DE10008538A1

DE10008538A1 - Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE10008538A1
Application number: DE2000108538
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: 2001-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels zwischen einem Stator (6) und einem auf einer Welle (10) drehbar gelagerten Rotor (4). Am Rotor (4) ist ein Permanentmagnet angeordnet. Zwischen dem Stator (6) und dem Rotor (4) befindet sich ein Luftspalt (14) und der Stator (6) besteht aus mindestens zwei Segmenten (6a, 6b), welche durch mindestens einen magnetisch nicht leitenden Spalt (15, 16) getrennt sind. In mindestens einem Spalt (15) ist wenigstens ein magnetempfindliches Element (11) angeordnet. Weiter weist mindestens ein Teil des Stators (6) keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (4) auf. Die Welle (10) des Rotors (4) ist mittels eines Kegellagers (7, 9) gelagert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der WO 99/30112 ist eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels bekannt, welche in zwei Ebenen übereinander angeordnet ist. Hierbei ist der Rotor aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt. Daher geht ein Magnetfluss ausgehend von einem am Rotor angeordneten Permanentmagneten über den Rotor, ein Rückflussstück sowie einen Stator und jeweils dazwischen befindliche Spalte zurück zum Permanentmagneten. Aufgrund der Ausgestaltung in nur zwei Ebenen ist die Baugröße des Sensors in Axialrichtung sehr gering. Durch ein Überstehen des Rückflussstückes über den plattenförmigen Rotor bzw. ein Überstehen des Rotars über das Rückflussstück kann eine Unempfindlichkeit des Sensors gegen ein Axial- bzw. ein Radialspiel erreicht werden. Allerdings ist je nach Bauart nur eine Verringerung des Axial- oder des Radialspiels möglich.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Sensoren mit Gleitlagern bekannt, welche jedoch aufgrund ihrer Leichtgängigkeit, ihrer Herstellungstoleranz sowie ihres Ausdehnungskoeffizienten mit einem Grundspiel ausgelegt sein müssen. Dies kann zu Ungenauigkeiten bei der Erfassung des Drehwinkels führen.

Ebenso sind im Stand der Technik Messvorrichtungen zur berührungslosen Erfassung von Drehwinkeln mit spielfrei verspannten Schulterlagern bekannt, welche jedoch insbesondere in ihrer Herstellung sehr teuer sind.

Weiterhin benötigen derartige Schulterlager einen großen Bauraum, da sie zwei Kugellager, eine Distanzhülse, eine geschliffene Welle, Federn, Scheiben und Seegerringe benötigen.

Vorteile der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Lagerung kein Radialspiel auftritt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Welle des Rotors mittels eines Kegellagers gelagert wird. Dadurch können sich auch unterschiedliche Fertigungstoleranzen für die einzelnen Bauteile sowie unterschiedliche Wärmeausdehnungen der einzelnen Bauteile nicht auf das Radialspiel des Sensors auswirken.

Durch das Ausbilden der Welle mit einem sich konisch erweiternden Bereich und einer entsprechenden Ausbildung eines sich konisch erweiternden Wellensitzes kann eine Kegellagerung auf einfache Weise ausgeführt werden. Hierbei kann insbesondere die Zahl der Bauteile gering gehalten werden und eine sehr kostengünstige und in Axialrichtung sehr kompakte Bauweise der Messvorrichtung erreicht werden.

