DE10123513A1 - Elektrische Meßtechnik, speziell Weg- und Winkelaufnehmer mit magnetoresistiven Sensorelementen - Google Patents

Abstract

Die Magnetsteuereinheit für magnetoresistive Drehwinkelsensoren enthält einen zweipolig axial magnetisierten Magneten (2), eine ferromagnetische Rückschlußplatte (5) und einen Magnetträger (6), an dem der Magnet (2) und die Rückschlußplatte (5) befestigt sind. Der Magnet (2) hat die Form einer Kreisscheibe und seine Oberseite (2') schließt bündig mit der Oberseite (6') des Magnetträgers (6) ab.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetsteuereinheit für magnetoresistive Drehwinkelsensoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf Verfahren zur Herstellung einer solchen Magnetsteuereinheit gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 6 bis 8. Eine solche Magnetsteuereinheit ist aus der DE 37 32 958 C2 bekannt. Dort ist ein Drehstellungsgeber zur Sensierung der Drehstellung eines rotierenden Körpers, insbesondere einer rotierenden Welle beschrieben, mit einem mit der Welle umlaufenden Magnetfeldgenerator und einem feststehenden Magnetfeldsensor, dessen Ausgangssignal von Größe und Richtung des ihn durchsetzenden Magnetfeldes abhängig ist. Der Magnetfeldgenerator ist ein axial mehrpolig magnetisierter Magnetring aus Permanentmagnetmaterial und ein auf dem rotierenden Körper drehfest gehaltenes Rückschlußteil. Der Magnetfeldsensor ist beispielsweise ein Hall-Sensor, dessen Hallelemente von dem Magnetfeld des Magnetringes durchsetzt werden.
• Ähnliche Drehwinkelsensoren mit Permanentmagneten in Form eines Kreisringes sind in der DE 197 53 779 A1, DE 197 53 775 A1, DE 197 53 776 A1 und DE 196 47 897 A1 beschrieben.
• Gemäß dem Stand der Technik wird bei MR-Sensoren, wie AMR (anisotrop magnetoresistiv) oder GMR (giant magnetoresistiv), eine Magnetfeld(richtungs-)empfindlichkeit in der Ebene der Sensorelemente ausgenutzt, d. h. die Tangentialkomponente des Magnetfeldes. Im einfachsten Fall kommen als Steuermagnete quaderförmige Blockmagnete in Frage, bei denen die Magnetisierungsrichtung parallel zu einer der Kanten liegt. Dabei erstreckt sich deren Streufeld allseitig weit in den umgebenden Raum, so daß die im Magnetvolumen gespeicherte magnetische Energie nur sehr unbefriedigend genutzt werden kann. Als Folge hiervon ist man häufig, insbesondere wenn MR-Sensoren vom AMR-Typ verwendet werden sollen, auf den Einsatz von teuren Seltenerdmagneten angewiesen, während mit preiswerteren keramischen Magneten oft nur eine unzureichende Feldstärke erzielt wird. Eine gewisse Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, daß weichmagnetische Polschuhe verwendet werden, die das Magnetfeld mehr am Ort des Sensors konzentrieren. Diesen Vorteil erkauft man sich allerdings mit einem zusätzlichen Aufwand bei der Aufbau- und Verbindungstechnik und damit erhöhten Kosten, so daß eine solche Lösung bei kostensensiblen Anwendungen, wie z. B. der Automobil-Sensorik, nicht einsetzbar ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine weiterentwickelte Magnetsteuereinheit für Winkelaufnehmer der eingangs genannten Art anzugeben sowie ein Herstellverfahren, mit dem eine solche Magnetsteuereinheit kostengünstig mit der gewünschten Präzision realisiert werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. für das Verfahren durch die in den Patentansprüchen 6 bis 8 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, daß der Magnet die Form einer zweipolig durch die Fläche magnetisierten Kreisscheibe hat, die zusammen mit einer weichmagnetischen Rückschlußplatte so in einem Magnetträger angebracht ist, daß die Oberseite des Magneten vorzugsweise bündig mit der Oberseite des Magnetträgers abschließt, wobei der Magnetträger aus nicht magnetischem Material, insbesondere aus Kunststoff ist.
• Das wesentliche Grundprinzip des Verfahrens besteht darin, daß eine magnetisierbare Kreisscheibe und eine weichmagnetische Rückschlußplatte in einem Magnetträger aus Kunststoff umspritzt werden und erst danach die zweipolige axiale Magnetisierung durchgeführt wird. Auf diese Weise lassen sich Fertigungstoleranzen wie z. B. ein radialer Versatz des Magneten ausgleichen, so daß insbesondere die Polteilung wieder durch den Drehmittelpunkt verläuft.
• Der Magnetträger kann insbesondere ein Zahnrad sein und spritztechnisch sehr kostengünstig hergestellt werden. Der Scheibenmagnet hat typische Abmessungen von z. B. Durchmesser 8 mm × Höhe 3 mm und wird in unmagnetisiertem Zustand zusammen mit einer rückseitigen weichmagnetischen Scheibe von ca. 1 mm Dicke als Einlegeteil in den Magnetträger eingespritzt. Der Magnetträger kann ein vollständiges Zahnrad, ein Zahnsegment oder ein sonstiges beliebig geformtes Funktionselement sein. Die Rückschlußplatte und/oder die magnetisierbare Scheibe können am Rand eine Struktur, wie z. B. eine Riffelung aufweisen, welche die Verankerung im Kunststoff begünstigt.
• Die Positionierung wird vorzugsweise so vorgenommen, daß beim Fertigteil der Magnet mit seiner einen Kreisfläche, d. h. der später dem Sensor zugewandten Seite, bündig mit dem Magnetträger abschließt und an seiner rückwärtigen Fläche eng an der weichmagnetischen Scheibe anliegt, die während und nach der Magnetisierung als Rückschlußplatte wirkt.
