DE10002331C2 - Drehwinkelmesser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehwinkelmesser, der den Winkel, um den ein drehbares Teil bewegt wird, mit­ tels eines GMR mißt.

Eine Drehbewegung eines Ringes, einer Scheibe oder eines Drehknopfes kann erfaßt und ausgewertet werden, indem an das bewegliche Teil ein Magnet, z. B. ein Dauermagnet aus Eisen, angebracht wird und die bei der Drehbewegung sich ändernde Ausrichtung des von diesem Magneten erzeugten Magnetfeldes mittels eines GMR erfaßt wird. Ein solcher GMR (giant magne­ tic resistor) besteht aus einer Schichtfolge von Materialien, durch die ein Elektronenfluß durch die Ausrichtung eines ex­ ternen Magnetfeldes ermöglicht oder unterbunden wird. Wird an einen solchen GMR eine elektrische Spannung angelegt, dann ändert sich die Stärke des den GMR durchfließenden Stromes, wenn sich das Magnetfeld, in dem sich der GMR befindet, än­ dert. Ein solcher GMR weist jedoch Fertigungstoleranzen sowie eine Hysterese auf, die die Präzision der Drehwinkelmessung mittels eines solchen GMR einschränken. Eine präzise Erfas­ sung eines Drehwinkels unterhalb von typisch etwa 3-4 Grad ist damit ohne Meßfehler nicht möglich. Die Anzahl zuverläs­ sig erkennbarer Positionen, d. h. der unterscheidbaren Aus­ richtungen des drehbaren Teiles, ist auf ca. 40 begrenzt. Das entspricht einem Winkelunterschied zwischen zwei aufeinander folgenden Positionen von ca. 9 Grad.

Eine Vorrichtung zur Winkelmessung ist beispielsweise in der DE 195 06 938 beschrieben, wobei die Winkelstellung einer Achse mittels eines an der Achse befestigten Zahnrades be­ stimmt wird, das wiederum in zwei einen jeweiligen Magneten tragende Zahnräder eingreift. Die Orientierung dieser Magnete wird von zwei Sensoren erfaßt und der Drehwinkel der Achse aus dieser Orientierung von einer elektronischen Auswerte­ schaltung bestimmt.

Weiterhin zeigt die DE 197 24 387 einen Sensor, bei dem eine Weglänge in eine Drehbewegung eines Magnets umsetzbar ist. Die Drehung des Magnets wird dann von einem Sensorelement er­ faßt.

Darüberhinaus beschreibt die DE 198 02 381 die Verwendung ei­ nes GMR als Sensor zur Erfassung der Drehung einer Drehwahl­ scheibe.

Bevor die Drehwinkelerfassung beginnt, müssen die Amplituden des elektrischen Meßsignales, das sich bei Anliegen der Span­ nung an dem GMR ergibt, ausgewertet werden, so daß deren Wer­ te als Tabelle von Sollwerten (Datenbasis) vorhanden ist. Die Kennlinie des GMR ist temperaturabhängig. Daher muß auch der in die Auswertung einfließende Wert des Temperaturkoeffizien­ ten korrigiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach her­ stellbare Vorrichtung anzugeben, mit der auch kleine Drehwin­ kel einer Scheibe, eines Rades, eines Drehknopfes oder dergl. sehr genau bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem Drehwinkelmesser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Drehwinkelmesser umfaßt einen Magneten, der in Abhängigkeit von der Drehbewegung gedreht wird, und einen von diesem Magneten beeinflußten GMR mit einer daran angeschlossenen elektronischen Schaltung. Zwischen dem dreh­ baren Teil, dessen Winkelposition bestimmt werden soll, und dem Magneten befindet sich eine mechanische Transmission, de­ ren Übersetzung so gewählt ist, daß kleine Winkeländerungen des drehbaren Teiles eine Mehrzahl vollständiger Umdrehungen des Magneten bewirken. Die an dem GMR angeschlossene Auswer­ teschaltung erfaßt die von dem GMR erzeugten elektrischen Si­ gnale, die jeweils einer Volldrehung des Magneten entspre­ chen. Jede solche Volldrehung des Magneten entspricht einer durch die Übersetzung vorgegebenen kleinen Winkeländerung des drehbaren Teiles. Durch geeignete Wahl der Übersetzung kann daher eine im Prinzip beliebig kleine Winkeländerung des drehbaren Teiles mit diesem Drehwinkelmesser bestimmt werden. Die Übersetzung zwischen der Drehung des drehbaren Teiles und der Drehung der mit dem Magneten versehenen Welle definiert daher gewissermaßen die Einheit, in der die Drehbewegung ge­ messen wird.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfin­ dungsgemäßen Drehwinkelmessers anhand der beigefügten Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 zeigt eine typische Ausgestaltung des Drehwinkelmes­ sers im Querschnitt.

