DE19753775A1 - Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßvorrichtung zur be­ rührungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der nachveröffentlichten DE-OS 196 34 281.3 ist ein Sensor bekannt, der in drei Ebenen übereinander angeordnet ist. Der Rotor bildet die mittlere Ebene, wobei er aus der Trägerplatte für einen Permanentmagneten besteht. Die Trägerplatte selbst besteht aus nichtmagnetisch leitendem Material, so daß der Ma­ gnetfluß über die beiden anderen Ebenen, d. h. den Stator verläuft und mit Hilfe zweier Distanzstücke, die zwischen den beiden Ebenen des Stators angeordnet sind, gesteuert wird. Die Welle bzw. der Fortsatz einer Welle, die am Rotor befestigt ist, hat keinen Einfluß auf den Magnetfluß. Mit diesem Sensor ist zwar ein relativ großer Winkelbereich ohne Vorzeichenwechsel meßbar, er baut aber in Achsrichtung ge­ sehen durch den Aufbau in drei parallelen Ebenen relativ groß.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur berührungslosen Er­ fassung eines Drehwinkels mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor in Achsrichtung eine relativ kleine Größe aufweist. Er baut nur noch in zwei Ebenen. Die Trägerplatte des Permanentmagneten, die den Rotor darstellt, dient zugleich auch zur Führung des magnetischen Flusses. Ferner ist die Welle bzw. Achse auf der der Rotor sitzt in die Führung des magnetischen Flusses mit einbezogen, wodurch sich zusätzliche magnetische Flußleitstücke erübrigen. Ferner wird durch diesen Aufbau die Anzahl der Teile und der damit verbundene Montageaufwand verringert.

Der Sensor ist aufgrund seines einfachen Aufbaus mit relativ geringem Montageaufwand in verschiedenen Systemen, wie zum Beispiel einer Drosselmeßvorrichtung, eines Pedalmoduls für einen Gaspedalwertgeber integrierbar oder als eigenständiger Sensor bei Drosselklappengebern oder einer Karosserieeinfe­ derungsvorrichtung verwendbar.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An­ spruch 1 angegebenen Meßvorrichtung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Die Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedenen Ansichten bzw. Schnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel. Fig. 1 zeigt hierbei einen Längsschnitt in Blickrichtung X nach Fig. 3, Fig. 2 einen Schnitt B-B nach Fig. 4, Fig. 3 eine Draufsicht in Blickrichtung Y nach Fig. 1 und Fig. 4 einen Längsschnitt in Richtung A-A nach Fig. 3. Die Fig. 5 und 6 zeigen den Magnetfluß bei einer Winkeldrehung von 0° bzw. einer Induktion B = 0, die Fig. 7 und 8 zeigen den ent­ sprechenden Magnetfluß bei maximaler Winkeldrehung bzw. bei einer Induktion B = max, die Fig. 9 zeigt den entsprechen­ den Verlauf der Induktion B über den Drehwinkel α. Weitere Ausführungsbeispiele, die den Einbau des Sensors in einen Drosselklappensteller bzw. einen Pedalwertgeber darstellen, sind als Längsschnitt in der Fig. 10 und 11 dargestellt. Weitere Ausführungsbeispiele zeigen die Fig. 12 und 14 in Draufsicht bzw. die Fig. 13 und 15 in einem Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 bis 4 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der mit Hilfe einer Achse 11, mit einem nicht dargestellten Bau­ teil verbunden ist, dessen Drehbewegung bestimmt werden soll. An der Stirnseite der Achse 11 ist ein Fortsatz 12 an­ gebracht, so daß eine Schulter 13 entsteht, auf der eine Trägerplatte 14 mittig aufgesetzt ist, die gleichzeitig als Rotor dient. Die Achse 11, der Fortsatz 12 und die Träger­ platte 14 können sowohl als Einzelbauteile als auch als ein einziges Bauteil hergestellt sein. Auf der Trägerplatte 14 ist möglichst mit großem radialen Abstand vom Mittelpunkt, d. h. vom Ansatzpunkt der Achse 11, ein ringförmiger Perma­ nentmagnet 15 angeordnet. Je größer hierbei der Abstand ist, desto besser ist die Auflösung des Meßsignals. Der Perma­ nentmagnet 15 kann als Kreisausschnitt (Kreissegment) oder Teil eines Kreisrings ausgeführt sein. Sein Winkelbereich ist mindestens so groß, wie der zu bestimmende maximale Drehwinkel des zu überwachenden bzw. des zu messenden Bau­ teils. Wie aus den Darstellungen in der Fig. 2 bzw. 3 zu ersehen ist, beträgt der Winkelbereich des Permanentmagneten 15 bei diesem Ausführungsbeispiel 180°, so daß ein zu messender Drehwinkel von 180° erreicht werden kann. Der Per­ manentmagnet 15 ist ferner in Achsrichtung, d. h. senkrecht zur Trägerplatte 12 polarisiert. Die Trägerplatte 14 besteht aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Ma­ terial. Erfindungsgemäß besteht die Achse 11 und der Fort­ satz 12 oder zumindest der Fortsatz 12 auch aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Material.

