Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 13 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.

Magnetfeldsensoren sind u. a. als Positionssensoren, insbesondere auch zur Messung einer Winkelposition bekannt. Magnetfeldsensoren bestehen aus zwei Sensorelementen, nämlich einem ersten Sensorelement, welches als Permanentmagnet ausgebildet ist und als Signalgeber wirkt, und einem zweiten Sensorelement, welches als Magnetfeld empfindliches Sensorelement ausgebildet ist und als Signalempfänger wirkt. Das zweite Sensorelement kann beispielsweise als Hall-Element ausgebildet sein.

Durch die ältere Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2017 208 410.3 wurde ein Magnetfeldsensor, bestehend aus einem Permanentmagneten als Signalgeber und einem Sensorelement als Signalempfänger, bekannt, welcher in einem Kugelgelenk verbaut ist. Dabei befindet sich der Permanentmagnet in einer Ausnehmung, insbesondere einer Sacklochbohrung des Kugelzapfens, während das zweite Sensorelement, der Signalempfänger, in einem den Kugelzapfen aufnehmenden Gehäuse angeordnet ist. Bei Winkelbewegungen des Kugelzapfens gegenüber dem Gehäuse registriert das zweite Sensorelement eine Änderung des Magnetfeldes. Durch Auswertung dieses Änderungssignals kann auf die Winkelposition geschlossen werden.

Ein Problem bei derartigen Magnetfeldsensoren besteht darin, dass das Magnetfeld, welches vom Magneten erzeugt wird, Toleranz behaftet ist und Abweichungen vom Sollzustand, insbesondere Fehlstellungen der Achse des Magnetfeldes aufweisen kann. Eine solche Fehlstellung liegt dann vor, wenn die Achse des Magnetfeldes und die Achse des Magneten, welcher in einem beweglichen Bauteil angeordnet ist, nicht übereinstimmen, sondern einen Winkel miteinander bilden. Die Anzeige einer Win- kelposition mit einem derart fehlerhaften Magnetfeld wäre dann ebenfalls mit einem Fehler bzw. einer Abweichung behaftet.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Messgenauigkeit eines Magnetfeldsensors der eingangs genannten Art zu verbessern.

Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 , 13 und 14 Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Magnetfeldsensor mit einem Magneten, einer Magnetachse, einem Magnetfeld und einer Magnetfeldachse vorgesehen, dass der Magnet derart in dem beweglichen Bauteil aufgenommen ist, dass die Magnetfeldachse weitestgehend mit der Bauteilachse übereinstimmt. Unter Magnetachse wird die geometrische Achse des Magnetkörpers verstanden. Der Magnet erzeugt ein Magnetfeld, welches eine Magnetfeldachse aufweist, welche die Symmetrieachse der Feldlinien des Magnetfeldes bildet. Unter der Bauteilachse soll die Achse des beweglichen Bauteiles verstanden werden, welche eine Referenzachse für die Nulllage des Bauteiles gegenüber Winkelbewegungen nach der einen oder anderen Seite darstellt. Handelsübliche Magneten weisen in der Regel eine Abweichung der Magnetfeldachse gegenüber der geometrischen Achse des Magneten, also der Magnetachse auf, wobei die Abweichung in einem Bereich von Plus/minus 5° liegen kann. Für eine exakte, möglichst fehlerfreie Messung einer Winkelauslenkung des Bauteiles aus der Nulllage ist es erforderlich, dass die Magnetfeldachse mit der Referenzachse, d. h. der Bauteilachse in der Nulllage übereinstimmt. Damit wird erreicht, dass sich das Magnetfeld respektive die Magnetfeldachse nach beiden Seiten oder in entgegen gesetzten Richtungen um den gleichen Winkelbetrag bewegt wie das Bauteil.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet als zylindrischer Körper und die Magnetachse als Zylinderachse ausgebildet. Magnetkörper mit Zylinderform lassen sich einfach herstellen, d.h. formen und magnetisieren, wobei sich ein radialsymmetrisches Magnetfeld mit radialsymmetrisch angeordneten Feldlinien ergibt. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetachse gegenüber der Bauteilachse verkippt angeordnet, und zwar in dem Maße, dass die Magnetfeldachse mit der Bauteilachse übereinstimmt. Vorzugsweise ist die Magnetachse um den Betrag des Abweichwinkels verkippt. Der Abweichwinkel ergibt sich aus der Fehlstellung zwischen Magnetfeldachse und Magnetachse für den in das Bauteil einzubauenden Magneten.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetachse achsparallel zur Bauteilachse versetzt angeordnet, und zwar indem Maße bzw. mit einem Versatz, dass die Magnetfeldachse mit der Bauteilachse übereinstimmt. Vorzugsweise ist der Achsversatz an den Abweichwinkel zwischen Magnetachse und Magnetfeldachse angepasst. Durch den Achsversatz rückt der Magnet näher an die Wandung der Ausnehmung des Bauteils, was zu einer Verkippung oder Verlagerung der Magnetfeldachse führt. Durch die exzentrische Anordnung des Magneten in der Aufnahmeöffnung des Bauteiles ergibt sich eine unsymmetrische Beeinflussung des Magnetfeldes, so dass der Abweichwinkel kompensiert wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet, vorzugsweise ein zylinderförmiger Magnet, koaxial, d. h. zentrisch in der Aufnahmeöffnung des Bauteiles angeordnet. Zur Kompensation einer Abweichung des Magnetfeldes bzw. einer Fehlstellung der Magnetfeldachse sind Kompensationskörper im Umfangsbereich angeordnet. Die Kompensationskörper, welche aus einem magnetisch leitfähigen Material bestehen und nur bereichsweise auf dem Umfang angeordnet sind, haben die Wirkung, dass das Magnetfeld in der Weise verändert wird, dass die Magnetfeldachse ihre Lage verändert und in die Bauteilachse verlagert wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet von einem ringförmigen Kunststoffgehäuse umgeben, in welchem die Kompensationskörper an unterschiedlichen Stellen des Umfanges deponiert werden können. Das Kunststoffge- häuse stellt somit ein Magazin dar, welches nur auf Teilen des Umfanges bestückt wird, vorzugsweise diametral zu der Lage der Abweichung der Magnetfeldachse. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Kompensationskörper als Stifte oder Drahteinlagen ausgebildet, womit sich eine feine Dosierung zur Beeinflussung des Magnetfeldes erreichen lässt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil als Kugelzapfen eines Kugelgelenks oder als Kugelhülse eines Kugelhülsengelenks ausgebildet. In beiden Fällen dient der Magnetfeldsensor zur Winkelmessung. Bei einem Kugelzapfen entspricht die Bauteilachse der Längsachse des Kugelzapfens. Bei einer Kugelhülse würde die Bauteilachse senkrecht zur Längsachse der Kugelhülse verlaufen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Kugel- oder das Kugelhülsengelenk jeweils ein Gelenkgehäuse auf, in welchem sich ein Magnetfeld empfindliches Sensorelement im Wirkungsbereich des Magnetfeldes befindet. Somit führt eine Winkelbewegung der Kugel oder der Kugelhülse zu einem Signal in dem Sensorelement und damit zu einer Winkelanzeige.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind bei einem Verfahren zur Montage eines Magneten eines Magnetfeldsensors folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Zunächst wird ein handelsüblicher Magnet für den Einbau in das Bauteil vorgesehen, wobei der Magnet in der Regel eine Abweichung der Magnetfelsachse gegenüber der Magnetachse aufweist. Im folgenden Verfahrensschritt wird der Magnet im Hinblick auf eine Abweichung, gegebenenfalls die Lage und die Stärke der Abweichung, d. h. einerseits den Umfangswinkel und andererseits den Abweichwinkel zwischen Magnetachse und Magnetfeldachse überprüft. Im nächsten Verfahrensschritt wird der Magnet von einer Montagevorrichtung aufgenommen und im Bauteil, d. h. in einer im Bauteil vorgesehenen Aufnahmeöffnung positioniert, wobei gleichzeitig eine Korrektur des Abweichwinkels in der Weise vorgenommen wird, dass die Magnetfeldachse mit der Bauteilachse übereinstimmt. Die Erfassung der Fehlstellung am Magneten und die anschließende Korrektur der Fehlstellung beim Einbau des Magneten in das Bauteil werden somit in einer Arbeitsfolge ohne Zwischenschritte durchgeführt.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zur Durchführung des Montageverfahrens einen Schwenkarm auf, welcher einen ersten gelenkig an- geordneten Schenkel und einen zweiten gegenüber dem ersten Schenkel abgewinkelten Schenkel mit einem Greifkopf zur Aufnahme des Magneten aufweist. Über die gelenkige Anordnung kann der Abweichwinkel beim Einbau des Magneten korrigiert werden, und durch den Greifkopf wird der Magnet erfasst und im Bauteil derart positioniert, dass der Abweichwinkel korrigiert ist und die Magnetfeldachse mit der Bauteilachse übereinstimmt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