Fig. 2 und 3 zeigen Schemazeichnungen für die Anordnung der mechanischen Transmission.

In Fig. 1 ist das drehbare Teil 1, dessen Winkelposition be­ stimmt werden soll, als Beispiel eines inwendig hohlen Dreh­ knopfes im Querschnitt dargestellt. Das bewegliche Teil 1 ist über einer Halterung 7 angeordnet, die in das Innere des Tei­ les 1 eingreift und durch Führungsrillen 17 oder Nuten, in denen ein ringförmiger Aufsatz oder Wulst auf einem Innen­ kranz des Teiles 1 geführt wird, die möglichen Bewegungen des Teiles 1 auf eine Drehbewegung um die Mittenachse ein­ schränkt. Der für die Detektion der Drehbewegung vorgesehene Magnet 2 befindet sich in ausreichender Nähe zu einem GMR 3 an einer drehbar gelagerten Welle 4. Diese Welle 4 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel im Inneren des Drehknop­ fes und ist koaxial zur Drehachse des Drehknopfes ausgerich­ tet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann diese Welle aber auch exzentrisch angeordnet sein. Bei dem in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Magnet 2 als Dauermagnet miniaturisiert in einer Schale 8 aus weichmagne­ tischem Material, das relativ leicht magnetisierbar ist, aber die Magnetisierung leicht verliert (z. B. Ferrit, Permalloy). Mit dieser Schale 8 wird eine magnetische Abschirmung des GMR 3 auf der von dem GMR abgewandten Seite des Magneten 2 bewirkt. Diese Schale kann aber auch weggelassen sein. An der drehbar gelagerten Welle 4 befindet sich ein Zahnrad 5 oder Zahnkranz, mit dem eine Drehbewegung auf die Welle übertragen werden kann. Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Beispiel befindet sich auf der Innenseite des Innenkranzes des Dreh­ knopfes ein Zahnkranz 6, der eine Folge von mit Zahnrädern versehenen Wellen 10, 11, 12 antreibt. Die Zahnräder 60, 51/61, 52/62 dieser Wellen bilden eine Art Getriebe, mit dem die Drehbewegung des Teiles 1 auf die Welle 4 übertragen wird, und zwar mit einer solchen hohen Übersetzung, daß be­ reits geringfügige Drehwinkel, um die das Teil 1 bewegt wird, zu einer Vielzahl von Volldrehungen des Magneten 2 führen. An dem GMR 3 ist eine in der Fig. 1 nicht eingezeichnete elek­ tronische Schaltung angeschlossen, mit der eine elektrische Spannung an den GMR 3 angelegt werden kann und elektrische Signale, die bei einer Drehbewegung des Magneten 2 aus der sich verändernden Stromstärke des den GMR 3 durchfließenden Stromes resultieren, erfaßt werden können. Die hohe Überset­ zung sowie die vorzugsweise durch die weichmagnetische Scha­ le 8 bewirkte magnetische Abschirmung haben zur Folge, daß externe magnetische Felder die Winkelmessung durch den GMR 3 kaum beeinflussen können. Ausschlaggebend für das Meßergebnis ist in jedem Fall die Zahl der Umdrehungen des Magneten 2 bzw. die zugehörige Winkeländerung des drehbaren Teiles 1; und die Wirkung einer externen magnetischen Beeinflussung bleibt weitgehend reduziert.

