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Title:
SENSOR DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/122284
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a measurement value transmitter (2) for a sensor device (1), in particular according to one of the aforementioned claims, having the following steps: - providing a magnetic body (4), - providing a coil (9) which can be supplied with a current, - shaping the coil (9) into a helical winding, the internal diameter of which is greater than the outer contour of the magnetic body (4), wherein - the winding is shaped such that the pitch of the winding changes at least in some sections when viewed along the longitudinal extension of the winding, - arranging the magnetic body (4) within the coil (9), in particular coaxially to the coil, and - supplying the coil (9) with a current in order to magnetize the magnetic body (4) in order to produce the measurement value transmitter (2).

Inventors:
KIMMERLE MATHIAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/084683
Publication Date:
July 05, 2018
Filing Date:
December 28, 2017
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
G01D5/14
Foreign References:
EP0979988A12000-02-16
DE102009022751A12010-12-02
US20160116554A12016-04-28
DE1135037B1962-08-23
DE1483389A11969-09-25
EP2430418B12013-07-10
US20160116554A12016-04-28
EP0979988B12003-06-25
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Messwertgebers (2) für eine

Sensoreinrichtung (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Magnetkörpers (4),

- Bereitstellen einer bestrombaren Spule (9),

- Formen der Spule (9) zu einer helixförmigen Wicklung, deren

Innendurchmesser größer ist als die Außenkontur des Magnetkörpers (4), wobei

- die Wicklung derart geformt wird, dass sich ihre Steigung - in

Längserstreckung der Wicklung gesehen - zumindest abschnittsweise verändert

- Anordnen des Magnetkörpers (4) innerhalb der Spule (9),

insbesondere koaxial zueinander,

- Bestromen der Spule (9) zum Aufmagnetisieren des Magnetkörpers (4) zur Herstellung des Messwertgebers (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung derart geformt wird, dass sich ihre Steigung innerhalb zumindest eines Abschnitts kontinuierlich verändert.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung derart geformt wird, dass sie zumindest abschnittsweise eine konstante Steigung aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung derart geformt wird, dass sie zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlichen konstanten Steigungen aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung derart geformt wird, dass sie zumindest einen Klemmabschnitt aufweist, innerhalb dessen die Steigung der Spule (9) gleich Null ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmabschnitt (12) an einem Endbereich der Wicklung beziehungsweise Magnetkörpers (4) geformt wird, oder in einem Bereich beabstandet zu dem Endbereich.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmabschnitt (12) zwischen zwei Abschnitten der Wicklung mit vorgegebener Steigung geformt wird.

8. Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Messwertgebers (2) für eine Sensoreinrichtung (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine bestrombare Spul (9), die zu einer helixförmigen Wicklung geformt ist, deren Innendurchmesser größer ist als die Außenkontur eines als Messwertgeber (11) zu

magnetisierenden Magnetkörpers (4), wobei die Wicklung derart geformt ist, dass sich ihre Steigung - in Längserstreckung der Wicklung gesehen - zumindest abschnittsweise verändert und mit einer Energiequelle zum Bestromen der Spule (9).

Description:
Beschreibung Titel

Sensoreinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Messwertgebers für eine Sensoreinrichtung, die einen Magnetkörper als

Messwertgeber aufweist, dessen Magnetfeldausrichtung durch wenigstens einen Messwertsensor erfassbar ist, sodass in Abhängigkeit von der erfassten

Magnetfeldausrichtung auf die aktuelle Position des Messwertgebers

geschlossen werden kann.

Stand der Technik

Sensoreinrichtungen mit sich veränderndem Magnetfeld sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart beispielswiese die Patentschrift EP 2 430 418 Bl eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Torsionswinkels, einer

Längenänderung oder eines Magnetfelds mittels eines von einer Spule umwickelten Sensorkörpers. Auch aus der Offenlegungsschrift US 2016/0116554 A ist bereits eine Sensoreinrichtung mit einem ähnlichen Messwertgeber bekannt. Dem Messwertgeber ist jeweils zumindest ein Messfühler zugeordnet, mittels dessen das magnetische Feld des Messwertgebers erfasst werden kann. In Abhängigkeit der erfassten Messfeld -Werte ist dann eine Position oder Positionsänderung des Messwertgebers feststellbar.