Fig. 1 a einen Magneten mit einem Magnetfeld im Sollzustand,

Fig. 1 b einen Magneten mit einem Magnetfeld, welches eine Fehlstellung der

Magnetfeldachse aufweist,

Fig. 2a eine Vorrichtung zur Vermessung einer Winkelabweichung zwischen

Magnet- und Magnetfeldachse (Feldwinkelfehler) eines Magneten, Fig. 2b Montage des Magneten, korrigiert um den Feldwinkelfehler, in verkippter Position im Bauteil,

Fig. 3a Vorrichtung gemäß Fig. 2a zur Vermessung des Feldwinkelfehlers, Fig. 3b Montage des Magneten, korrigiert um den Feldwinkelfehler, in achsparalleler, außermittiger Position im Bauteil,

Fig. 4a Vermessung des Feldwinkelfehlers eines Magneten und

Fig. 4b Montage des Magneten mit Korrektur des Feldwinkelfehlers durch

Stahleinlagen in Kunststoffgehäuse.

Fig. 1 a zeigt einen Magneten M mit einer Magnetachse a, wobei der Magnet M vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist und die Magnetachse a der Zylinderachse entspricht. Grundsätzlich ist die Magnetachse a die geometrische Achse des Magneten M. Der Magnet M erzeugt ein Magnetfeld F, dessen Feldlinienverlauf symmetrisch zur Magnetachse a angeordnet ist, d. h. die Magnetfeldachse fällt mit der Magnetachse a zusammen. Die Darstellung des Magnetfeldes F und des Magneten M entspricht somit einem Sollzustand, wie er für einen Magnetfeldsensor verlangt wird. Fig. 1 b zeigt einen handelsüblichen Magneten M' mit einer Magnetachse a, welche - wie zuvor erwähnt - der geometrischen Achse des Magneten M' entspricht. Der Magnet M' erzeugt ein Magnetfeld F', welches eine Magnetfeldachse f aufweist, die gegenüber der Magnetachse a um einen Abweichwinkel α geneigt ist. Das Magnetfeld F' ist somit nicht symmetrisch zur Magnetachse a angeordnet, so dass die Magnetachse a und die Magnetfeldachse f auseinanderfallen. Der Abweichwinkel α wird im Folgenden auch als Feldwinkelfehler α bezeichnet. Bei dem handelsüblichen Magneten M' treten herstellungsbedingt Feldwinkelfehler im Bereich von plus/minus 5° auf. Werden derartige Magnete mit einem Feldwinkelfehler in Magnetfeldsensoren, welche zur Winkelmessung eingesetzt werden, verbaut, so ist das Ergebnis der Messung mit einem Winkelfehler behaftet. Die Erfindung zielt darauf ab, derartige Messfehler zu vermeiden.

Fig. 2a zeigt eine Vorrichtung 1 zur Aufnahme, Vermessung und Montage eines Magneten M1 , welcher ein mit einem Feldwinkelfehler α behaftetes Magnetfeld F1 erzeugt. Die geometrische Achse des zylinderförmig ausgebildeten Magneten M1 , d. h. die Magnetachse a, bildet mit der Achse des Magnetfeldes F1 , d. h. der Magnetfeldachse f, den Abweichwinkel a, auch Feldwinkelfehler α genannt. Die Vorrichtung 1 weist ein Sensorelement 2 auf, welches den Feldwinkelfehler α erfasst. Die Vorrichtung 1 ist über ein Gelenk 3 schwenkbar angeordnet und weist einen in der Zeichnung etwa horizontal verlaufenden ersten Schenkel 1a sowie einen in der Zeichnung etwa vertikal verlaufenden zweiten Schenkel 1 b auf, in welchem das Sensorelement 2 angeordnet ist. Der zweite Schenkel 1 b weist stirnseitig einen Greifkopf 1 c auf, in welchem der Magnet M1 aufgenommen ist.