• Die Magnetisierung wird mit Hilfe von Magnetisierungsspulen durchgeführt, die einseitig eng an die Oberfläche der magnetisierbaren Scheibe, die den späteren Magneten bildet, herangeführt und kurzzeitig bestromt werden. Aufgrund der Rückschlußplatte wird keine Spule auf der Rückseite benötigt. Da die Magnetisierung am Magnetträger, d. h. an der fertigen Magnetsteuereinheit durchgeführt wird, lassen sich eventuelle Fertigungstoleranzen so ausgleichen, daß sie letztendlich keinen Einfluß auf die Lage und die Richtung der Polteilung haben.
• Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Verwendung eines runden Scheibenmagneten keine besonderen Maßnahmen zur Ausrichtung des Magneten bei der Herstellung der Magnetsteuereinheit erfordert. Weiter hilft die nachträgliche Magnetisierung beim Ausgleich mechanischer Fertigungstoleranzen. Die zweipolig-axiale Magnetisierung erlaubt hohe Feldstärken am Einsatzort "vor" dem Magneten und ermöglicht somit die Verwendung von preiswerten keramischen Magneten auf Ferritbasis als Steuermagnete für Drehwinkelsensoren. Die Verwendung einer weichmagnetischen Rückschlußplatte erlaubt eine einfache Magnetisierung und verbessert den Arbeitspunkt des Magneten. Dadurch wird die nutzbare Feldstärke nochmals erhöht und zusätzlich einer Entmagnetisierungsneigung während des Einsatzes vorgebeugt.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert.
• Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine Magnetsteuereinheit nach der Erfindung, einschließlich der zu ihrer Herstellung verwendeten Magnetisierungsspulen.
• Die Magnetsteuereinheit 1 enthält einen kreisscheibenförmigen Magneten 2, der zweipolig axial magnetisiert ist, also einen Nordpol 3 und einen Südpol 4 hat und eine dazwischenliegende, sich senkrecht durch den Magneten 2 erstreckende Polteilung 3'. Der Magnet 2 ist in einen Magnetträger 6 eingelassen und zwar vorzugsweise so, daß die Oberseite 2' des Magneten bündig mit der Oberseite 6' des Magnetträgers 6 abschließt. Die Unterseite des Magneten ist in unmittelbarem Kontakt mit einem kreisscheibenförmigen Rückflußleitblech 5 aus ferromagnetischem, vorzugsweise weichmagnetischem Material. Das Rückflußleitblech 5 und der Magnet 2 werden vorzugsweise zusammen in Spritzgußtechnik an bzw. in den Magnetträger eingelassen, wobei die Mantelflächen des Magneten 2 und/oder des Rückflußleitbleches 5 strukturiert sind, also beispielsweise eine Riffelung oder ähnliches aufweisen, um eine bessere Verankerung im Kunststoff des Magnetträgers 6 zu gewährleisten. Der Magnetträger kann beispielsweise ein Zahnrad sein, was durch eine Verzahnung 7 angedeutet ist. Dieses Zahnrad kann mit einem anderen Zahnrad kämmen, das mit einer drehbaren Welle, deren Lage gemessen werden soll, gekoppelt ist.
• Nach dem Herstellverfahren der Erfindung werden in einem ersten Arbeitsschritt die noch nicht magnetisierte Kreisscheibe, die später den Magneten bildet, und die weichmagnetische Scheibe, die das Rückflußleitblech 5 bildet, gemeinsam und einander berührend in den Magnetträger 6 eingespritzt. Anschließend werden Magnetspulen 8 an die Oberseite 2' des späteren Magneten herangeführt und bestromt, womit die Magnetisierung erfolgt. Die Magnetspulen 8 bestehen hier aus einer ersten Spule 9 und einer zweiten Spule 10. Die erste Spule 9 hat einen geraden Abschnitt 13, an den sich beidlinig ein erster und ein zweiter gekrümmter Abschnitt 11 bzw. 12 anschließen, die in etwa einen Halbkreis bilden. Die beiden gekrümmten Abschnitte 11 und 12 enden in Zuleitungen 14 bzw. 15, die mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden werden. Es wird dann ein elektrischer Strom in Richtung der Pfeile 16 und 17 durch die erste Spule 9 geschickt, wodurch die Magnetisierung des Magneten 2 erfolgt. In analoger Weise ist die zweite Spule 10 spiegelsymmetrisch zur ersten Spule 9 aufgebaut und angeordnet und entsprechend den im oberen Teil der Fig. 1 gezeigten Pfeilen bestromt. Der Vorteil eines solchen, zweiteilig ausgeführten Magnetisierungsspulenpaars liegt unter anderem in der Möglichkeit, bei Bedarf eine räumlich ausgedehnte Polteilungzone zu erzeugen.
• Eine weitere Ausführungsform der Magnetisierungseinrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine einteilige Magnetisierungsschleife, welche sich durch einen noch einfacheren Aufbau auszeichnet. Sie besteht aus den Zuleitungen 20 und 21 sowie der eigentlichen Leiterschleife, welche aus dem geradlinigen Mittelteil 22 sowie aus einem ersten und einem zweiten halbkreisförmig gekrümmten Teilstück 23 bzw. 24 gebildet wird. Die Pfeile 25 und 26 symbolisieren wieder die Stromrichtung während des Magnetisierungsvorganges. In einer weiteren, hier nicht eigens dargestellten Ausführungsart kann man die Leiterschleife aus der Fig. 2 sogar noch auf den geradlinigen Mittelteil 22 reduzieren. Auch hierbei liegt der geradlinige Stromleiter 22 während des Magnetisierungsvorganges entlang der gewünschten Polteilung 3' an der Oberseite 2' des Magneten an. Diese einfachste Form für die Stromschleife wird dann allerdings mit einer schlechteren Homogenität bei der Magnetisierung erkauft.