Zum Herstellen eines derartigen Messwertgebers ist es bekannt, die

Magnetisierung derart auszubilden, dass sich das resultierende Magnetfeld um eine Achse dreht, die quer zur Bewegungsrichtung des Messwertgebers ausgerichtet ist. Aus der Patentschrift EP 0 979 988 Bl ist eine weitere Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher ein Messwertgeber helikal durch eine Spulenwicklung aufmagnetisiert ist. In Abhängigkeit von einer

Magnetfeldstärke und der Magnetfeldausrichtung wird dabei die Schiebeposition des Messwertgebers bestimmt. Die Drehachse des Magnetfelds liegt dabei parallel zur Bewegungsrichtung des Messwertgebers, sodass sich das

Magnetfeld in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung dreht.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zur Herstellung eines Messwertgebers zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein Magnetkörper bereitgestellt wird, sowie eine bestrombare Spule. Die Spule wird zu einer helix- oder schraubenförmigen Wicklung geformt, deren

Innendurchmesser größer ist als die Außenkontur des Magnetkörpers, sodass der Magnetkörper in seiner Längserstreckung in die Wicklung einführbar ist, wobei die Wicklung derart geformt wird, dass sich ihre Steigung - in

Längserstreckung gesehen - zumindest abschnittsweise verändert. Der Magnetkörper wird in die Spule eingeführt und anschließend wird die Spule bestromt, sodass der Magnetkörper zur Herstellung des Messwertgebers entsprechend des Verlaufs der helixförmigen Wicklung aufmagnetisiert wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Magnetisierung ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt wird, das sich um eine Achse dreht, die sich parallel zur Längserstreckung des Magnetkörpers und damit insbesondere entlang der Bewegungsrichtung des Magnetkörpers in der Sensoreinrichtung erstreckt. Hierdurch ist eine einfache und besonders genaue Feststellung der Positionen des Messwertgebers in der Sensoreinrichtung gewährleistet.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Spule ortsfest in einer Vorrichtung beziehungsweise Magnetisierungseinrichtung bereitgestellt wird, in welche der Magnetkörper einführbar ist. Alternativ kann die Spule helixförmig auf dem Magnetkörper aufgewickelt werden, wobei der Magnetkörper dann nach dem Bestromen aus der Spule herausgezogen wird. Dadurch, dass sich die Steigung der Wicklung zumindest abschnittsweise verändert, können Bereiche des Messwertgebers hergestellt werden, die eine unterschiedlich hohe Messsensitivität aufweisen. Dadurch werden die Einsatzmöglichkeiten des so hergestellten Messwertgebers erweitert.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetkörper aus einem isotropen Magnetwerkstoff gefertigt wird. Damit ist der

Magnetkörper in jede beliebige Richtung magnetisierbar, sodass sich der vorteilhafte Verlauf der Magnetfeldausrichtung permanent und kostengünstig herstellen lässt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die Steigung der Wicklung abschnittsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich verändert, sodass über die gesamte Länge des Magnetkörpers beziehungsweise des Messwertgebers seine Position eindeutig feststellbar ist. Dazu ist beispielsweise vorgesehen, dass die Steigung in eine Längsrichtung des Messwertgebers kontinuierlich zunimmt oder abnimmt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wicklung derart geformt wird, dass sie zumindest abschnittsweise - in

Längserstreckung gesehen - eine konstante Steigung aufweist. Damit ergeben sich Abschnitte der Wicklung und des Messwertgebers, die eine konstante

Steigung aufweisen, wobei aufgrund der vorteilhaften Steigungsveränderung diese Abschnitte unterschiedliche Steigungen aufweisen. So kann die Wicklung beispielsweise einen Abschnitt mit einer konstanten Steigung und einen

Abschnitt mit einer sich kontinuierlich verändernden Steigung aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wicklung derart geformt wird, dass sie zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlichen konstanten Steigungen aufweist. Hierdurch ergeben sich beispielsweise unterschiedlich sensible Messbereiche des Messwertgebers.

