DE10008537A1

DE10008537A1 - Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE10008537A1
Application number: DE10008537A
Authority: DE
Inventors: Asta Reichl; Thomas Klotzbuecher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-09-06
Also published as: JP2003524171A; EP1259780A1; WO2001063212A1; US20030141863A1; US7042209B2

Abstract

Eine Messvorrichtung (10) zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels besteht aus einem magnetisch nicht leitenden Rotor (11), auf dem ein Magnet (6) angeordnet ist, und aus einem stationären magnetempfindlichen Element (1) zur Erzeugung eines Messsignals. Das magnetempfindliche Element (1) weist hierbei zwei im Abstand (x) angeordnete sensitive Flächen (2, 3) auf.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach der Gattung des Anspruches 1. Bisher wurden unter anderem, wie zum Beispiel in der DE 197 53 775.8 A1 beschrieben, bei diesen Messvorrichtungen Flussleitteile aus magnetisch leitendem Material zur Lenkung der Magnetlinien verwendet. Diese Messvorrichtungen bauen aber somit relativ groß und sind nur bedingt in Messsysteme einzubauen. Ferner kann bei dieser Ausbildung die Steigung des linearen Bereichs der Messkurve nicht hinreichend genug beeinflusst werden.

Um diese Probleme zu vermeiden, weist eine neue Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels einen Rotor, auf dem ein Magnet angeordnet ist, und ein magnetempfindliches Element zur Erzeugung eines Messsignals auf. Der Rotor besteht hierbei aus magnetisch nicht leitendem Material und der Magnet ist planar ausgebildet sowie parallel zu einer durch die Achse des Rotors gehenden Ebene angeordnet. Zudem ist die Polarisierung des Magneten diametral zur Achse. Bei dieser Messvorrichtung werden keine Flussteile eingesetzt. Ferner ist der Montageaufwand dieser Messvorrichtung stark reduziert. Andererseits kann bei dieser Messvorrichtung der lineare Bereich der Messkurve 180° nicht übersteigen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels mit den Merkmalskombinationen des Anspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass sich die beiden linearen Bereiche der Messkurven der beiden sensitiven Flächen zu einem durchgehend linearen Bereich bis zu einem Winkel von 360° kombinieren lassen. Trotz dieses großen Winkelbereiches ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung sehr klein und aufgrund ihres einfachen Aufbaus kostengünstig.

Vorzugsweise werden die beiden sensitiven Hall-Flächen zueinander entgegengesetzt bestromt, sodass zu jedem Zeitpunkt beziehungsweise jedem Drehwinkel des zu messenden Objektes ermittelbar ist, in welcher präzisen Drehstellung das Objekt sich befindet. Dies ist einfach durch einen Vergleich der beiden Ausgangssignale der beiden sensitiven Hall-Flächen möglich.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die beiden sensitiven Hall-Flächen in einer Ebene angeordnet. Für eine einfache Positionierung des Hall-Elements werden die Messsignale der beiden sensitiven Flächen getrennt abgeführt. Unter anderem wird auch die Positionierung der beiden sensitiven Hall-Flächen erleichtert, da die beiden Flächen ohne Abgleich bei gleicher Bestromung und gleicher Magnetfeldeinwirkung die gleichen Ergebnisse liefern müssen. Dies gilt vor allem für die in Fig. 3 und 4 dargestellten Positionen. Insofern ist ein aufwendiger Vergleich mit einer Kalibrierungskurve, wie bei den bekannten Messvorrichtungen, nicht erforderlich.

Vorzugsweise sind das magnetempfindliche Element und der Magnet so zueinander angeordnet, dass sie eine Kreisbewegung bezogen auf den Abstand x/2 zwischen den sensitiven Flächen zueinander beschreiben. Hierdurch wird eine einfache Kalibrierung sichergestellt, da der Abstand des Magneten zu dem magnetempfindlichen Element ungeachtet der relativen Winkelstellung gleich bleibt.

Bevorzugt ist der Magnet planar ausgebildet und parallel zu einer durch die Achse des Rotors gehende Ebene angeordnet. Dies ermöglicht einerseits ein homogenes Magnetfeld in Bezug auf das magnetempfindliche Element und andererseits eine Unempfindlichkeit gegen Axialversatz und deren Toleranzschwankungen.

Um eine optimale Induktionswirkung am Hall-Messelement zu erreichen, ist die Polarisierung des Magneten diametral zur Achse des Rotors.

Als bevorzugt haben sich eine rechteckige Form des Magneten mit abgerundeten Ecken aber auch eine ovale oder runde Form des Magneten bewiesen.

