DE4030229A1

DE4030229A1 - Winkelgeber

Info

Publication number: DE4030229A1
Application number: DE4030229A
Authority: DE
Inventors: Kurt Hurst; Klaus Dr Brill; Hans Dr Ing Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-09-25
Filing date: 1990-09-25
Publication date: 1992-03-26
Anticipated expiration: 2010-09-26
Also published as: US5382792A; JPH06500915A; DE4030229C2; WO1992005622A1; EP0550468A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Winkelgeber nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Winkelgeber sind grundsätzlich bekannt, wobei die Winkelmessung auf optischem, induktivem oder kapazitivem Weg erfolgen kann. Weiterhin sind magnetische Kupplungen im Ma schinenbau bekannt, z. B. für den Einsatz in Pumpen für die Ver fahrenstechnik.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Winkelgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß eine hermetische Kapselung möglich wird, welche Schutz vor den hohen Belastungen und Störungen bietet, denen derartige Geber, insbesondere im Betrieb im Kraftfahr zeug, ausgesetzt sein können. Die Betriebssicherheit wird demzufolge wesentlich erhöht, ohne daß die Genauigkeit des Gebers beeinträch tigt ist, da durch den Magnetkreis bei geeigneter Dimensionierung praktisch keine Meßfehler entstehen. Die unten erörterten und darge stellten konstruktiven Maßnahmen erlauben eine Optimierung des dyna mischen Verhaltens.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Winkelgebers möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei die vielseitige Möglichkeit der konstruktiven Gestaltung bei gleich zeitiger gasdichter Kapselung der störempfindlichen Meßeinrichtung.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Winkelgeber,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit radial ausgerichteten Magneten,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit axial ausgerichteten Magneten und

Fig. 4 den Verlauf des Rückstellmomen tes der Magnetkupplung in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel zwischen den beiden Kupplungsteilen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen nach dem optischen Meßprin zip arbeitenden, berührungslosen Winkelgeber, insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen. Dieser besitzt ein von einer nicht dargestellten, drehbeweglichen, zu überwachenden Anordnung mitge führtes Teil 10, welches über eine Welle 11 drehbeweglich angetrie ben wird. Die Meßeinrichtung insgesamt ist mit 12 bezeichnet, sie erfaßt einen Verdrehwinkel 13 der zu überwachenden Anordnung.

Die Meßeinrichtung 12 enthält eine Kodierscheibe 14 sowie eine opti sche Abtasteinrichtung 16, in der benachbart zur Kodierscheibe 14 ein Lichtleiterbündel 18 hermetisch dicht gehalten ist. Der Halter 26 sitzt gasdicht in einer metallischen Abdeckplatte 19, welche mit einem ebenfalls metalischen Gehäuse 20 gasdicht verlötet ist. Ab deckplatte und Gehäuse bestehen vorzugsweise aus Messing.

An dem mitgeführtne Teil 10 sind durch die zu überwachende Anordnung angetriebene Magnete 22 befestigt, denen im Inneren des gasdichten Gehäuses 20 mitgenommene Magnete 24 gegenüberstehen. Die Magnete 24 sitzen auf einer Verlängerung 15 der Kodierscheibe 14, welche koaxial zur Welle 11 in einer Lagerung 28 gehalten ist, die im we sentlichen aus einer Bohrung in einem Gehäusefortsatz 30 und einem Zapfen 32 in der Verlängerung 15 besteht.

