DE19757008A1 - Sensoranordnung zur Erfassung von Winkeländerungen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von Winkeländerungen, insbesondere zur Torsionsmessung an Achsen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist bereits aus der US-PS 5,501,110 eine Sensoranord­ nung bekannt, bei der das auf eine Achse übertragene Drehmoment erfaßt werden soll. Das Drehmoment wird aus der Torsion bzw. dem Verdrehwinkel der Achsenden und ei­ ner Konstante, die vom Material und der Geometrie der Achse abhängt, bestimmt. Es sind hierbei zwei Magnete und jeweils ein den Magneten gegenüberliegender Hall-Sensor auf zwei sich jeweils mit der Achse drehenden Scheiben angebracht, die an die Achsenden mechanisch fest angekop­ pelt sind.

Beispielsweise zur Erfassung des auf eine Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges wirkenden Drehmomentes während der Drehung des Lenkrades müssen sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrichtungen des Lenkrades gemessen werden. Bei der Auswertung der Feldänderungen des von den Magne­ ten ausgehenden Feldes ist daher eine äußerst empfindli­ che und auch temperaturstabile Meßanordnung erforder­ lich.

Vorteile der Erfindung

Die Sensoranordnung zur Erfassung kleiner Winkeländerun­ gen an bewegten mechanischen Bauteilen mit den gattungs­ gemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs ist mit den erfin­ dungsgemäßen Merkmalen in vorteilhafter Weise weiterge­ bildet, da hier ein Sensor mit hoher Empfindlichkeit ver­ wendet wird.

Dadurch, daß das Magnetfeld des Magneten in Richtung auf den jeweils gegenüberliegenden Sensor verläuft und der Sensor ein magnetoresistiver Sensor ist, wird eine große Empfindlichkeit bei der Feldlinienerfassung möglich. Der magnetoresistive Sensor ist derart dem einen Pol des Mag­ neten gegenüberliegend angeordnet, daß die magnetfeld­ empfindliche Schicht tangential zu der die Winkeländerung verursachenden Drehung liegt. Hierdurch wird in vorteil­ hafter Weise ausgenutzt, daß auf engem Raum (beispiels­ weise < 1 mm) über dem Pol des Magneten ein starker Wech­ sel der Richtung der Feldlinien auftritt.

Die erfindungsgemäßen magnetoresistiven Sensoren werden aufgrund ihrer ausgeprägten Empfindlichkeit für eine (hier tangentiale) Richtungskomponente der Feldlinien li­ near ausgesteuert und erlauben hiermit eine Messung von sehr kleinen Winkeländerungen bei einer Drehung des Mag­ neten oder des Sensors.

Ein bevorzugte Anwendung der Erfindung ergibt sich bei einer Sensoranordnung zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse, die für sich gesehen aus der eingangs ge­ nannten US-PS 5,501,110, bekannt ist. Hier wird der Ma­ gnet und der Sensor mechanisch jeweils an, in axialer Richtung, unterschiedlichen Stellen der Achse angekoppelt und liegen sich derart gegenüber, daß eine Torsion der Achse als Winkeländerung erfaßbar ist.

In vorteilhafter Weise kann die Meßanordnung dadurch realisiert werden, daß zwei Sensoren im Magnetfeld des Magneten angeordnet und derart zusammengeschaltet sind, daß deren Differenzausgang ohne eine Winkeländerung zu Null setzbar ist. Der Nullpunkt liegt vor, wenn die dre­ hende Achse unbelastet ist. Eine relative Verdrehung der Teile mit dem Magneten und den Sensoren bewirkt eine Dif­ ferenz der elektrischen Analogausgänge der zwei Sensoren, welche durch elektronische Signalverarbeitung direkt als Drehmoment ausgegeben werden kann.

Der Magnet kann auf einfache Weise zylinderförmig mit axialer Magnetisierung aufgebaut sein, wobei der magneto­ resistive Sensor bevorzugt ein AMR-Sensor (AMR = ani­ sotrop magnetoresistiv), ein GMR-Sensor (GMR = giant ma­ gnetoresistiv) oder ein CMR-Sensor (CMR = colossal magne­ toresistiv) ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoran­ ordnung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Trägerteils für einen Magneten, wobei das Trägerteil an einem Achsende befestigbar ist und

Fig. 2 eine Ansicht eines magnetoresistiven Sen­ sors, der im Bereich der Feldlinien des Magneten nach Fig. 1 angeordnet ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Trägerteil 1 gezeigt, welches mit ei­ nem Schaft 2 auf einer hier nicht dargestellten drehenden Achse befestigt wird. Das Trägerteil 1 dreht mit der Ach­ se um die Koordinate z. Auf dem Umfang des Trägerteils 1 befindet sich ein zylinderförmiger Magnet 3, dessen Feld­ linien 4 hier gemäß der Darstellung verlaufen. Durch eine Drehung der Achse ist der Magnet 3 mit den Feldlinien 4 in einem Winkel in der x-y-Ebene auslenkbar.