Vorzugsweise ist der Kegelsitz für die Welle im Gehäuse der Messvorrichtung angeordnet. Dadurch kann das Gehäuse auch gleichzeitig als Lagersitz dienen, woraus eine geringe Anzahl von Bauteilen resultiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird auf das Kegellager eine Vorspannung mittels Magnetkräften ausgeübt. Dies kann vorteilhaft durch eine magnetische Anziehungskraft zwischen einem Permanentmagneten, welcher am Rotor angeordnet ist, und einem Stator erreicht werden. Somit kann ein sicherer und spielfreier Sitz des Kegellagers gewährleistet werden. Vorteilhaft sind daher keine weiteren Bauteile zur Vorspannung des Kegellagers notwendig, sondern die in der Messvorrichtung vorhandenen Bauteile weisen neben ihrer bestimmungsgemäßen Funktion noch die Doppelfunktion der Vorspannung des Kegellagers auf. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine besonders kompakte Bauweise der Messvorrichtung ohne zusätzliche weitere Teile. Hierdurch kann eine deutliche Verbilligung der Messvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Federelement zur Vorspannung des Kegellagers vorgesehen. Dadurch wird ebenfalls ein sicherer und spielfreier Sitz des Kegellagers ermöglicht, wodurch ein sicherer Betrieb der Messvorrichtung gewährleistet ist. Hierbei kann das Federelement einstückig an einem Mitnehmer oder einstückig an dem Rotorträger vorgesehen werden. Somit muss für das Federelement kein zusätzliches Einzelteil vorgesehen werden, was die Herstellungskosten und insbesondere auch die Montagekosten verringert. Weiterhin ergeben sich durch die Verwendung eines Federelements konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten, so dass Messvorrichtungen auch problemlos an Stellen mit geringem Raumangebot angeordnet werden können. Vorteilhaft kann das Federelement auch einstückig mit dem Gehäuse der Messvorrichtung ausgebildet sein. Das Federelement kann dabei aus dem gleichen Material wie das Gehäuse bestehen, wie z. B. einem Kunststoff oder einem in das Gehäuse eingegossenen, aus Federblech hergestellten Federelement. Desweiteren können auch mehrere Federelemente verwendet werden.

Vorteilhaft dient die Trägerplatte des Permanentmagneten, welche den Rotor darstellt, gleichzeitig auch zur Führung des magnetischen Flusses. Dadurch kann eine in Axialrichtung besonders kleine Baugröße erreicht werden, da die Messvorrichtung nur noch in zwei Ebenen baut. Durch diesen Aufbau wird auch die Anzahl der Teile und der damit verbundene Montageaufwand verringert.

Als magnetempfindliches Element der Messvorrichtung kann beispielsweise eine Feldplatte, ein Magnettransistor, eine Spule, ein magnetoresitives Element oder ein Hall-Element verwendet werden. Hierbei ist wichtig, dass das magnetempfindliche Element eine möglichst lineare Abhängigkeit seines Ausgangssignals von der magnetischen Induktion B aufweist. Es ist hierbei möglich, mit einem oder aus Sicherheitsgründen auch mit zwei oder mehreren magnetempfindlichen Elementen zu arbeiten.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Messvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ohne Rotor und

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht des im Ausführungsbeispiel verwendeten Stators.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfasst eine Messvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 2 sowie einen Deckel 3. Im Gehäuse 2 ist ein Rotor 4 angeordnet, welcher auf einer Welle 10 drehbar gelagert ist. Der Rotor 4 dient als Trägerplatte für einen Permanentmagneten 5, welcher am Rotor 4 an dessen Unterseite z. B. mittels Kleben angebracht ist (vgl. Fig. 1). Der Rotor ist aus einem magnetisch leitenden, insbesondere weichmagnetischen Material hergestellt.

Weiter ist im Gehäuse 2 der Messvorrichtung 1 ein Stator 6 angeordnet, welcher, wie in Fig. 3 gezeigt, aus zwei Statorelementen 6a und 6b besteht. Die Statorelemente 6a und 6b sind plattenförmige Elemente, wobei das Statorelement 6a eine Öffnung 17 zur Aufnahme der Welle 10 aufweist. Das Statorelement 6b ist, wie in Fig. 3 gezeigt, als ringförmiger Kreisabschnitt ausgebildet. Zwischen den beiden Statorelementen 6a und 6b ist ein Zwischenraum vorgesehen, so dass die beiden Elemente nicht miteinander in Kontakt sind.

