DE102005031806A1

DE102005031806A1 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE102005031806A1
Application number: DE102005031806A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Abele
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2007006742A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, insbesondere zur Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle eines Lenksystems, mit einem scheiben- oder ringförmigen Träger, der auf einer Welle quer zu deren Längsachse festgelegt ist und eine Spur von magnetischen Nord- und Südpolen aufweist, wobei die Spur von einem magnetischen Winkelsensor detektiert ist. DOLLAR A Um einen Drehwinkelsensor zu schaffen, mit dem auch nach einer Unterbrechung von dessen Stromversorgung ein absoluter Drehwinkel über einen Bereich, der größer als 360 DEG ist, detektierbar ist, ist vorgesehen, die periodischen Winkelinformationen des Winkelsensors zusätzlich von einem magnetischen Zähler zu detektieren und durch eine Berechnungseinrichtung in einem multiturn-Winkel zu transformieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, insbesondere zur Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle eines Lenksystems, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die DE 102 10 372 A1 beschreibt einen Drehwinkelsensor mit hoher Winkelauflösung wobei auf einem als Polrad ausgebildeten scheiben- oder ringförmigen Träger eine erste Spur von magnetischen Nord- und Südpolen angeordnet ist. Der Träger der ersten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen ist quer zu einer Längsachse einer Welle angeordnet und drehfest mit der Welle verbunden. Mit einem magnetischen Winkelsensor wird die Drehlage der Welle erfasst. Um eine hohe Auflösung des Drehwinkels der Welle zu ermöglichen, ist eine zweite Spur von magnetischen Nord- und Südpolen mit, im Vergleich zur ersten Spur, wesentlich geringeren Bogenlängen der Magnetpole auf dem scheiben- oder ringförmigen Träger angeordnet. Die zweite Spur wird von einem zweiten Magnetfeldsensor vermessen und über eine Winkelfunktion werden die Signale der magnetischen Winkelsensoren linearisiert. Mit einem derartigen Drehwinkelsensor lassen sich Drehlagen einer Welle im Bereich bis 360° hochauflösend ermitteln. Ein solcher Drehwinkelsensor bedarf jedoch eines separaten Zählerbausteins und eines separaten Speicherbausteins und ist nicht in der Lage bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung die Drehlage der Welle absolut wiederzugeben oder eine über 360° hinausgehende Drehlage der Welle darzustellen.

Die DE 198 39 446 A1 beschreibt einen weiteren Drehwinkelsensor der eine absolute Winkelmessung über einen Bereich von 0° bis 360° ermöglicht. Zwei anisotrope Magnetowiderstands-Dünnschichtsensoren sind zu jeweils zwei Wheatstone-Brücken verschaltet und dienen zu einer Extraktion eines winkelabhängigen Nutzsignals in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Sensoren zu einem äußeren Magnetfeld. Zur Unterscheidung der beiden jeweiligen Winkelbereiche von 0° bis 180° und 180° bis 360° wird kurzzeitig ein Hilfsmagnetfeld an die Sensorschaltung angelegt, wodurch sich die von den Wheatstone-Brücken generierten Spannungssignale ändern. Diese Signaländerungen werden in einer Bereichsfunktion ausgewertet, womit eine Winkelmessung über einen Bereich von 0° bis 360° mit dem Drehwinkelsensor ermöglicht ist. Bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung ist eine Initialisierung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelsensor zu schaffen, mit dem auch nach einer Unterbrechung von dessen Stromversorgung ein absoluter Drehwinkel über einen Bereich, der größer als 360° ist, erkannt wird.