Fig. 2b zeigt die schwenkbare Vorrichtung 1 bei der Montage des Magneten M1 in einem Bauteil 4, welches eine Aufnahmeöffnung 4a für den Magneten M1 aufweist. Das Bauteil 4 kann vorzugsweise als Kugelzapfen 4 eines Kugelgelenks, wie es beispielsweise durch die DE 10 2004 039 781 A1 der Anmelderin bekannt wurde, ausgebildet sein. Das Bauteil 4 respektive der Kugelzapfen 4 weist eine Bauteilachse b respektive eine Kugelzapfenachse b auf. Wie aus der Darstellung ersichtlich, ist die Vorrichtung 1 im Vergleich zu Fig. 2a verschwenkt, so dass die Magnetachse a gegenüber der Bauteilachse b verkippt ist, und zwar um den Feldwinkelfehler a. Dies hat zur Folge, dass die Magnetfeldachse f mit der Bauteilachse b zusammenfällt. In der Zeichnung sind also Magnetfeldachse f und Bauteilachse b senkrecht angeordnet. Die verkippte Position des Magneten M1 kann durch Verkleben des Magneten M1 mit dem Bauteil 4 fixiert werden. Neben der Verkippung kann auch der radiale Versatz über die Vorrichtung 1 , insbesondere den Greifkopf 1 c des zweiten Schenkels 1 b eingestellt werden.

Fig. 3a zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Kompensation eines Feldwinkelfehlers bei der Montage eines Magneten M2. Fig. 3a entspricht der Fig. 2a und zeigt die mittels des Gelenks 3 schwenkbar angeordnete Vorrichtung 1 zur Vermessung des Feldwinkelfehlers a. Die Magnetachse ist mit a und die Magnetfeldachse mit f bezeichnet. Der Feldwinkelfehler a, d. h. die Neigung des Magnetfeldes wird über das Sensorelement 2 erfasst.

Fig. 3b zeigt die Montage des Magneten M2 mittels der Vorrichtung 1 in einer Öffnung 4a des Bauteiles 4 respektive des Kugelzapfens 4, welcher die Zapfen- bzw. Bauteilachse b aufweist. Aus der Darstellung ist erkennbar, dass die Magnetachse a achsparallel zur Bauteilachse b versetzt ist, und zwar um den Versatz e. Der Magnet M2 ist somit außermittig in der Aufnahmeöffnung, ausgebildet als Sacklochbohrung 4a mit der Achse b, angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 2b besteht darin, dass der Magnet M2 plan auf dem Boden der Aufnahmeöffnung 4a aufliegt.

Fig. 4a zeigt einen Magneten M3 mit einem Magnetfeld F, dessen Magnetfeldachse f gegenüber der Magnetachse a geneigt ist und einen Feldwinkelfehler α aufweist, welcher durch das Sensorelement 2 erfasst wird. Auf der rechten Seite von Fig. 4a ist der Magnet M3 in einer Draufsicht dargestellt und in einem ringförmigen Kunststoffgehäuse 5 angeordnet, welches eine Vielzahl von auf dem Umfang angeordneten, zylinderförmig ausgebildeten Kammern 5a aufweist. In einigen der Kammern 5a (in der Zeichnung sind es drei Kammern) sind Kompensationskörper 6, ausgebildet als Stifte oder Drahteinlagen 6, eingesetzt. Die Kompensationskörper 6 sind aus einem magnetisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Stahl hergestellt. Die Stahlstifte 6 haben die Wirkung, dass das Magnetfeld F gemäß Fig. 4a verzerrt und damit der Feldwinkelfehler α korrigiert wird.

Fig. 4b zeigt den Magneten M3 mit Kunststoffgehäuse 5 einschließlich Kompensationskörper 6, eingebaut in der Aufnahmeöffnung 4a des Bauteiles 4 mit der Bauteilachse b. Man erkennt aus der Darstellung, dass das Magnetfeld F symmetrisch zur Bauteilachse b angeordnet ist und die Magnetfeldachse f sowie die Magnetachse a mit der Bauteilachse b zusammenfallen. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass der Magnet M3 zentrisch und plan verbaut oder bei Bedarf radial mit einem Versatz korrigiert werden kann.

Das Bauteil 4 kann auch als Kugelhülse eines Kugelhülsengelenks, wie es beispielsweise durch die DE 103 58 763 A1 der Anmelderin bekannt wurde, ausgebildet sein.

Bezugszeichen

1 Vorrichtung

1 a erster Schenkel

1 b zweiter Schenkel

1 c Greifkopf

2 Sensorelement

3 Gelenk

4 Bauteil/Kugelzapfen

4a Aufnahmeöffnung/Bohrung

5 Kunststoffgehäuse

5a Kammer

6 Kompensationskörper/Stahlstift a Magnetachse

b Bauteilachse

e Achsversatz

f Magnetfeldachse

F Magnetfeld

F' Magnetfeld mit Fehlstellung

F1 Magnetfeld

M Magnet

M' Magnet (handelsüblich)

M1 Magnet

M2 Magnet

M3 Magnet

α Abweichwinkel/Feldwinkelfehler