzt angeordnet sein. Wenn das ferromagnetische Element nach radial innen versetzt ist, können magnetische Störungen in einem radial weiter nach innen versetzten Bereich minimiert werden. Wenn das ferromagnetische Element nach radial außen versetzt ist, können magnetische Störungen in einem radial weiter nach außen versetzten Bereich minimiert werden.
Der Dauermagnet kann, insbesondere auf seiner freien Seite, mindestens einen Nordpol und mindestens einen Südpol aufweisen. Der Dauermagnet weist also mindestens zwei zueinander entgegengesetzte Pole auf.
Der Dauermagnet kann einen zu außenseitig angeordneten Polen entgegengesetzten mittigen Pol aufweisen. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass ein besonders homogenes und dichtes Magnetfeld geschaffen wird, das zudem mit einem Magnetfeldsensor auswertbar ist, der einen digitalen Ausgangswert erzeugt. Diese Ausführung hat außerdem den Vorteil, dass ein lokal besonders ausgeprägtes Magnetfeld geschaffen wird.
Wenn die Materialabschnitte, die die jeweils entgegengesetzten Pole des Dauermagneten bilden, gleich groß sind, kann bei einem Dauermagneten mit zwei Polen ein punktsymmetrisches Magnetfeld und bei einem Dauermagneten mit drei Polen ein spiegelsymmetrisches Magnetfeld geschaffen werden. Diese Symmetrien haben den Vorteil, dass das Vorbeiführen des Dauermagneten am Magnetfeldsensor in beiden Drehrichtungen gleich gut detektierbar ist.
Das ferromagnetische Element ist in vorteilhafter Weise durch ein eisenhaltiges Metallblech gebildet. Dieses Metallblech hat auch eine Abschirmwirkung, insbesondere dann, wenn das Metallblech so ausgebildet ist, dass es den Dauermagneten allseitig überragt. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Dauermagnet und das ferromagnetische Element an einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Diese Anordnung erleichtert die genaue Positionierung des Dauermagneten und des ferromagnetischen Elements zueinander. Gleichzeitig ist die Einheit aus Träger, Dauermagnet und ferromagnetischem Element gut handhabbar.
Wenn der gemeinsame Träger aus Kunststoffmaterial gebildet ist, wird das zwischen dem Dauermagneten und dem Magnetfeldsensor ausgebildete Magnetfeld nicht beeinflusst. Außerdem ergeben sich fertigungstechnische Freiheiten, so dass der Dauermagnet und das ferromagnetische Element in den Träger eingespritzt werden können. Es ist aber auch möglich, dass der Dauermagnet und das ferromagnetische Element in den Träger eingeklebt oder eingeschweißt sind.
Wenn der gemeinsame Träger als Ringelement ausgebildet ist, das drehfest mit der Lenkwelle und/oder mit einem an der Lenkwelle angeordneten Drehmomentsensor verbunden ist, kann in besonders einfacher Weise eine kreisringförmige Bahn für den Dauermagneten erzeugt werden, wodurch gewährleistet ist, dass der Dauermagnet mit einem genauen, vorbestimmten Abstand (Luftspalt) an dem Magnetfeldsensor vorbeigeführt werden kann. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der gemeinsame Träger benachbart zu einem Drehmomentsensor angeordnet ist, da in diesem Fall auch für den Drehmomentsensor Hallsensoren verwendet werden können. Diese werden durch den beschriebenen, abgeschirmten Verlauf des Magnetfelds zwischen dem Dauermagneten und dem Magnetfeldsensor nicht oder nur wenig gestört. Die Abschirmwirkung ist besonders gut, wenn das ferromagnetische Element in axialer Richtung der Lenkwelle gesehen zwischen dem Dauermagneten und dem Drehmomentsensor angeordnet ist.
