Die Erfindung betrifft einen Encoder. Ferner betrifft die Anmeldung eine_Lagereinheit aufweisend den Encoder.

Aus dem Stand der Technik sind Encoder seit langem bekannt. Magnetische Encoder und magnetfeldmessende Sensoren werden zur berührungslosen Erfassung von Relativbewegungen zwischen stehenden und beweglichen Maschinenteilen

verwendet. Der Encoder weist ein magnetisches Bauteil auf, das entlang der

Bewegungsrichtung mit einer oder mehreren alternierenden Magnetisierungen, d.h. Nord-Südpol, versehen ist. Der magnetfeldmessende Sensor erkennt diese

Polwechsel und setzt sie in ein elektrisches Signal um, die für eine computergestützte Weiterverarbeitung nützlich ist. Um die Auflösung des Systems zu erhöhen, d.h. mehr Inkremente pro Weg und/oder Drehwinkel zu erzeugen, kann man entweder mehr magnetische Pole auf den Encoder magnetisieren, oder die Signalauswertung ändern.

Die Anzahl der Polpaare lässt sich erhöhen, was jedoch, bedingt durch die kleinere Polfläche, gleichzeitig mit einem Verlust an Signalstärke einhergeht, so dass der magnetfeldmessende Sensor das Magnetfeld des Encoders nicht mehr sicher erkennen kann, was in einer fehlerhaften Drehzahlerfassung resultiert. Dieser Verlust an Signalstärke lässt sich nur bedingt durch einen stärker magnetisierbaren Werkstoff des Magnetteils kompensieren.

Um die Auflösung der Signalauswertung zu erhören gibt es verschiedene

Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit ist in der US 7,825,653 B2 beschrieben, wobei in einem Sensor eine Einheit enthalten ist, die eine Impulsfolge erzeugt. Nachteilig ist, dass sich ein großer Zeitversatz zwischen Sensorausgang und Encoderbewegung ergibt, da die Impulsfolge erst in einem Chip erzeugt werden muss. Eine weitere Möglichkeit ist in der US 7,923,993 B2 beschrieben, wobei ein Einsatz mehrerer Magnetspuren und mehrerer Messelemente erfolgt. Da mehrere Spuren mit exaktem Winkelversatz nötig sind, ist eine Herstellung zeit- und kostenintensiv. Es besteht somit die technische Aufgabe die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Damit soll auch ein Encoder bereitgestellt werden, bei dem ein Magnetfeld weitgehend unabhängig von der Lage oder Lageschwankungen bedingt durch

Bauteiltoleranzen von Encoder und Sensor ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch einen Encoder für Lagereinheiten aufweisend ein mit einem Trägerteil verbundenen Magnetteil, wobei das Magnetteil einen durch eine Vielzahl an Magneten ausgebildeten U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei die Magnete mit alternierenden Magnetisierungen abwechselnd angeordnet sind, und wobei sich in einem vom U-förmigen Querschnitt ausgebildeten Hohlraum ein annähernd homogenes Magnetfeld ausbildet und eine Signalamplitude der Magnetisierung entlang des Encoderumfanges und innerhalb des Hohlraumes nahezu unabhängig von der Position eines magnetfeldmessenden Sensors ist.

Durch das Vorsehen des Encoders ist die Amplitude des resultierenden sinusförmigen Magnetfeldes in einem Sensor weitgehend unabhängig von dessen Lage oder Lageschwankungen bedingt durch Bauteiltoleranzen. Vorzugsweise ist das Magnetteil ringförmig ausgebildet. Die Pole der Magnete des Magnetteils sind derart angeordnet, dass immer ein Pluspol (Nordpol) eines Magneten am Minuspol (Südpol) eines anderen Magneten anliegt und umgekehrt. Bevorzugt bildet sich in einem vom U-förmigen Querschnitt ausgebildeten Hohlraum ein annähernd homogenes Magnetfeld aus.

Vorzugsweise ist die nahezu konstante Amplitude der sinusförmigen Magnetfeldes für die nachfolgende Signalverarbeitung im Sensor heranzuziehen, um die Anzahl der Schaltschwellen zur Umsetzung des Magnetfeldes in ein digitales Signal (elektrischer Strom oder Spannung) anzupassen. Somit können bei gleicher Polpaarzahl mehr Pulse aus dem System gegeben werden.