Schließlich erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Auswertung der Ausgangssignale der beiden sensitiven Flächen mittels eines Vergleichsalgoritmus, durch den zu jedem Zeitpunkt die Stellung des zu messenden Objektes in einfacher Form ermittelt werden kann.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des magnetempfindlichen Elementes von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung von Fig. 1, wobei die Polarisierung des Magneten parallel zur Ausrichtung des magnetempfindlichen Elementes ist,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung von Fig. 1, wobei die Polarisierung des Magneten senkrecht zum magnetempfindlichen Element ist,

Fig. 5 die Kennlinie der sensitiven Fläche 2,

Fig. 6 die Kennlinie der sensitiven Fläche 3,

Fig. 7 die Übereinanderlagerung der beiden Kennlinien der sensitiven Flächen 2 und 3,

Fig. 8 eine verschaltete Kennlinie, welche sich anhand eines auf die beiden Kennlinien der beiden sensitiven Flächen angewendeten Vergleichsalgoritmus ergibt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren ist mit 20 ein Sensor bezeichnet, der mit Hilfe einer Welle 10 mit einem nicht dargestellten Bauteil verbunden ist, dessen Drehbewegung bestimmt werden soll. An der Stirnseite der Welle 10 ist mittig eine Trägerplatte 9 aufgesetzt, die zusammen mit der Welle 10 als Rotor 11 dient. Zumindest die Trägerplatte 9 und insbesondere auch die Welle 10 bestehen aus magnetisch nicht leitendem Material. Die Trägerplatte 9 ist als kreisförmig ausgebildete Scheibe ausgestaltet. Mit Abstand vom Mittelpunkt der Trägerplatte 9 sowie der Mittellinie 4 der Welle 10 ist zum Beispiel am Rande der Trägerplatte 9, wie in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellt, ein Permanentmagnet 6 befestigt. Der Permanentmagnet 6 ist planar ausgebildet, das heißt, er weist keine Kurvenform auf, die sich der Kreisform der Trägerplatte 9 anpassen würde.

Der Permanentmagnet 6 ist parallel zu der Achse 4 der Welle 10 angeordnet. Hierbei ist die Polarisierung des Permanentmagneten 6 diametral zur Achse 4 gerichtet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Polarisierung senkrecht zur Achse 4 verläuft. Statt auf einer kreisförmigen Trägerscheibe 9 könnte der Permanentmagnet 6 auch auf einem auf der Achse 4 aufsitzendem Arm oder in einem Topf befestigt sein, der somit wiederum eine Kreisbewegung ausführen könnte.

Stationär ist ein magnetempfindliches Element 1 für den Mittelpunkt der Trägerplatte 9 angeordnet. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist das magnetempfindliche Element 1 über Pins 5 mit einer Leiterplatte 8 verbunden. Das magnetempfindliche Element ist im vorliegenden Fall ein Hall-Element 1, welches zusammen mit einer zugehörigen Schaltung auf der Leiterplatte 8 angeordnet ist. In dem Hall-Element 1 sind zwei sensitive Hall-Flächen 2, 3 integriert, die um den Abstand x/2 von der Mittellinie 4 nach links und rechts verschoben sind. Die sensitiven Flächen 2 und 3 werden entgegengesetzt zueinander bestromt und ergeben hierdurch die in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Kennlinien, das heißt die Kennlinien der beiden sensitiven Flächen 2, 3 sind zueinander um 180° phasenverschoben.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die beiden sensitiven Flächen 2, 3 auf einer Ebene, wie aus Fig. 2 ersichtlich, wodurch eine einfache Positionierung der beiden Hall-Flächen 2, 3 ermöglicht wird.

In den Fig. 3 und 4 sind in schematischen Draufsichten zwei verschiedene Drehpositionen des Rotors 11 in Bezug auf das Hall-Element 1 mit den Hall-Flächen 2, 3 dargestellt. Hierbei bewegt sich der Magnet 6 mit durch Pfeile dargestellter Polarisierung entlang der Kreisbahn um das Hall-Element 1. In Fig. 3 ist hierbei die Polarisierung parallele zur Ausrichtung der beiden sensitiven Hall- Flächen 2, 3 sowie in Fig. 4 senkrecht zur Ausrichtung der beiden sensitiven Hall-Flächen 2, 3. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet in den beiden Figuren die Symmetrielinie des Hall-Elementes 1.