Beim Einsatz von berührungslosen Winkelsensoren im Kraftfahrzeug be steht die Gefahr der Verschmutzung, z. B. durch Staub, oder die Kon densation von Öldämpfen oder Feuchtigkeit. Der Schutz der Winkelsen soren vor diesen Umwelteinflüssen bereitet große Schwierigkeiten, da bereits geringste Verschmutzungen oder Niederschläge das Meßergebnis erheblich verfälschen können. Die Verwendung einer magnetischen Kupplung zwischen dem angetriebenen Teil und dem Meßteil des Gebers gestattet es, zumindest die störempfindlichen Teile hermetisch zu kapseln. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich dabei insbeson dere, aber nicht ausschließlich für berührungslose Winkelgeber, da bei diesen Verunreinigungen und Niederschläge, beispielsweise bei der optischen oder kapazitiven Abtastung, erhebliche Verfälschungen des Meßergebnisses verursachen. Die magnetische Kupplung gewähr leistet einen störungfreien Betrieb des Gebers über lange Laufzeiten unter den im Kraftfahrzeug vorhandenen harten Betriebsbedingungen.

Grundsätzlich kommen zwei Magnetanordnungen in Frage. Bei der in Fig. 2 dargestellten radialen Anordnung verläuft der magnetische Fluß entsprechend der gestrichelten Linie 17. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß auf das mitgeführte Kupplungsteil 10 keine Kräfte in axialer Richtung einwirken, welche zusätzliche Maßnahmen und hohe Fertigungspräzision zur Vermeidung von Fehlern bedingen. Die axiale, in Fig. 3 darge stellte Bauweise hat dagegen den Vorteil, daß sie eine sehr flache, kompakte Bauweise des Winkelgebers ermöglicht. Durch die magnetische Kupplung zwischen dem mitgeführten Teil 10 und der Kodierscheibe 14 als Meßwertgeber wird eine betriebssichere und langlebige Gestaltung des Winkelgebers gesichert bei hervorragender Meßgenauigkeit. Außer dem ist eine vorteilhafte Anpassung des dynamischen Verhaltens des Gesamtsystems an die Bedingungen des Betriebs im Kraftfahrzeug mög lich.

Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Anordnungen ist eine Kodierscheibe 14 vorgesehen, auf die ein digitaler Kode als Muster aufgebracht ist. Dieser wird über ein Lichtleiterbündel 18 abgeta stet. Die Kodierscheibe 14 bildet mit dem mitgeführten Teil 10 des Winkelgebers eine Einheit, wobei die antreibende Kupplungsseite mit den Magneten 22 bzw. 22′ fest mit der zu überwachenden Anordnung, z. B. der Drosselklappe im Kraftfahrzeug, verbunden ist, deren Win kellage erfaßt werden soll. Der Faserhalter 26 ist gasdicht in die Abdeckplatte 19 eingebaut, die ihrerseits durch eine Lötverbindung mit dem Gehäuse 20 den Innenraum des Winkelgebers mit der Kodier scheibe 14 gasdicht gegen die Atmosphäre abschließt.

Die Magnetanordnung ist so gewählt, daß eine eindeutige Zuordnung des mitgeführten und des antreibenden Teils besteht, d. h., daß bei radialer Anordnung der Magnete gemäß Fig. 2 in einer Schnittebene jeweils nur ein Polpaar von Magneten vorhanden ist. Bei der axialen Magnetanordnung gemäß Fig. 3 befindet sich auf jedem Radius nur ein Polpaar. Das magnetische Rückstellmoment ist durch Dimensionierung und Anordnung der Magnete 22, 24; 22′, 24′ so gewählt, daß es bis auf physikalisch nicht vermeidbare, sehr kleine Bereiche in der Nähe der beiden Gleichgewichtslagen, stets größer ist als das durch die Reibkräfte entstehende Moment, und daß die Rückkehr in die Nullage nach jeder Auslenkung mit Sicherheit erfolgt.