Aufgrund der vorteilhaften Magnetisierung ist eine einfache und sichere

Bestimmung der Position des Magnetkörpers bestimmbar und die Wicklung beziehungsweise Magnetisierung ist kostengünstig herstellbar. Die Wicklung weist bevorzugt zwei oder mehr derartiger Abschnitte mit konstanter Steigung auf. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Wicklung derart geformt wird, dass sie zumindest einen Klemmabschnitt aufweist, in welchem ihre Steigung gleich Null ist, sodass sich der Drehwinkel des Magnetfelds des Magnetkörpers in dem durch den Klemmabschnitt erzeugten beziehungsweise aufmagnetisierten Klemmbereich in Verschieberichtung des Messwertgebers nicht verändert.

Hierdurch wird ein Längsabschnitt des Messwertgebers geschaffen, in welchem eine relevante Sensorinformation„an/aus" ist, und nicht ein bestimmter Winkel. Unter einer Steigung gleich null wird insoweit eine Magnetisierung verstanden, die sich parallel zur Längserstreckung des Permanentmagneten erstreckt und sich in diesem Klemmbereich nicht dreht. Insoweit verändert sich die

Magnetisierung in diesem Klemmbereich nicht.

Bevorzugt wird der Klemmbereich an einem Endbereich der Wicklung

ausgebildet oder in einem Bereich beabstandet zu den Endbereichen der Wicklung beziehungsweise des Magnetkörpers. Der Klemmbereich kann also an einem Ende des Magnetkörpers beziehungsweise der Wicklung zugeordnet sein oder beispielsweise auch mittig in dem Magnetkörper beziehungsweise der Wicklung zwischen zwei Abschnitten liegen, die eine gleiche oder

unterschiedliche Steigungen aufweisen. Hierdurch wird das Bestimmen einer Messposition noch weiter verbessert und die Anwendungsfelder des

Messwertgebers erweitert.

Insbesondere wird der Klemmbereich zwischen zwei Abschnitten mit einer vorgegebenen Steigung der Wicklung geformt, wobei die Steigung in den beiden Abschnitten gleich oder unterschiedlich ist und - wie zuvor bereits erwähnt - sich bevorzugt kontinuierlich oder diskontinuierlich verändert oder konstant ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch eine bestrombare Spule aus, die zumindest abschnittsweise zu einer helixförmigen Wicklung geformt ist, deren Innendurchmesser größer ist als die Außenkontur eines zu magnetisierenden Magnetkörpers, wobei die Wicklung derart geformt ist, dass sich ihre Steigung - in Längserstreckung gesehen - zumindest abschnittsweise verändert, sowie durch eine Energiequelle, mittels derer die Spule zum Aufmagnetisieren des Magnetkörpers zur Herstellung des Messwertgebers bestrombar ist. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.

Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steigung der Wicklung auf dem Magnetkörper dort am geringsten ist, wo die höchste Messgenauigkeit erfordert ist. Dadurch ist die Änderung eines betrachteten Winkels des Magnetfeldes bei axialer Bewegung des

Messwertgebers relativ zu den Messfühlern an eben dieser Stelle am höchsten, sodass hier die Position des Messwertgebers besonders exakt feststellbar ist.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

Figur 1 eine vorteilhafte Sensoreinrichtung in einer vereinfachten Darstellung und

Figur 2 die Herstellung eines vorteilhaften Messwertgebers der

Sensoreinrichtung in einer vereinfachten Darstellung.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung eine Sensoreinrichtung 1, die einen Messwertgeber 2 aufweist, der in einem Gehäuse 3 verlagerbar ist. Der Messwertgeber 2 weist einen zylinderförmigen Magnetkörper 4 auf, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und insbesondere aus einem isotropen Magnetwerkstoff hergestellt ist, und ist in seiner Längserstreckung