In einer zweiten Ebene über dem Permanentmagneten 15 ist parallel zur Trägerplatte 14 mit einem geringen Abstand ein Stator angeordnet, der aus zwei Segmenten 16, 17 besteht. Das Segment 16 umschließt dabei mit einem Bogen 19 den Fort­ satz 12. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Bogen 19 als Kreisbogen ausgebildet. Es ist aber auch eine andere Kontur denkbar. Wesentlich dabei ist aber, daß eine magnetisch lei­ tende Verbindung zwischen dem Fortsatz 12 und dem Segment 16 möglich ist. Der Spalt 20 zwischen der Achse 11 und dem Bo­ gen 19 ist deshalb möglichst gering auszubilden. Zwischen den beiden Segmenten 16, 17 ist ein durchgehender Spalt aus­ gebildet, der beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4 zwei gleich ausgebildete äußere Abschnitte 21 und einen mittigen, im Bereich des Bogens 19 befindlichen Di­ stanzabscbnitt 22 aufweist. Beim Distanzspalt 22 ist es wichtig, daß zwischen den Segmenten 16 und 17, d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich des Bogens 19, möglichst kein magnetischer Fluß der vom Permanentmagneten 15 erzeugten Magnetfeldlinien möglich ist. Der Distanzspalt 22 kann deshalb mit Luft oder einem anderen magnetisch nichtleitendem Material ausgefüllt sein. Ist der Distanzspalt 22 mit Luft gefüllt, so muß er im Verhältnis zum Spalt 21 größer ausgebildet sein, um diesen obengenannten Effekt zu erreichen. Statt Luft kann auch ein anderes, magnetisch nichtleitendes Material ausgewählt werden. Im Spalt 21 ist etwa mittig ein ma­ gnetfeldempfindliches Element 25, wie z. B. Feldplatte, Ma­ gnettransistor, Spulen, magnetoresistives Element oder ein Hall-Element angeordnet. Wichtig hierbei ist, daß das ma­ gnetfeldempfindliche Bauteil eine möglichst lineare Ab­ hängigkeit seines Ausgangssignals von der magnetischen In­ duktion B aufweist. In den Fig. 1 bis 4 ist jeweils eine Messung mit Hilfe eines einzigen magnetfeldempfindlichen Elements 25, eines Hall-Elements dargestellt. In diesem Fall muß das Element 25 möglichst mittig im Spalt 21 angeordnet sein. Hingegen wäre es auch möglich, z. B. jeweils ein Ele­ ment 25 in beiden Spalten 21 anzuordnen, um z. B. eine soge­ nannte redundante Messung (Sicherheitsmessung) durchführen zu können. Auch wäre es denkbar, in einem Spalt zwei Ele­ mente anzuordnen. Wird, wie in der Fig. 3 ersichtlich, nur in einem Spalt 21 ein magnetfeldempfindliches Element 25 an­ geordnet, so kann der gegenüberliegende Spalt 21 auch die Größe des Distanzspalts 22 aufweisen und somit die dem Di­ stanzspalt 22 innehabende magnetisch nichtleitende Funktion aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den als Meßspalt dienenden Spalt 21 nicht, wie in der Fig. 3 darge­ stellt, symmetrisch sondern auch unsymmetrisch oder auch ab­ gewinkelt anzuordnen. Wichtig ist dabei, daß der Spalt 21 relativ gering im Verhältnis zum Distanzspalt 22 ausgebildet ist, um einen möglichst ungestörten Fluß der Magnetlinien durch das magnetfeldempfindliche Element 25 zu ermöglichen.