Vorzugsweise wird für den erfindungsgemäßen U-förmigen Querschnitt ein bewährter Werkstoff vergleichbar dem Stand der Technik für das Magnetteil eingesetzt, was sich kostenreduzierend auswirkt. Vorzugsweise können verbleibenden Schwankungen im Signal durch entsprechend adaptiv nachgeführte Schaltschwellen im Chip kompensiert werden. Besonders bevorzugt ist der Encoder ein Encoderring.

Bevorzugt ist der Hohlraum ein freier Raum. Durch das Vorsehen des U-förmigen Querschnitts lässt sich im Hohlraum, der vom U-förmigen Querschnitt der Magnete begrenzt ist, das annähernd homogenes Magnetfeld auf einfache Weise erzeugen.

Vorzugsweise weisen die Magnete die Form von Hufeisenmagneten auf. Damit ist eine Form für die Magnete gewählt, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Magnete einen ersten Teilbereiche mit einem ersten L-förmigen Querschnitt und einen zweiten Teilbereich mit einem zweiten L-förmigen Querschnitt auf, wobei beide Teilbereiche

unterschiedlich magnetisiert sind.

Bevorzugt liegt eine Rotationsachse des Encoders parallel zu einem der Schenkel des Trägerteils. Damit erstreckt sich die Ausrichtung des U-Förmigen Querschnittes entweder in einer axialen oder radialen Richtung.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Magnetteil aus einem Compound bestehend aus Trägermatrix und magnetischem Füllstoff

zusammengesetzt ist, wobei eine Trägermatrix aus einem Elastomer, Thermoplast oder Duroplast zusammengesetzt ist und wobei der magnetische Füllstoff

hartmagnetisches Ferrit, Eisen, seltene Erden oder eine Kombination daraus enthält.

Vorzugsweise kann ein Anbindung des Magnetteils ans Trägerteil mittels

adhäsiver/kohäsiver Methoden unter Verwendung eines Bindemittels (Primer) oder eines Bindemittelsystems (Primer und Cover) erfolgen. Zusätzlich kann ein

mechanisches Umgreifen des Trägerteils durch das Magnetteil vorgesehen werden.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt das Magnetteil plan an einer Seite des Trägerteils an.

Damit lassen sich die Magnete bzw. das gesamte Magnetteil auf einfache Weise flächig am Trägerteil fixieren.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch eine Lagereinheit aufweisend einen Sensor und einen Encoder, wie oben beschrieben, wobei der Sensor im vom U-förmigen Querschnitt ausgebildeten Hohlraum angeordnet ist. Durch das Vorsehen des U-förmigen Querschnitts lässt sich im Hohlraum, der vom U- förmigen Querschnitt der Magnete begrenzt ist, das annähernd homogenes

Magnetfeld auf einfache Weise erzeugen.

Vorzugsweise ist die Lagereinheit als ein Radlager für NKW, LKW, PKW, etc.

ausgebildet.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform beruht die Wandlung des Magnetfelds in ein elektrisches Signal auf dem Prinzip des magnetoresistiven Effekts, des Hall- Effekts, der Verwendung von Feldplatten, dem magnetoelastischen Effekt oder der Verwendung von Saturationskern-Magnetometern.

Vorzugsweise ist die mit dem Sensor erfassbare magnetische Signalstärke

(Flussdichte oder Feldstärke) innerhalb eines tolerierten Positions-Bereiches aus technischer Sicht konstant. Ein Saturationskern-Magnetometer, auch Fluxgate- Magnetometer oder umgangssprachlich im deutschen Sprachraum nach dem Erfinder als Förster-Sonde bezeichnet, dient zur vektoriellen Bestimmung des Magnetfeldes.

Hieraus ergibt sich ein resultierendes größeres Mindestsignal. Dies kann in einer nachgeschalteten Signalverarbeitung genutzt werden, um eine Detektion der

Bewegung des Encoders zu erkennen, indem weitere Schaltpegel, also nicht nur der Nulldurchgang, eingeführt werden.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet die

Signalauswertung im Sensor neben dem Nulldurchgang weitere und somit mehrere Schaltschwellen, um die resultierende Auflösung der ausgegebenen Impulse für eine Drehzahlerfassung zu erhöhen.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Sensor mehrere magnetfeldmessende Elemente auf, wobei der Sensor eingerichtet ist, neben der Erkennung einer Drehgeschwindigkeit auch eine Drehrichtung zu detektieren.