Der gemeinsame Träger kann auch Teil eines
Drehmomentsensors sein, so dass eine Baueinheit geschaffen werden kann, die mit wenigen Teilen auskommt. Dabei können auf kleinem Bauraum einander nicht beeinflussende Hallsensoren bzw. Sensoren zur Steuerung der Lenkung eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
Mit einer solchen Bauteilintegration kann einhergehen, dass der Magnetfeldsensor der Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen der Lenkwelle auf oder an einer Platine angeordnet ist, die zumindest teilweise einem Drehmomentsensor zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner verschiedene Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung gezeigten sowie in den Ansprüchen sowie in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer baulichen Einheit aus einer Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle und einem Drehmomentsensor bei Anordnung an einer Lenkwelle;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Trägers für einen Dauermagneten und ein ferromagnetisches Element; Figur 3 ein durch den Dauermagneten und das ferromagnetische Element gemäß Figur 2 gebildetes Magnetfeld;
Figur 4 die durch das Magnetfeld gemäß Figur 3 erzeugte magnetische Induktion;
Figur 5 die magnetische Induktion aufgetragen über verschiedenen Drehwinkel der Lenkwelle für verschiedene Luftspalte zwischen Dauermagnet und Magnetfeldsensor;
Figur 6 eine der Figur 5 entsprechende Ansicht für einen zweipoligen Magneten; und
Figur 7 eine der Figur 3 entsprechende Ansicht für den zweipoligen Magneten gemäß Figur 6.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Benachbart zu dieser Vorrichtung 2 ist ein Drehmomentsensor 4 angeordnet, wobei die Vorrichtung 2 und der Drehmomentsensor 4 eine bauliche Einheit 6 bilden. Diese bauliche Einheit 6 ist auf einer Lenkwelle 8 montiert, wobei die Lenkwelle Wellenabschnitte 10 und 12 aufweist, die zueinander verdrehbar sind. Die Wellenabschnitte 10 und 12 sind relativ zueinander verdrehbar, wobei zwischen den Wellenabschnitten 10 und 12 anliegende Torsionskraft durch den Drehmomentsensor 4 erfasst werden kann.
Der Drehmomentsensor 4 weist ein Gehäuseteil auf, das als ringförmiger Träger 14 ausgebildet ist, der aus einem Kunststoffmaterial besteht. Dieser ist in Figur 2, perspektivisch dargestellt. Der Träger 14 ist drehfest mit dem Wellenabschnitt 10 verbunden und dient unter anderem dazu, Bauteile, die der Statorseite des Drehmomentsensors 4 zugeordnet sind, zu halten. An dem Träger 14 ist ferner ein Dauermagnet 16 und ein ferromagnetisches Element 18 angeordnet. Der Dauermagnet 16 und das ferromagnetische Element 18 sind gemäß Figur 2 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet.
Sowohl der Dauermagnet 16 als auch das ferromagnetische Element 18 können sich aber auch entlang eines Kreisbogens, insbesondere dem ringförmigen Verlauf des Trägers 14 angepasst, erstrecken.
Wenn die Lenkwelle 8 in mit 22a und 22b gezeichneten Drehrichtungen bewegt wird, bewegt sich der Dauermagnet 16 entlang einer in Figur 4 schematisch angedeuteten kreisförmigen Bahn 24. Das ferromagnetische Element 18 bewegt sich in einer zur Bahn 24 parallen Ebene. Der Dauermagnet 16 kann bei entsprechender Drehstellung der Lenkwelle 8 an einem ortsfesten Magnetfeldsensor 26 vorbeigeführt werden, wobei zwischen dem Dauermagneten 16 und dem Magnetfeldsensor 26 ein Luftspalt ausgebildet ist. Der Magnetfeldsensor 26 ist an einer Platine 28 angeordnet, die auch dem Drehmomentsensor 4 zugeordnet ist. Die Platine 28 weist einen zweiten Magnetfeldsensor 30 auf, der dem Drehmomentsensor 4 zugeordnet ist.
Der Träger 14 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen ringförmig Wulst 32 auf, mit dem der Träger 14 drehfest mit dem Wellenabschnitt 10 der Lenkwelle 8 verbunden ist. Von dem Wulst 32 aus erstreckt sich nach radial außen eine Ringscheibe 34, in die der Dauermagnet 16 und das ferromagnetische Element 18 eingespritzt sind. In Figur 2 ist der Träger 14 in einem Teil der Ringscheibe 34 aufgeschnitten dargestellt, um die Form des Dauermagneten 16 und des ferromagnetischen Elements 18 besser sichtbar zu machen.