In der Fig. 9 ist der Verlauf der Kennlinie der magne­ tischen Induktion B im Element 25 z. B. einem Hall-Element über dem Drehwinkel α der Achse 11 dargestellt. Es ist er­ kennbar, daß bei einem Drehwinkel α von 0° die Induktion B ebenfalls Null beträgt, während sie beim maximalen Dreh­ winkel α auch den maximalen Induktionswert erreicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der maximale Drehwinkel bei 180° erreicht. Die Stellung des Sensors 10 bei einem Dreh­ winkel von 0° ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Magnetfluß vom Permanentmagneten 15 über den geringen Spalt, der zur Beweglichkeit des Rotors gegenüber dem Stator dient, zum Segment 16, von dort über den geringen Lagerungsspalt zum Fortsatz 12 und von dort über die Trägerplatte 14 zurück zum Permanentmagneten 15 führt. Wie insbesondere aus der Fig. 6 ersichtlich ist, ist der Magnetfluß so gesteuert, daß er bei einem Drehwinkel von 0° nicht durch das Element 25 verläuft, so daß im Element 25 keine magnetische Induktion B erfolgen kann. Wird nun die Achse 11 und somit die Trägerplatte 14 mit dem Permanent­ magneten 15 gedreht, so wird der durch das Element 25 ver­ laufende magnetische Fluß vergrößert, und es ergibt sich die in der Fig. 9 dargestellte lineare Meßlinie. Die Ein­ stellung bei maximalem Drehwinkel α ist in der Fig. 7 bzw. 8 dargestellt. Die Fig. 7 ist eine Ansicht in Blickrichtung A auf die Fig. 8. In der Stellung des maximalen Drehwinkels α verläuft der gesamte Magnetfluß des Permanentmagneten 15 über den geringen Spalt in das Segment 17. Von dort fließt der Magnetfluß durch den einen Spalt 21 in das Segment 16 und ein auf der gegenüberliegenden Seite über den anderen Spalt 21 zurück durch den Lagerungsspalt in den Fortsatz 12 und von dort über die Trägerplatte 14 zum Permanentmagneten 15. Insbesondere aus der Fig. 8 ist ersichtlich, daß beim Passieren des Spalts 21 nahezu der gesamte Magnetfluß durch das Element 25 geführt wird und dadurch im Element 25 eine maximal mögliche magnetische Induktion B bewirkt wird. Aus der Fig. 8 ist ferner ersichtlich, daß durch den Distanz­ spalt 22 ein nahezu vollständiger Verlauf der Magnetlinien über den Spalt 21 und somit durch das Element 25 bewirkt wird. Es darf möglichst kein Magnetfluß über den Distanz­ spalt 22 erfolgen.

Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 10 ist der Einbau des oben beschriebenen Sensors in eine Drosselklappenstellein­ heit 30 dargestellt. Mit Hilfe dieser Einheit 30 wird der Drehwinkel einer Drosselklappe für eine Motorsteuerung er­ faßt. Hierbei sind die Segmente 16, 17 des Stators direkt im Deckel 31 der Drosselklappenstelleinheit 30 angeordnet. Da der Deckel 31 aus Kunststoff besteht, können die Segmente 16, 17 in den Deckel 31 mit eingespritzt werden. Es wäre aber auch möglich, die beiden Segmente 16, 17 des Stators in den Deckel 31 einzuklipsen. Selbstverständlich muß dabei aber ein Spalt 33 vorhanden sein, der einen magnetischen Fluß vom Permanentmagneten 15 zu den Segmenten 16 bzw. 17 ermöglicht. In einem Spalt 33, der in der Fig. 10 nicht er­ sichtlich ist, befinden sich wiederum das eine oder die bei­ den Elemente 25. Die Achse 11 ist hierbei direkt auf der Welle 32 der Drosselklappe befestigt oder stellt einen Fort­ satz dieser Welle 32 dar. Die als Rotor dienende Träger­ platte 14 mit dem Permanentmagneten 15 ist somit direkt auf der Welle 32 der Drosselklappe befestigt. Ohne große Än­ derungen kann der Sensor nach den Fig. 1 bis 4 bzw. 12 bis 15 in eine Drosselklappenstelleinheit 30 eingebaut wer­ den. Hierbei kann in einfacher Weise das z. B. bisher verwen­ dete Potentiometer ausgetauscht werden. Die Fig. 11 stellt einen Pedalwertgeber dar. In der Fig. 11 sind die Segmente 16, 17 des Stators in den Boden 40 der Einheit 30a ange­ ordnet. Die Segmente 16, 17 können auch hier wieder in den Boden 40 eingegossen oder eingeklipst werden. Der Fortsatz der Welle 32 ragt somit durch den Stator hindurch und die als Rotor dienende Trägerplatte 14 ist am Ende der Achse 32 befestigt. Somit ist entsprechend den Fig. 10 und 11 der Sensor entsprechend den Ausführungen der Fig. 1 bis 4 bzw. 12 bis 15 den baulichen Gegebenheiten der Drossel­ klappenstelleinheit 30 bzw. des Pedalwertgebers anpaßbar.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 12 und 13 ist die Trägerplatte des Sensors keine Vollscheibe mehr. Es reicht aus, wenn die Trägerplatte 14a als Segment ausgebildet ist, das einen Winkelbereich entsprechend der Größe des Perma­ nentmagneten 15 aufweist. In der Fig. 12 ist bezogen auf die Fig. 1 bis 4 ein Permanentmagnet mit einem Winkelbe­ reich von 180° dargestellt. Somit hat die Trägerplatte 14a auch einen Winkelbereich von etwa 180°. Die Außenkontur die­ ser als Segment ausgebildeten Trägerscheibe 14a kann be­ liebig ausgebildet sein. So ist z. B. in den Fig. 14 und 15 das Trägersegment 14b als Zahnradsegment ausgebildet. Wie insbesondere aus der Fig. 15 ersichtlich ist, ist das Zahn­ radsegment 45 an die Trägerscheibe 14b angespritzt, wobei das Zahnradsegment 45 auch den Permanentmagneten 15 mit um­ gibt. Mit Hilfe des aus nicht magnetisch leitendem Material hergestellten Zahnradsegments kann gleichzeitig eine An­ triebskraft auf die Trägerplatte eingeleitet werden. Dadurch ist eine Integrierung in einen Antrieb und somit eine sehr kompakte Bauweise möglich.

Claims (11)

1. Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Dreh­ winkels α zwischen einem Stator (16, 17) und einem Rotor (14), wobei auf dem Rotor (14) ein Permanentmagnet (13) an­ geordnet ist, wobei sich zwischen Stator (16, 17) und Rotor (14) ein Luftspalt befindet und der Stator aus mindestens zwei Segmenten (16, 17) besteht, die durch mindestens einen magnetisch nicht leitenden Spalt (21, 22) getrennt sind, wo­ bei sich in mindestens einem Spalt (21) mindestens ein ma­ gnetfeldempfindliches Element (25) befindet, wobei min­ destens ein Teil (17) des Stators keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (14) aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achse (11) des Rotors (14) mindestens einen Be­ reich aus magnetisch leitendem Material aufweist, der min­ destens vom Rotor (14) zu dem Teil (16) des Stators, das eine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (14) auf­ weist, und daß mindestens ein erster Spalt (22) zwischen den beiden Teilen (16, 17) des Stators vorhanden ist, der den Magnetfluß des Permanentmagneten (15) behindert und so steuert, daß er über mindestens einen der anderen Spalte (21) verläuft.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spalt (22) größer als der andere Spalt (21) ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch i und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Welle (11), insbesondere der Fortsatz (12), und der Rotor (14) aus weichmagnetischem Material be­ stehen.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (16) des Stators einen Fortsatz (19) aufweist, in den die Achse (11), insbesondere deren Fortsatz (12), ragt.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (19) des Teils (16) des Stators bogenförmig ausgebildet ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und der Stator scheibenförmig ausgebildet sind.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Segment ausgebildet ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei andere Spalte (21) vorhanden sind, in denen jeweils mindestens ein Hall-Element (25) angeordnet ist.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) und der Rotor (14) ein­ teilig ausgebildet sind.

10. Drosselklappensensor oder Pedalwertgeber mit einer Meß­ vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der als Stator (16, 17) dienende Teil im Deckel (31) des Sensors (30) integriert ist, und daß der Deckel (31) aus Kunststoff besteht.

11. Drosselklappensensor oder Pedalwertgeber mit einer Meß­ vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der als Stator (16, 17) dienende Teil im Boden (40) des Sensors (30) integriert ist, und daß der Bo­ den (40) aus Kunststoff besteht.