Die Erfindung wird nun beispielhaft durch Figuren veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten Encoders mit einem Sensor, Fig. 2 einen Schnitt A-A durch den Encoder aus Fig. 1 ,

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Magnetfeldlinien über den Umfang des Encoders aus Fig. 1 ,

Fig. 4 einen Signalstärke-Abstand-Graphen zur Fig. 2,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Encoders mit einem Sensor,

Fig. 6 einen Schnitt B-B durch den Encoder aus Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Magnetfeldlinien zur Fig. 6,

Fig. 8 einen Abstand-Signalstärke-Graphen zur Fig. 6,

Fig. 9 einen Graphen zur Veranschaulichung der Signalauswertung bei einer bekannten Lagereinheit und

Fig. 10 einen Graphen zur Veranschaulichung der Signalauswertung bei einer erfindungsgemäßen Lagereinheit. In Fig. 1 ist die schematische Ansicht eines bekannten Encoders 100 mit einem

Sensor 16 gezeigt. Der Encoder 100 ist in eine Lagereinheit (nicht gezeigt) verbaut. Der Encoder 100 weist ein mit einem Trägerteil 2 verbundenen Magnetteil 5 auf. Das Magnetteil 5 weist eine Vielzahl an unterschiedlich magnetisierten Bereichen auf. Die Bereiche sind als nebeneinander angeordnete Segmente mit alternierenden

Magnetisierungen ausgeführt, wobei zwei jeweils Bereiche Magneten 6, 7 ausbilden, die in ihrer Gesamtheit das Magnetteil 5 ausbilden.

Wie im Schnitt A-A gemäß Fig. 2 gezeigt, weisen die Magnete 6, 7 einen annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Ein Sensor 16 ist in einem Abstand 14 zur Oberfläche des Magneten 6 bzw. des Magnetteils 5 angeordnet.

In Fig. 3 ist die schematische Darstellung von Magnetfeldlinien über den Umfang des Encoders aus Fig. 1 über einen Umfangsabschnitt U gezeigt.

In Fig. 4 ist der Abstand-Signalstärke-Graph zur Fig. 2 gezeigt. Auf der

Abszissenachse ist der Abstand 14 des Sensors zu einem Magneten aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist eine Signalstärke/Amplitude des vom Sensor erfassten

Encodermagnetfeldes aufgetragen. Die kleineren Schaubilder zeigen die zugehörigen Signalverläufe bei Rotation des Encoders, die magnetischen Signale haben über den Umfang einen sinusartigen Verlauf. Die jeweiligen Amplituden sind mit den Punkten 21 , 22, 23 im Abstand-Signalstärke-Graph gekennzeichnet. Die gezeigte Linie 20 folgt einer Funktion, die durch die Punkte 21 , 22, 23 definiert ist. Die Signalstärke ist abhängig von einem Abstand 14 (gemäß Fig. 2) des Sensors 16 zum Magnetteil 5 des Encoders 1 . D.h. je weiter der Sensor 16 vom Magnetteil 5 entfernt ist, desto geringer wird die Signalstärke.

In technischen Anwendungen unterliegt der resultierende Abstand 14 sehr großen Toleranzeinflüssen. Ein resultierendes Mindestsignal ist daher entsprechend klein. Daher kann zur Erkennung der Bewegung nur ein Wechsel der magnetischen

Polarität (Polwechsel), also der Nulldurchgang im Signal herangezogen werden.

Zwischenstufen im Signal lassen sich nicht sicher auswerten, da die

Schwankungsbreite der Signalstärke zu groß ist. In Fig. 5 ist die schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Encoders 1 mit einem Sensor 16 gezeigt. Der Encoder 1 ist in eine Lagereinheit (nicht gezeigt) verbaut. Der Encoder 1 weist ein mit einem Trägerteil 2 verbundenes Magnetteil 5 auf. Das

Magnetteil 5 weist eine Vielzahl an Magneten 6, 7 auf. Die Magnete 6, 7 sind ringförmig hintereinander mit alternierenden Magnetisierungen angeordnet und bilden das Magnetteil 5 aus. Dabei ist das Magnetteil 5 ringförmig ausgebildet. Die Pole der Magnete 6, 7 des Magnetteils 5 sind derart angeordnet, dass immer ein Pluspol eines Magneten 6 am Minuspol eines anderen Magneten 7 anliegt und umgekehrt.