Claims (8)

1. Magnetsteuereinheit für magnetoresistive Drehwinkelsensoren, mit einem mehrpolig axial magnetisierten Permanentmagneten, einer mit dem Magneten in Berührung stehenden ferromagnetischen Rückschlußplatte und einem Magnetträger aus Kunststoff, an dem der Magnet und die Rückschlußplatte befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) die Form einer Kreisscheibe hat, daß der Magnet (2) zweipolig (3, 4) magnetisiert ist und daß die Rückschlußplatte (5) und der Magnet (2) in dem Magnetträger (6) so angebracht sind, daß die Oberseite (2') des Magneten (2) bündig mit der Oberseite (6') des Magnetträgers (6) abschließt.

2. Magnetsteuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetträger (6) aus spritzbarem Kunststoff ist und daß der Magnet (2) und die Rückschlußplatte (5) als Einlegeteile in den Magnetträger eingespritzt sind.

3. Magnetsteuereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der Rückschlußplatte (5) und/oder des Magneten strukturiert, z. B. geriffelt, ist.

4. Magnetsteuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) ein keramischer Sintermagnet ist.

5. Magnetsteuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlußplatte (5) eine weichmagnetische Kreisscheibe ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Magnetsteuereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte:

- Umspritzen einer hartmagnetisierbaren Scheibe (2) und einer mit dieser in unmittelbarem Kontakt stehenden ferromagnetischen Scheibe (5);

- Heranführen von Magnetisierungsspulen (8, 9, 10) an die Oberseite (2') der magnetisierbaren Scheibe; und

- Einschalten eines Magnetisierungsstromes zum zweipoligen, axialen Magnetisieren der magnetisierbaren Scheibe (2).

7. Verfahren zur Herstellung einer Magnetsteuereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte:

- Umspritzen einer hartmagnetisierbaren Scheibe (2) und einer mit dieser in unmittelbarem Kontakt stehenden ferromagnetischen Scheibe (5);

- Heranführen einer Magnetisierungsschleife, bestehend aus den Zuleitungen (20, 21) und den Teilstücken (22, 23, 24) an die Oberseite (2') der magnetisierbaren Scheibe; und

- Einschalten eines Magnetisierungsstromes zum zweipoligen, axialen Magnetisieren der magnetisierbaren Scheibe (2).

8. Verfahren zur Herstellung einer Magnetsteuereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte:

- Umspritzen einer hartmagnetisierbaren Scheibe (2) und einer mit dieser in unmittelbarem Kontakt stehenden ferromagnetischen Scheibe (5);

- Heranführen eines geradlinigen Stromleiters zum Zwecke der Magnetisierung, bestehend aus den beiden Zuleitungen (20, 21) und einem mit den beiden Zuleitungen direkt verbundenen mittleren Teilstück (22) an die Oberseite (2') der magnetisierbaren Scheibe; und

- Einschalten eines Magnetisierungsstromes zum zweipoligen, axialen Magnetisieren der magnetisierbaren Scheibe (2).