Die Aufgabe wird mit einem Drehwinkelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch dass eine Kombination des magnetischen Winkelsensors, welcher die Drehlage des scheiben- oder ringförmigen Trägers der Spur von magnetischen Nord- und Südpolen detektiert, mit einem magnetischen Zähler, dessen Resistivität sich auch bei einem Drehwinkel der größer als 360° ist, signifikant ändert, und der die periodischen Winkelinformationen des Winkelsensors zählt und diese periodischen Winkelinformationen von einer Berechnungseinrichtung in einen multiturn- Winkel transformiert werden, in einem Drehwinkelsensor vorgesehen ist, ist der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor in der Lage, hochauflösend eine Drehwinkellage der Welle zu erkennen. Auch nach einer Unterbrechung der Versorgungsspannung für den Drehwinkelsensor ist dies ermöglicht, da der magnetische Zähler als Speicher für Drehwinkellagen von mehr als 360° geeignet ist. Seine Resistivität ändert sich signifikant über mehrere Umdrehungen der Spur von magnetischen Nord- und Südpolen auf dem scheiben- oder ringförmigen Träger in diskreten Winkelsegmenten von beispielsweise 180°. Die Speicherung der Drehwinkellagen geschieht in dem magnetischen Zähler somit stromlos. Der magnetische Zähler ist dabei Sensor und Speicher zugleich.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der magnetische Zähler und die Berechnungseinrichtung können eine Einheit in Form eines Sensors bilden. Der magnetische Zähler ist bevorzugt als Streifenleiter vorgesehen, der in der Art eines GMR-Sensors aus einer Multischicht-Struktur, bestehend aus einer Abwechslung von Schichten aus ferromagnetischem Übergangsmetall und Schichten aus nicht magnetischem Metall, besteht. Er weist eine Anzahl von spiralförmig mit parallel zueinander angeordneten geraden Abschnitten auf. Auf einem Silitium-Substrat kann folgende Schichtabfolge der Multischichtstruktur aufgebaut sein:Tantal mit einer Aluminiumkontaktierung – Antiferromagnet – Referenzschicht (CoFe) – unmagnetische Schicht – Sensorschicht (NiFe/CoFe) – Tantal.
In solchen Multischichtstrukturen tritt unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes ein Riesen-Magnetowiderstandseffekt auf, wobei sich die relative Ausrichtung der Magnetisierungen der aufeinanderfolgenden ferromagnetischen Schichten ändert. Die Resistivität des GMR-Sensors ändert sich dadurch. In schmalen streifenförmig und spiralförmig ineinander geschachtelten Multischichtstrukturen bilden sich Domänenwände, d.h. Bereich in denen sich über eine bestimmte Strecke die Magnetisierung um 180° dreht. Die jeweilige Domänenwand trennt Bereiche in denen die Magnetisierung um 180° voneinander abweicht. Bei eine Drehung des scheiben- oder ringförmigen Trägers einer Spur von magnetischen Nord- und Südpolen an dem magnetischen Zähler ändert sich beim Vorbeistreichen eines jeden Polpaares die Magnetisierung in der Multischichtstruktur und die Resistivität des magnetischen Zählers, die signifikant über mehrere Umdrehungen des scheiben- oder ringförmigen Trägers ist und die über einen an den magnetischen Zähler angelegten Strom gemessen werden kann.
Auch im stromlosen Zustand des magnetischen Zählers bleibt die Resistivität für den jeweiligen Drehwinkel des scheiben- oder ringförmigen Trägers signifikant erhalten, sodaß eine etwaige Unterbrechung der Stromversorgung des Drehwinkelsensors bedeutungslos ist und keiner Initialisierung bedarf. Um die relativ grobe Auflösung des magnetischen Zählers zu verfeinern, ist der die Polpaare abtastende magnetische Winkelsensor bevorzugt als ein empfindlicher MR-, GMR- oder Hallsensor ausgebildet. In einer besonders für ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehene Ausführungsform des Drehwinkelsensors, ist der magnetische Zähler mit mindestens 3 Spuren und bevorzugt mit 12 Spuren ausgestattet und der scheiben- oder ringförmige Träger weist mindestens 1 Polpaar magnetischer Nord- und Südpole und bevorzugt 8 Nord- und Südpole (4 Polpaare) auf. Der aus dem magnetischen Winkelsensor und dem magnetischen Zähler gebildete Drehwinkelsensor ist bevorzugt auf einer Leiterplatte angeordnet und dessen Zählerstand oder Resistivitätsänderungen werden von der Berechnungseinrichtung erfasst, die einen hochaufgelösten Drehwinkel einer als Lenkwelle ausgebildeten Welle ermittelt.
Der hochaufgelöste Drehwinkel kann als Sollwert für eine Regelung des Lenksystems, das beispielsweise als steer-by-wire-Lenkung aufgebaut ist, dienen. Das Lenksystem kann für jedwedes Fahrzeug, insbesondere aber für ein Personenkraftfahrzeug oder für einen Nutzkraftwagen dienen.
Es kann zweckmäßig sein, in dem Drehwinkelsensor mehrere magnetische Zähler und mehrere magnetische Winkelsensoren redundant zu verschalten um eine hohe Ausfallsicherheit des Drehwinkelsensor zu gewährleisten. Der Drehwinkelsensor kann auch örtlich und in Bezug auf die Anbindung an die Berechnungseinrichtung funktional mit einem Drehmomentsensor kombiniert sein.

Claims

Drehwinkelsensor, insbesondere zur Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle eines Lenksystems, mit einem scheiben- oder ringförmigen Träger der auf einer Welle quer zu deren Längsachse festgelegt ist und eine Spur von magnetischen Nord- und Südpolen aufweist, wobei die Spur von einem magnetischen Winkelsensor detektiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Winkelinformationen des Winkelsensors von einem magnetischen Zähler gezählt sind und durch eine Berechnungseinrichtung in einen multiturn-Winkel transformiert sind.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung und der magnetische Zähler eine Einheit bilden.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Zähler aus einer Anzahl an Spuren von spiralförmig, mit parallel zueinander angeordneten, geraden Abschnitten von Multischichtstrukturen gebildet ist, deren Resistivität von der Anzahl der Umdrehungen des scheiben- oder ringförmigen Trägers abhängt.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Zähler eine Spurenanzahl von mindestens 3 aufweist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Zähler eine Spurenanzahl von 12 aufweist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der scheiben- oder ringförmige Träger mindestens 1 Polpaar aufweist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der scheiben- oder ringförmige Träger 8 Pole aufweist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Winkelsensor ein MR-, ein GMR- oder ein Hallsensor ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Winkelsensor und der magnetische Zähler auf einer Leiterplatte angeordnet sind und deren Zählerstand oder Resistivitätsänderung von der Berechnungseinrichtung erfasst und ein absoluter, hochaufgelöster Drehwinkel der Welle bestimmt ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle die Lenkwelle oder eine mit der Lenkwelle gekoppelte Welle eines Lenksystems eines Personen- oder Nutzkraftwagens ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelsensor mehrere magnetische Zähler und mehrere magnetische Winkelsensoren aufweist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Zähler und die magnetischen Winkelsensoren redundant verschaltet sind.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelsensor mit einem Drehmomentsensor kombiniert ist.