Der Dauermagnet 16 weist gemäß Figur 3 insgesamt drei Pole auf und zwar einen zentrischen Nordpol 36 und zwei außenseitige Südpole 38. Die außenseitigen Südpole 38 weisen gemeinsam die gleiche Baulänge auf wie der zentrische Nordpol 36. Der Dauermagnet 16 und das ferromagnetische Element 18 sind in zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Dabei erstreckt sich das ferromagnetische Element 18 in seiner Ebene über die Außenseiten des Dauermagneten 16 hinaus, was besonders gut aus Figur 4 ersichtlich ist.
Das durch den beschriebenen Aufbau aus Dauermagnet 16 und ferromagnetischem Element 18 erzeugte Magnetfeld ist in Figur 3 anhand von Magnetfeldlinien dargestellt. Das Magnetfeld weist Hauptfeldlinien 40 auf, die sich von dem Nordpol 36 bogenförmig zurück zu einem der Südpole 38 erstrecken, durch diese hindurch verlaufen und über das ferromagnetische Element 18 zurückgeführt werden. Das Magnetfeld weist ferner Nebenfeldlinien 42 auf, die in etwa seitlich benachbart zu den Südpolen 38 verlaufen. Durch die beschriebene Anordnung verlaufen die Magnetfeldlinien 40 und 42 außerhalb des Materials des Dauermagneten 16 und des ferromagnetischen Elements 18 nur in einem Bereich, der von dem ferromagnetischen Element 18 aus gesehen dem Dauermagneten 16 zugewandt ist. Hierdurch kann der rückwärtige Bereich, in dem der Drehmomentsensor 4 angeordnet ist, von störenden Magnetfeldeinflüssen befreit werden, so dass die Funktion des Magnetfeldsensors 30 nicht beeinträchtigt wird. Wenn gemäß Figur 4 der Dauermagnet 16 entlang der mit 24 bezeichneten ringförmigen Bahn bewegt und dabei an dem Magnetfeldsensor 26 vorbeigeführt wird, entsteht eine magnetische Induktion. Die von dem Magnetfeldsensor detektierte Feldstärke ist in Figur 4 dargestellt. Dabei ist dem Nordpol 36 eine magnetische Induktion 44 zugeordnet, und den Südpolen 38 jeweils eine gegenläufige magnetische Induktion 46. Die magnetischen Induktionen 44 und 46 weisen lokale Maxima auf, die den Mitten der jeweiligen Pole 36 und 38 zugeordnet sind.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, in dem die Tesla-Werte der magnetischen Induktionen 44 und 46 über verschiedene Drehwinkel der Lenkwelle 8 aufgetragen sind. Die magnetischen Induktionen 44 und 46 bewirken, dass der Magnetfeldsensor 26 ein Ausgangssignal 48 erzeugt, dessen Wert 0 oder 1 beträgt.
In Figur 5 sind weitere Verläufe von magnetischen Induktionen 50 und 52 aufgetragen. Diesen Induktionen sind im Vergleich zu den magnetischen Induktionen 44 und 46 kleinere Luftspalte zwischen Dauermagnet 16 und Magnetfeldsensor 26 zugeordnet, so dass die lokalen Maxima der magnetischen Induktionen 50 und 52 stärker ausgeprägt sind. Unabhängig von der Wahl des Luftspalts kreuzen sich der Verlauf der magnetischen Induktion 44 und 46 mit den Verläufen 50 und 52 in Bereichen, die in etwa einem Drehwinkel der Lenkwelle 8 von -5° beziehungsweise +5° zugeordnet sind. Hierbei sind die genauen Winkellagen durch die Lage der Polübergänge zwischen dem Nordpol 36 und den Südpolen 38 festgelegt. Es ist deshalb vorteilhaft, die Schaltschwellen des Magnetfeldsensors 26 diesen Kreuzungsbereichen anzupassen, so dass der Wechsel zwischen den Werten 0 und 1 bei Überschreiten oder Unterschreiten der mit 54 bezeichneten Schaltschwelle 54 erfolgt. Hierdurch kann eine gegenüber Maßabweichungen, die den Luftspalt beeinflussen, tolerante Sensoranordnung geschaffen werden.
Durch die dreipolige Ausführung des Dauermagneten 16 sind die Verläufe der magnetischen Induktionen 44, 46, 50 und 52 so, dass der Übergang von einer negativen magnetischen Induktion (bspw. 46) zu einer positiven magnetischen Induktion (bspw. 44) mit einem vergleichsweise steilen Gradienten einhergeht. Hierdurch sind die Schaltschwellen 54 einem sehr kleinen Winkelbereich zugeordnet, wodurch die Werte des Ausgangssignals 48 genau und reproduzierbar zwischen 0 und 1 wechseln können.