In der Fig. 2 ist zur Verdeutlichung der durch die mechani­ sche Transmission des erfindungsgemäßen Drehwinkelmessers ge­ gebenen Übersetzung eine Folge von Wellen mit Zahnrädern in Aufsicht im Schema dargestellt. Das drehbare Teil 1 ("Haupt­ scheibe") wird um einen kleinen Winkel verdreht, der auf eine erste Welle 10 mit einem Zahnrad 50 entsprechend der ersten Übersetzung vergrößert übertragen wird. Ein zweites Zahn­ rad 60, das an dieser Welle 10 vorhanden ist, überträgt deren Drehung erneut in hoher Übersetzung auf ein nachfolgendes Zahnrad 51 einer weiteren Welle. Ein weiteres Zahnrad 61 schließlich treibt über das Zahnrad 5 an der letzten Welle den Magneten 2 an, der wegen der hohen Übersetzungsverhält­ nisse, die sich multiplizieren, auch bei einem geringen Dreh­ winkel des drehbaren Teiles 1 eine Vielzahl von Volldrehungen ausführt.

In Fig. 3 ist eine alternative Anordnung der Transmissions­ elemente gemäß Fig. 2 dargestellt, bei der die Übertragung der Drehbewegung von dem drehbaren Teil 1 auf das Zahnrad 60 der nachfolgenden Welle mittels eines Zahnkranzes 6 an der Innenseite des Teiles 1 erfolgt.

Falls ein GMR konzentrisch zum Magneten positioniert wird, wird durch den GMR bei jeder Volldrehung des Magneten ein Si­ nussignal generiert. Wenn das resultierende elektrische Si­ gnal, beispielsweise mit einem Schmitt-Trigger, digitalisiert wird, ergibt sich eine Reihe von Signalpulsen. Falls z. B. das gesamte Übertragungsverhältnis 360 beträgt, so daß bei einer Drehung des Teils 1 um 1° der Magnet 2 eine Volldrehung be­ schreibt, ergibt sich für jeden Winkelgrad der Drehbewegung ein Signalpuls. Der Meßfehler ist in diesem Fall kleiner als 1°. Der maximale auftretende Meßfehler hängt im allgemeinen nur von der Übersetzung der Transmission des Drehwinkelmes­ sers ab. Die Genauigkeit der Messung kann daher mit dieser Übersetzung vorgegeben werden. Insbesondere ist eine Genauig­ keit unterhalb von 3 Winkelgrad möglich, womit insbesondere auch die Zahl der zuverlässig erkennbaren Winkelpositionen deutlich über 40 erhöht werden kann.

Eine konzentrische Ausrichtung der Welle 4 mit dem Magneten 2 zu der Drehachse des drehbaren Teiles 1 hat den Vorteil, daß diese Teile auch konzentrisch mit dem GMR z. B. als Drehschal­ ter in einem Elektrogerät montierbar sind. Die Drehachse des Magneten muß aber nicht mit der Drehachse des drehbaren Tei­ les zusammenfallen. Die Welle 4 mit dem Magneten kann insbe­ sondere so exzentrisch angeordnet sein, daß es ausreicht, wenn ein Zahnrad der Welle 4 direkt in ein Zahnrad oder einen Zahnkranz des drehbaren Teiles, dessen Drehwinkel gemessen werden soll, eingreift, um die gewünschte hohe Übersetzung zu erreichen.