beziehungsweise axial in dem Gehäuse 3 verlagerbar angeordnet, wie durch einen Doppelpfeil 5 gezeigt. An dem Gehäuse 3 ist außerdem eine Messstelle 6 vorgesehen, mittels welcher ein magnetisches Feld des Messwertgebers 2 erfassbar ist. Dazu weist die Messstelle 6 einen oder mehrere Messfühler zum Erfassen magnetischer Felder auf. Insbesondere sind die Messfühler als Hall- Sensoren ausgebildet. Der Messwertgeber 2 weist außerdem eine Magnetisierung 8 auf, die helikal verlaufend auf dem Magnetkörper 4 ausgebildet ist beziehungsweise sich helixförmig über den Magnetkörper 4 erstreckt. Dabei weist die Magnetisierung 8 eine Steigung auf, die sich zumindest abschnittsweise über die Länge des Magnetkörpers 4 erstreckt. Die Steigung verändert sich dabei vorliegend in

Längserstreckung des Magnetkörpers gesehen kontinuierlich oder

diskontinuierlich.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist vorgesehen, dass die Magnetisierung 8 mehrere Abschnitte I, II und III aufweist, in welchen die Magnetisierung 8 unterschiedliche Steigungen aufweist. So ist vorliegend vorgesehen, dass die Steigung im Abschnitt I kleiner als die Steigung im

Abschnitt III, und dass im Abschnitt II die Steigung gleich Null ist, sodass sich ein sogenannter Klemmbereich ausbildet, innerhalb dessen ein Verschieben des Messwertgebers 2 zu keiner Messwertveränderung führt. In den Abschnitten I und III ist die Steigung jeweils konstant ausgebildet.

Mit der vorteilhaften Sensoreinrichtung 1 lassen sich hochgenaue Messungen durchführen, wobei die Sensibilität der Sensoreinrichtung 1 auf unterschiedliche Verschiebewegabschnitte mittels der jeweiligen Steigung unterschiedlich einstellbar ist, und auch Klemmbereiche (Abschnitt II) einfach herstellbar sind.

Im Folgenden soll die Herstellung des Magnetkörpers 4 erläutert werden.

Figur 2 zeigt dazu in einer vergrößerten Darstellung eine Vorrichtung 10 zur Herstellung des Messwertgebers 2. Zu sehen ist dabei der Messwergeber 2 beziehungsweise der Magnetkörper 4. Gemäß dem dargestellten

Ausführungsbeispiel wird die Magnetisierung 8 mit Hilfe von einer durch einen Wicklungsdraht gebildeten Spule 9 der Vorrichtung 10 hergestellt, die zur Aufmagnetisierung des Magnetkörpers 4 koaxial zu dem Magnetkörper 4 angeordnet wird.

Die Vorrichtung 10 weist dazu bevorzugt eine Halteeinrichtung (hier nicht dargestellt) auf, die zur Halterung und Ausrichtung des Magnetkörpers 4 innerhalb der Wicklung ausgebildet ist, sodass beispielsweise ein Berührungskontakt zwischen Wicklung und Magnetkörper 4 beziehungsweise eine zentrale Anordnung und Ausrichtung des Magnetkörpers 4 zu der Spule 9 gewährleistet ist. Insbesondere ist die Halteeinrichtung dazu ausgebildet, den Magnetkörper 4 in Richtung seiner Längserstreckung in die Spule 9 einzufahren und herauszufahren. Die Vorrichtung 10 weist außerdem eine Energiequelle 11 auf, die mit der Spule 9 verbindbar ist, um diese zur Herstellung des

Messwertgebers 2 zu bestromen. Wird die Spule 9 bestromt, so entsteht über dem Wicklungsdraht, in den der Strom eingeht, ein Nordpol N und darunter ein Südpol S. Prinzipbedingt hat jeder Pol N, S auf der rückseitigen Mantelfläche des Magnetkörpers 4 einen vollwertigen Gegenpol.

Um den zuvor beschriebenen Verlauf der helikalen Aufmagnetisierung des Magnetkörpers 4 zu erhalten, ist die Spule zu einer helixförmigen Wicklung geformt, die mehrere Abschnitte I, II und III aufweist, in denen jeweils

unterschiedliche Steigungen, korrespondierend mit den zu Figur 1 beschriebenen Steigungen des Magnetkörpers 4, ausgebildet sind, wie in Figur 2 gezeigt.