Wie im Schnitt B-B gemäß Fig. 6 gezeigt, weisen die Magnete 6, 7 einen U-förmigen Querschnitt auf. Die Magnete 6, 7 sind als Hufeisenmagnete ausgebildet. Die

Magnete 6, 7 weisen einen ersten Teilbereiche 9 mit einem ersten L-förmigen

Querschnitt und einen zweiten Teilbereich 10 mit einem zweiten L-förmigen

Querschnitt aufweist. Beide Teilbereiche 9, 10 sind unterschiedlich magnetisiert. Das Trägerteil 2 weist einen ersten Schenkel 3 und einen zweiten Schenkel 4 auf. Jeweils ein Schenkel der beiden Teilbereichen 9, 10 liegt plan am Schenkel 3 des Trägerteils 2 an. Dabei wird eine Kontaktfläche 8 zwischen dem Schenkel 3 des Trägerteils 2 und den Schenkeln der beiden Teilbereichen 9, 10 ausgebildet. Ein Sensor 16 ist innerhalb des U-Querschnitts in einem Abstand 13 zur Oberfläche des Magneten 6 bzw. des Magnetteils 5 angeordnet.

In Fig. 7 eine schematische Darstellung der Magnetfeldlinien zur Fig. 6 gezeigt. In einem vom U-förmigen Querschnitt ausgebildeten Hohlraum 12 ist ein annähernd homogenes Magnetfeld 15 ausbildet. Durch das Vorsehen des U-förmigen

Querschnitts lässt sich im Hohlraum 12, der vom U-förmigen Querschnitt der Magnete 6, 7 ausgebildet ist, ein annähernd homogenes Magnetfeld auf einfache Weise erzeugen.

In Fig. 8 ist der Abstand-Signalstärke-Graph zur Fig. 6 gezeigt. Auf der

Abszissenachse ist der Abstand 13 (gemäß Fig. 6) des Sensors zu einem Magneten aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist eine Signalstärke des Sensors aufgetragen. Die gezeigte Linie 30 folgt einer Funktion, die durch die Punkte 31 , 32, 33 definiert ist. Die Signalstärke ist nahezu unabhängig von einem Abstand 13 (gemäß Fig. 6) des Sensors 16 zum Magnetteil 5 des Encoders 1 .

Hieraus ergibt sich ein resultierendes größeres Mindestsignal. Dies kann in einer nachgeschalteten Signalverarbeitung genutzt werden, um eine Detektion der

Bewegung des Encoders zu erkennen, indem weitere Schaltpegel, also nicht nur der Nulldurchgang, eingeführt werden.

Eine Wandlung des Magnetfelds in ein elektrisches Signal beruht auf Basis des magnetoresistiven Effekts, des Hall-Effekts, der Verwendung von Feldplatten, des magnetoelastischen Effektes oder der Verwendung von Saturationskern- Magnetometern (Förster Sonde/Fluxgate). Die Fig. 9 zeigt den Graphen zur Veranschaulichung der Signalauswertung bei einer bekannten Lagereinheit. Es sind starke Schwankungen der Signalstärke (Magnetfeld) erkennbar. Ein sicheres Schalten ist nur im Nulldurchgang 40 möglich. Daraus resultiert ein digitales Ausgangssignal mit einer Impulsfolge 50 pro Polpaar.

Fig. 10 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung der Signalauswertung bei einer erfindungsgemäßen Lagereinheit. Es sind geringere Schwankungen der Signalstärke (Magnetfeld) erkennbar. Ein Sicheres Schalten ist nicht nur im Nulldurchgang möglich, sondern auch bei anderen Pegeln 60. Daraus resultiert ein digitales Ausgangssignal mit zwei Impulsfolgen 70 pro Polpaar.

Bezugszeichenliste

1 Encoder

2 Trägerteil

3 Schenkel

4 Schenkel

5 Magnetteil

6 Magnet

7 Magnet

8 Basis

9 Teilbereich

10 Teilbereich

1 1 Schnapphaken

12 Hohlraum

13 Abstand

14 Abstand

15 Magnetfeld

16 Sensor

Linie Punkt

Punkt

Punkt

Linie Punkt

Punkt

Punkt

40 Nulldurchgang

50 Pulsfolge

60 Pegel Pulsfolge Encoder Umfang