Der Magnetfeldsensor 26 kann trotz des beschriebenen steilen Gradienten eine gewisse Hysterese aufweisen. Dies bedeutet, dass der Magnetfeldsensor 26 bei Überschreiten einer ersten Schaltschwelle von "0" auf "1" schaltet und bei einer Unterschreitung einer zweiten Schaltschwelle, die um den Wert der Hysterese geringer als der Wert der ersten Schaltschwelle ist, wieder ein Ausgangssignal "0" liefert. Für das beschriebene Beispiel ergibt sich, dass der Schaltpunkt für den Wechsel von "0" auf "1" einem Drehwinkel zugeordnet ist, der -5,3° beträgt (siehe Bezugszeichen 72 in Figur 5) . Beim Wechsel des Ausgangssignals 48 von dem Wert "1" auf "0" ist der Betrag dieses Werts aufgrund der Tatsache, dass die zweite Schaltschwelle geringfügig niedriger liegt als die erste Schaltschwelle, einem Drehwinkel zugeordnet, der beispielsweise 5,4° beträgt, also betragsmäßig etwas größer ist (siehe Bezugszeichen 74 in Figur 5) . Da diese Differenz der Lage der Schaltpunkte reproduzierbar ist, kann mit Hilfe des Mittelwerts der Schaltpunkte ein genauer Bezugspunkt (Referenzpunkt oder "Indexmitte", Bezugszeichen 76) geschaffen werden und gegebenenfalls unter Verwendung zusätzlich vorhandener Informationen über die Drehrichtung der Lenkwelle 8 eine Korrektur der Hysterese erfolgen.
Insbesondere dann, wenn die Schaltschwellen 54 nicht auf Höhe der Kreuzungsbereiche liegen, ist die Breite zwischen den Schaltpunkten 72 und 74 abhängig von dem Luftspalt zwischen dem Dauermagneten 16 und dem Magnetfeldsensor 26. Die Lage der Indexmitte 76 ist von diesem Luftspalt aber unabhängig und kann als exakte Referenzposition genutzt werden.
Wenn die Indexmitte 76 bekannt ist, können Toleranzen der Baulängen des zentrischen Pols 36 des Dauermagneten 16 mit Hilfe einer Auswerteeinheit rechnerisch kompensiert werden. In entsprechender Weise können Drehwinkeltoleranzen kompensiert werden, die sich bei der Montage des Trägers 14 auf der Lenkwelle 8 ergeben.
Figur 6 zeigt den Verlauf einer magnetischen Induktion 56 für einen in Figur 7 dargestellten zweipoligen Magneten, wiederum aufgetragen über den Drehwinkel der Lenkwelle 8. Der Verlauf weist in einem zu 0° benachbarten Bereich ein lokales Minimum und daran anschließend eine steile Flanke auf, die zu einem lokalen Maximum führt. Die magnetische Induktion ist zu einem mit 58 bezeichneten Nulldurchgang punktsymmetrisch. Die mit Hilfe des in Figur 7 dargestellten zweipoligen Dauermagneten 60 erzeugte magnetische Induktion 56 lässt sich bspw. durch einen linearen Magnetfeldsensor auswerten, der ein zur magnetischen Induktion proportionales Ausgangssignal ausgibt. Dabei korrespondiert der Nulldurchgang 58 mit einer Referenzposition, die sich dadurch genau ermitteln lässt, dass die beschriebene Flanke im Bereich des Nulldurchgangs 58 sehr steil ist. Gemäß Figur 7 ist der Dauermagnet 60 angrenzend und parallel zu einem ferromagnetischen Element 62 angeordnet. - Der Dauermagnet 60 weist einen Südpol 64 und einen Nordpol 66 auf, die jeweils die Hälfte des Materials des Dauermagneten 60 einnehmen. Durch den Dauermagneten 60 wird ein magnetisches Feld erzeugt, das mit 68 bezeichnete Hauptfeldlinien aufweist, die vom Nordpol 66 zum Südpol 64 und über das ferromagnetische Element 62 zurück zum Nordpol führen. Ferner weist das magnetische Feld seitlich angeordnete Nebenfeldlinien 70 auf. Der Dauermagnet 60 und das ferromagnetische Element 62 können anstelle des Dauermagneten 16 und des ferromagnetischen Elements 18 in dem Träger 14 angeordnet werden (vergleiche Figur 2).