In Fig. 2 ist der Magnet 3 mit den Feldlinien 4 im De­ tail gezeigt. Ein magnetoresistiver Sensor 5 ist dem ei­ nen Pol des Magneten 3 gegenüberliegend angeordnet. Zur besseren Übersichtlichkeit ist auf eine zusammenhängende Darstellung der Anordnung des Trägerteils 1 mit einem entsprechenden Trägerteil für den Sensor 5 verzichtet worden.

Aus der Fig. 2 ist jedoch erkennbar, wie der Sensor 5 angeordnet werden muß, damit er im Bereich der Feldlini­ en 4 zu liegen kommt. Das Trägerteil für den Sensor 5 ist an einem anderen Achsende wie das Trägerteil 1 befestigt, so daß eine relative Verdrehung des Magneten 3 und des Sensors 5 zueinander, hervorgerufen durch eine Torsion der Achse, gemessen werden kann.

Da der magnetoresistive Sensor 5 eine besondere Empfind­ lichkeit hinsichtlich der x-Komponente der Feldlinien 4 aufweist wirkt sich eine Verdrehung eines der beiden Bau­ teile 3 oder 5 um die z-Achse schon bei kleinen Winkelän­ derungen mit einer starken Veränderung des Ausgangs­ signals des Sensors 5 aus.

Es ist aus der Fig. 2 zu erkennen, daß beispielsweise die Feldlinie 4.1 eine x-Komponente von null aufweist und damit schon die unmittelbar benachbarte Feldlinie 4.2 ei­ ne gut meßbare Steigerung der x-Komponente erfährt. So­ mit werden insbesondere kleine Winkeländerung, die bei der relativ geringen Torsion auftreten, meßbar und es ist eine präzise Bestimmung des auf die Achse wirkenden Drehmomentes möglich.

Claims (7)

1. Sensoranordnung zur Erfassung kleiner Winkeländerungen an bewegten mechanischen Bauteilen, mit

• - einem Magneten (3) und mit mindestens einem dem Bauele­ ment gegenüberliegendem Sensor (5), der ein von der Rich­ tung der Feldlinien (4) des Magneten (3) abhängiges elek­ trisches Ausgangssignal abgibt, wobei
• - der mindestens eine Sensor (5) und der Magnet (3) je­ weils an den relativ zueinander bewegten mechanischen Bauteilen (1) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Magnetfeld des Magneten (3) in Richtung auf den ge­ genüberliegenden Sensor (5) verläuft und daß
• - der Sensor (5) ein magnetoresistiver Sensor (5) ist, der derart dem einen Pol des Magneten (3) gegenüberlie­ gend angeordnet ist, daß die magnetfeldempfindliche Schicht tangential zu der die Winkeländerung verursachen­ den Drehung liegt.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 zur Erfassung des Drehmoments an einer Achse, wobei

• - der Magnet (3) und der Sensor (5) mechanisch jeweils an, in axialer Richtung unterschiedlichen Stellen der Achse angekoppelt sind und sich derart gegenüberliegen, daß eine Torsion der Achse als Winkeländerung erfaßbar ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet daß

• - zwei Sensoren (5) im Magnetfeld des Magneten (3) ange­ ordnet und derart zusammengeschaltet sind, daß deren Differenzausgang ohne eine Winkeländerung zu Null setzbar ist.

4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Magnet (3) zylinderförmig mit axialer Magnetisie­ rung aufgebaut ist.

5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der magnetoresistive Sensor (5) ein AMR-Sensor ist.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche, 1 bis 4 da­ durch gekennzeichnet, daß

• - der magnetoresistive Sensor (5) ein GMR-Sensor ist.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche, 1 bis 4 da­ durch gekennzeichnet, daß

• - der magnetoresistive Sensor (5) ein CMR-Sensor ist.