Sobald die Magnetisierung 8 dadurch hergestellt wurde, entspricht ihr Verlauf dem helixförmigen Verlauf der Spule 9, sodass auch die Magnetisierung 8 beziehungsweise deren Magnetfeldausrichtung sich helixförmig oder

schraubförmig entlang des Magnetkörpers 4 erstreckt. Anschließend wird die Spule 9 entfernt und der Magnetköper 4 im Gehäuse 3 verbaut.

Wird dieser Messwertgeber 2 nunmehr linear bewegt, gemäß Pfeil 5, und an der Messstelle 6, die insofern ortsfest dazu ist, die resultierenden Winkel und/oder einzelne Komponenten der magnetischen Flussdichte beziehungsweise des Magnetfelds des Messwertgebers 2 mittels der Messfühler 7 gemessen, ist es möglich, in alle drei Raumrichtungen gemäß dem in Figur 2 gezeigten

Koordinatensystem, eine oder mehr oder weniger sinusoide Änderung aller drei Flussdichtekomponenten festzustellen.

Die Kombinatorik von je zwei aus drei gemessenen Flussdichtekomponenten führt in den meisten Fällen zu mindestens zwei kontinuierlichen Arcustangens- Informationen. Es entstehen dabei zwei kontinuierliche Ausgangssignale, die in Kombination gegebenenfalls die Genauigkeit und Robustheit des Messsignals erhöhen.

Aufgrund der vorteilhaften Steigung der helix- oder schraubenförmigen

Magnetisierung 8, die sich entlang des Magnetkörpers 4 optional verändert, ist eine eindeutige Information beziehungsweise ein eindeutiger Raumwinkel, auch über einen magnetischen Winkel von 360° hinaus, erfassbar, mittels dessen die Schiebeposition des Magnetkörpers 4 beziehungsweise des Messwertgebers 2 eindeutig feststellbar ist.

Bevorzugt wird die Steigung der Magnetisierung 8 derart gewählt, dass sie dort am geringsten ist, wo die höchste Messgenauigkeit erfordert ist, sodass ein Verschieben des Messwertgebers 2 zu der Messstelle 6 in dieser Stelle die höchste Auflösegenauigkeit bezüglich des Messsignals und damit die höchste Messempfindlichkeit aufweist. Dies ist bei Sensoranwendungen empfehlenswert, bei denen ein Messbereich genauer sein muss als andere Bereiche.

In diesem Fall ist es außerdem denkbar, ein Differenzmessprinzip mit zwei Messstellen 6 auszubilden, weil dann das Differenzsignal dort am Größten ist, wo die Steigung der Magnetisierung 8 idealer Weise ähnlich groß ist wie der

Abstand der beiden Messstellen 6 zueinander.

Zweckmäßigerweise weist die Sensoreinrichtung 1 ein hier nicht dargestelltes Steuergerät oder zumindest ein Mikrokontroller auf, welcher die Ausgangssignale der Messfühler 7 überwacht, um die Position des Messwertgebers 2 bezüglich der ortsfesten beziehungsweise gehäusefesten Messstelle 6 zu ermitteln.

Vorteilhafterweise erstreckt sich die konstante oder sich verändernde Steigung innerhalb eines begrenzten Abschnitts in Längsrichtung des Magnetkörpers beziehungsweise der Spule 9 gesehen. Wie in Figur 2 gezeigt, kann die Spule 9 abschnittsweise auch mit einer Steigung gleich Null verlaufen, sodass sich der Drehwinkel des Magnetfelds des Magnetkörpers 4 in diesem sogenannten Klemmbereich 12 nicht verändert. Der Klemmbereich 12 kann dabei zwischen zwei Spulenabschnitten mit einer vorbestimmten konstanten oder sich verändernden Steigung, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt, angeordnet werden, oder auch in einem oder beiden der Endbereiche des Magnetkörpers 4.