Mit dem erfindungsgemäßen Drehwinkelmesser kann die Drehbewe­ gung eines Objektes, z. B. einer Scheibe oder eines Drehknop­ fes, mit grundsätzlich beliebig hoher Präzision und ohne jeg­ liche mechanische, elektrische oder optische Verbindung zwi­ schen dem Drehteil und dem GMR-Sensor magnetisch erfaßt wer­ den. Eine Kalibrierung, insbesondere eine Temperaturkompensa­ tion, ist nicht mehr erforderlich, da der GMR-Sensor volle Umdrehungen des Magneten auswertet und nicht den jeweiligen Wert des durch den GMR gebildeten Widerstandes in Abhängig­ keit von unterschiedlichen Ausrichtungen des Magneten. Die Auswertung kann auf einfache Weise mit herkömmlichen elektro­ nischen Bauelementen, wie z. B. einem Schmitt-Trigger oder ähnlicher Elektronik, erfolgen. Der Wert der auftretenden Signalamplitude ist jetzt irrelevant. Die Anzahl der identi­ fizierbaren Positionen des drehbaren Teiles ist gleich der Zahl der Volldrehungen des Magnetes bei einer vollen Umdre­ hung des drehbaren Teiles (Hauptscheibe). Bei einer Überset­ zung von insgesamt 360 können so 360 verschiedene Winkelposi­ tionen bestimmt werden. Der erfindungsgemäße Drehwinkelmesser ist von besonderem Nutzen, wenn hohe Präzision bei berüh­ rungsloser Messung verlangt wird, z. B. um eine ausreichende Abdichtung gegen Schmutz, Licht oder dergl. zu erhalten. Au­ ßer in Positionierungssystemen läßt sich der erfindungsgemäße Drehwinkelmesser z. B. zur Erfassung einer Lenkrad- oder Ven­ tilposition einsetzen.

Claims (5)

1. Drehwinkelmesser zur Bestimmung der Winkelposition eines drehbaren Teiles (1), bei dem
ein Magnet (2) und ein GMR (3) vorhanden sind,
der Magnet (2) drehbar angebracht ist und derart an das drehbare Teil (1) mechanisch gekoppelt ist, daß eine Dre­ hung des drehbaren Teiles eine Drehung des Magnetes (2) bewirkt, und
der GMR (3) derart bezüglich des Magnetes (2) angeordnet und ausgerichtet ist, daß mittels einer an den GMR ange­ legten elektrischen Spannung durch eine Drehung des Magne­ tes (2) ein elektrisches Signal erzeugt werden kann,
der Magnet (2) an einer drehbar gelagerten Welle (4) mit einem Zahnrad (5) oder Zahnkranz befestigt oder mit einem Zahnrad versehen ist,
das drehbare Teil (1) ein Zahnrad oder einen Zahnkranz (6) aufweist,
zwischen diesen Zahnrädern bzw. Zahnkränzen eine mechani­ sche Transmission (10, 11, 12) vorhanden ist,
eine elektronische Schaltung vorhanden ist, mit der ein elektrisches Signal, das mittels einer an den GMR angeleg­ ten elektrischen Spannung durch eine Volldrehung des Ma­ gnetes erzeugt wird, erfaßt wird, und
eine mechanische Transmission durch mindestens eine Welle (10, 11, 12) mit zwei verschiedenen Zahnrädern (50, 60; 51, 61; 52, 62) gebildet wird und
die Übersetzung der Transmission so gewählt ist, daß eine Volldrehung des Magnetes (2) durch eine Teildrehung des drehbaren Teils (1) herbeigeführt wird, wobei die kleinste Teildrehung des drehbaren Teils (1), die eine Volldrehung des Magnetes (2) bewirkt, weniger als 10° beträgt.

2. Drehwinkelmesser nach Anspruch 1, bei dem die kleinste Teildrehung des drehbaren Teils (1), die eine Volldrehung des Magnetes (2) bewirkt, weniger als 3° beträgt.

3. Drehwinkelmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das drehbare Teil (1) ein scheibenförmiger oder zylindri­ scher Drehknopf ist, in dessen Innerem die mechanische Trans­ mission und eine mit dem Magneten (2) versehene Welle (4) an­ geordnet sind und der längs einer inneren Mantelfläche einen Zahnkranz (6) aufweist, an den die Transmission angreift.

4. Drehwinkelmesser nach Anspruch 3, bei dem die mit dem Magneten (2) versehene Welle (4) koaxial zu der Achse des Drehknopfes angeordnet ist.

5. Drehwinkelmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Magnet (2) in einer Schale (8) aus weichmagnetischem Ma­ terial angebracht und so gegenüber dem GMR (3) angeordnet ist, daß sich die Schale (8) auf der von dem GMR (3) abge­ wandten Seite des Magnetes (2) befindet.