In Fig. 4 ist der Verlauf des Rückstellmoments M in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel ϕ zwischen den beiden Kupplungsteilen für zwei verschiedene Auslegungen dargestellt. Das zur Überwindung der festen Reibung erforderliche Rückstellmoment 6 ist zur Verdeutlichung ge genüber den realen Gegebenheiten überhöht. Bei Auslegung gemäß Kurve 1, welche für verbreiterte, geringerwertige Magnete und vergrößerten Luftspalt gilt, ist die Rückkehr zur Nullage stets gesichert. Bei der Ausbildung der magnetischen Kupplung gemäß Kurve 2, welche für schmale Magnete aus hochwertigem Magnetmaterial und geringe Luft spaltbreite gilt, würde zwischen ca. 30° und 150° sowie zwischen 210° und 330° die Anordnung von der Reibkraft am Rückdrehen in die Nullage gehindert.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Lager- und Luftreibung so klein gehalten werden, daß der bei konstanter Winkelgeschwindig keit auftretende dynamische Fehler durch verzögertes Nachfolgen sowie der reibungsbedingte statische Hysteresefehler im Rahmen des zulässigen Meßfehlers (z. B. < 1%) bleibt. Der elektrische Wider stand des Materials der Trennwand zwischen den Magneten 22, 24 bzw. 22′, 24′ ist durch Auswahl eines geeigneten Werkstoffes sowie durch entsprechende Auslegung der Wandstärke so eingestellt, daß optimale Dämpfungswerte durch Wirbelströme entstehen. Auf diese Weise wird ein unzulässiges Überschwingen bei starken Geschwindigkeitsänderun gen ausgeschlossen.

Claims

1. Winkelgeber, vorzugsweise berührungsloser Winkelgeber, insbeson dere für Kraftfahrzeuge, mit einem von der zu überwachenden Anord nung mitgeführten Teil und mit einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Verdrehwinkels, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (12, 14, 16) hermetisch gekapselt ist und daß zwischen dem mitge führten Teil (10) und der Meßeinrichtung (12, 14, 16) eine magneti sche Kupplung (22, 24) eingefügt ist.

2. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Kupplung wenigstens ein Paar radial ausgerichtete Magnete (22, 24) aufweist.

3. Winkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schnittebene der magnetischen Kupplung (22, 24) jeweils nur ein Polpaar vorhanden ist.

4. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Kupplung wenigstens ein Paar axial ausgerichteter Magnete (22′, 24′) aufweist.

5. Winkelgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Radius der magnetischen Kupplung (22′, 24′) jeweils nur ein Polpaar angeordnet ist.

6. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mitgenommenen Magnete (24, 24′) und die Meßeinrichtung (12, 14, 16) in einem nichtmagnetischen, metallischen Gehäuse (20) sitzen.

7. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (12, 14, 16) als optische Meßeinrichtung ausgebildet ist und daß eine Kodierscheibe (14) innerhalb eines hermetisch dicht verschlossenen Gehäuses (20) dreh bar gelagert ist, in dessen Wandung (19, 20) ein Halter (26) für ein Lichtleiterbündel (18) gasdicht eingesetzt ist.

8. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mitgenommene Magnetanordnung (24, 24′) und der bewegliche Teil (14) der Meßeinrichtung (12, 14, 16) eine Bau einheit bilden.

9. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die angetriebene Magnetanordnung (22, 22′) fest mit der zu überwachenden Anordnung (10) verbunden ist, deren Winkel lage (13, ϕ) erfaßt werden soll.

10. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Teil (16, 26) der Meßeinrich tung (12, 14, 16) in eine unmagnetische, metallische Abdeckplatte (19) des Gehäuses (20), insbesondere eines Messinggehäuses, einge lötet ist.

11. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellmoment (M) der magnetischen Kupp lung (22, 24) im wesentlichen über dem gesamten Verdrehbereich (ϕ) der Meßeinrichtung (12, 14, 16) größer ist als das durch Reibkräfte entstehende Moment (6).

12. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung der Meßeinrichtung (12, 14, 16) gedämpft ist durch geeignete Bemessung und Gestaltung des metalli schen Gehäuses (20), insbesondere im Bereich zwischen den Magneten (22, 24), sowie durch Bemessung und Gestaltung der Magnete.