Bewegt sich nunmehr, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, der Magnet 6 aufgrund einer Drehbewegung des Rotors 11 um das Hall-Element 1 einschließlich sensitiver Flächen 2, 3, so werden an den beiden sensitiven Flächen 2, 3 jeweils Spannungen induziert, die zu den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Kennlinien A für die sensitive Fläche 2 sowie B für die sensitive Fläche 3 führen. Hierbei ist, wie in Fig. 7 dargestellt, die 180° Phasenverschiebung der beiden Kennlinien A und B durch die entgegengesetzte Bestromung der beiden sensitiven Flächen 2, 3 ersichtlich.

Wird der Magnet 6 parallel zu den sensitiven Flächen 2, 3 des Hall-Elements 1 positioniert, so müssen die beiden sensitiven Flächen 2, 3 dieselbe Spannung anzeigen. Dies würde der Darstellung in Fig. 4 entsprechen. Zur exakten Positionierung ist nun die in der Fig. 3 dargestellte Zuordnung anzufahren. Hier ist der Magnet 6 im rechten Winkel zu den sensitiven Flächen 2, 3 des Hall-Elements 1 angeordnet, d. h. um 90° gegenüber der Darstellung in der Fig. 4 weitergedreht. In dieser Stellung (Fig. 3) wird von den sensitiven Flächen 2, 3 kein Magnetfluss erfasst, d. h. beide sensitiven Flächen zeigen die neutrale Spannung an.

Schließlich zeigt Fig. 8 die Ausgangskennlinie C nach einem Vergleichsalgoritmus, wenn sich der Magnet 6 einmal um das Hall-Element 1 um 360° dreht. Diese Ausgangskennlinie C ist über den kompletten 360°-Bereich linear, wodurch eine sehr präzise Messung der jeweiligen Drehposition eines zu messenden Objektes möglich ist.

Ferner kann der Magnet 6 ein einfacher kleiner Standardflachmagnet sein. Der Magnet 6 kann hierbei auf der Trägerplatte 9 aufgeclipst, aufgeklebt, oder in einem Kunststoff eingespritzt sein.

Durch den Aufbau des Sensors 20 sind große geometrische Toleranzen bei Magneten 6 zulässig. Weist der Magnet 6 im Hall-Bereich ein homogenes Feld auf, so ist der Sensor 20 auf Axialversätze unempfindlich.

Schließlich ist noch anzumerken, dass die Positionierung des Hall-Elementes 1 nebst Leiterplatte 8 zum Magneten 6 ohne großen Aufwand mittels Vergleichen und Auswerten des Gleichlauf s geschehen kann, da die Ausgangssignale der sensitiven Flächen 2 und 3 über die Anschlusspins 5 nach außen geführt sind. Auch ist darauf hinzuweisen, dass durch die Integration beider sensitiver Flächen 2, 3, etwa auf einem nicht dargestellten Leedframe und in einem Gehäuse der Abstand x/2 sehr genau einstellbar ist.

Alternativ zu der Anordnung der beiden sensitiven Flächen 2, 3 in einer Ebene, können die beiden Flächen natürlich gegeneinander geneigt werden, sodass ungeachtet der Position des Hall-Elementes 1 zum Magneten 6 an einem der beiden sensitiven Flächen 2, 3 immer ein Strom induziert wird. Mit anderen Worten, ungeachtet der Positionierung des Hall-Elementes 1 zum Magneten 6 sind niemals beide sensitiven Flächen 2, 3 gleichzeitig in ihrer Ausrichtung parallel zur Polarisierung des Magneten 6.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Messvorrichtung (10) zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels mit einem magnetisch nicht leitenden Rotor (11), auf dem ein Magnet (6) angeordnet ist, und einem stationären magnetempfindlichen Element (1) zur Erzeugung eines Messsignals, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetempfindliche Element (1) zwei im Abstand (x) angeordnete sensitive Flächen (2, 3) aufweist.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (6) bei seiner Drehbewegung das magnetfeldempfindliche Element (1) umrundet.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldempfindliche Element (1) ein Hall-Element ist.

4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sensitiven Hall- Flächen (2, 3) zueinander entgegengesetzt bestromt sind.

5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sensitiven Hall- Flächen (2, 3) in einer Ebene angeordnet sind.

6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetempfindliche Element (1) und der Magnet (6) so zueinander angeordnet sind, dass sie eine Kreisbewegung zueinander beschreiben.

7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (6) planar ausgebildet ist und parallel zu einer durch die Achse (4) des Rotors (11) gehenden Ebene angeordnet ist.

8. Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisierung des Magneten (6) diametral zur Achse (4) des Rotors (11) ist.

9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (6) eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweist.

10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (6) eine ovale oder runde Form aufweist.

11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Ausgangssignale der beiden sensitiven Flächen (2, 3) mittels eines Vergleichsalgoritmus erfolgt.