Die Dauermagneten 16 und 18 und deren ferromagnetische Elemente 18 und 62 können auch an dem radial außen liegenden Umfang der Ringscheibe 34 angeordnet werden, so dass der Dauermagnet 16 beziehungsweise der Dauermagnet 60 nach radial außen weist und das ferromagnetische Element 18 beziehungsweise 62 in radialer Richtung innen angeordnet ist. Der zugeordnete Magnetfeldsensor 26 kann dann in radialer Richtung außen und fluchtend mit dem Dauermagneten 16 beziehungsweise 60 positioniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (2) zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle (8), mit einem mit der Bewegung der Lenkwelle (8) gekoppelten Dauermagneten (16, 60), der bei Drehung der Lenkwelle (8) eine ringförmige Bahn
(24) beschreibt, die an einem relativ zum Dauermagneten (16, 60) ortsfesten Magnetfeldsensor (26) vorbeiführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (16, 60) innerhalb des Verlaufs der ringförmigen Bahn (24) gesehen zueinander entgegengesetzte Pole (36, 38; 64, 66) aufweist und dass benachbart zu dem Dauermagneten (16, 60) ein ferromagnetisches Element (18, 62) angeordnet ist.
2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (16, 60) mindestens einen Nordpol (36, 66) und mindestens einen Südpol (38, 64) aufweist.
3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (16, 60) einen zu außenseitig angeordneten Polen (38) entgegengesetzten mittigen Pol (36) aufweist.
4. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die jeweils entgegengesetzten Pole (36, 38; 64, 66) des Dauermagneten (16, 60) bildenden Materialabschnitte gleich groß sind.
5. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Element (18, 62) durch ein eisenhaltiges Metallblech gebildet ist.
6. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (16, 60) und das ferromagnetische Element (18, 62) an einem gemeinsamen Träger (14) angeordnet sind.
7. Vorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Träger (14) aus Kunststoffmaterial gebildet ist.
8. Vorrichtung (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (16, 60) und das ferromagnetische Element (18, 62) in den Träger (14) eingespritzt, eingeklebt oder eingeschweißt sind.
9. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Träger (14) als Ringelement ausgebildet ist, das drehfest mit der Lenkwelle (8) und/oder mit einem an der Lenkwelle (8) angeordneten Drehmomentsensor (4) verbunden ist.
10. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Träger (14) benachbart zu einem Drehmomentsensor (4) angeordnet ist.
11. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Träger (14) Teil eines Drehmomentsensors (4) ist.
12. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Element (18, 62) in axialer Richtung der Lenkwelle (8) zwischen dem Dauermagneten (16, 60) und einem Drehmomentsensor (4) angeordnet ist.
13. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (26) der Vorrichtung (2) zur Detektion von Umdrehungen der Lenkwelle auf oder an einer Platine (28) angeordnet ist, die zumindest teilweise dem Drehmomentsensor (4) zugeordnet ist.
14. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Element (18, 62) in einer zur ringförmigen Bahn (24) parallelen Ebene angeordnet ist.
15. Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Element (18, 62) relativ zur ringförmigen Bahn (24) radial versetzt angeordnet ist.
16. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Lage des Dauermagneten (16, 60) relativ zu dem Magnetfeldsensor (26) ein durch die zueinander entgegengesetzten Pole (36, 38; 64, 66) des Dauermagneten (16, 60) hervorgerufener Gradient der von dem Magnetfeldsensor (26) erfassten Magnetfeldstärke berücksichtigt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwerts dem Gradienten ein Schaltpunkt (72, 74) zugewiesen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, zwei zueinander benachbarte Schaltpunkte (72, 74) ermittelt werden, dass ein Referenzpunkt (76) ermittelt wird, der mittig zwischen den Schaltpunkten (72, 74) liegt und dass der Referenzpunkt (76) einer Referenzposition des Dauermagneten (16, 60) relativ zu dem Magnetfeldsensor (62) entspricht.
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