Insbesondere bildet der Zwischenraum zwischen den beiden Statorelementen 6a und 6b einen ersten Spalt 15 sowie einen zweiten Spalt 16, welche zwischen den beiden Elementen angeordnet sind. Im ersten Spalt 15 ist mindestens ein magnetempfindliches Element 11 angeordnet. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei magnetempfindliche Elemente 11 im ersten Spalt 15 vorgesehen. Die magnetempfindlichen Elemente 11 sind mit einer Leiterplatte 12 verbunden, über welche die von den magnetempfindlichen Elementen 11 abgegebenen Signale an eine nicht dargestellte Steuerungseinrichtung weitergegeben werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Welle 10 einen kegelförmigen Wellenabschnitt 7 auf, welcher in einem in entsprechender Weise kegelförmig ausgebildeten Wellensitz 8 im Gehäuse 2 gelagert ist. Durch diese konische Ausgestaltung des Wellenabschnitts 7 bzw. des Wellensitzes 8 wird eine sichere Lagerung der Welle 10 sowie des an der Welle 10 angebrachten Rotors 4 gewährleistet. Insbesondere tritt hierbei kein Radial- und kein Axialspiel auf. Dadurch kann die Messgenauigkeit der Messvorrichtung 1 signifikant verbessert werden.

Um einen konstant sicheren Sitz des kegelförmigen Wellenabschnitts 7 im entsprechend ausgebildeten Wellensitz 8 zu gewährleisten, ist zusätzlich noch ein Federelement 9 vorgesehen, welches über das Gehäuse 2 den kegelförmigen Wellenabschnitt 7 in den am Gehäuse 2 gebildeten Sitz 8 drückt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Federelement 9 als separates Bauteil ausgebildet und ist um die Welle 10 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, das Federelement 9 einstückig mit dem Gehäuse 2 zu bilden und die Vorspannung der Welle über einen fest mit der Welle verbundenen Mitnehmer 13 wie z. B. einen Hebel oder ein Zahnrad, vorzusehen. Weiterhin ist es auch möglich, dass das Federelement Bestandteil des Rotors oder des Mitnehmers ist. Vorteilhaft werden dabei Federarme des Federelements in entsprechender Weise direkt an dem Bauteil wie z. B. Gehäuse, Mitnehmer oder Rotor angespritzt oder z. B. aus einem Federstahl vorgesehen und in das Bauteil eingespritzt oder eingegossen. Auch kann eine einfache konische Feder als Federelement verwendet werden.

Zusätzlich wird bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der kegelförmige Wellenabschnitt 7 noch durch die besondere Ausgestaltung der Messvorrichtung 1 in den kegelförmigen Wellensitz 8 gedrückt. Dies wird durch den in Axialrichtung magnetisierten Permanentmagneten 5 und den z. B. aus Weicheisen hergestellten Stator 6 erreicht, da infolge der Magnetkräfte der Stator 6 in die Richtung des Magneten 5 angezogen wird und dadurch der kegelförmige Wellenabschnitt 7 in den Wellensitz 8 gedrückt wird.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Messvorrichtung 1 beschrieben. Die Fig. 1 und 2 zeigen die Messvorrichtung in ihrer Ausgangsstellung. Die Welle 10 der Messvorrichtung ist mit einer Einrichtung wie z. B. einer Drosselklappe verbunden, deren Drehwinkel für eine Motorsteuerung erfasst werden soll. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausgangszustand der Messvorrichtung geht der Magnetfluss ausgehend vom Permanentmagneten 5 über den Rotor 4 und die Welle 10 bzw. den Wellenabschnitt 7 auf den Stator 6 und über einen kleinen Luftspalt 14 zurück zum Permanentmagneten 5. Genauer geht der Magnetfluss im Ausgangszustand vom kegelförmigen Wellenabschnitt 7 über einen mit dem Material des Gehäuses 2 gefüllten Zwischenraum nur auf das Statorelement 6a des Stators 6 über. Somit sind die im ersten Spalt 15 angeordneten magnetempfindlichen Elemente 11 dem Magnetfluss im Ausgangszustand nicht ausgesetzt, so dass als Signal B = 0 mT zur Schaltung abgegeben wird. Wenn nun z. B. die Drosselklappe gedreht wird, dreht sich über die Welle 10 auch der Rotor 4 sowie der daran befestigte Permanentmagnet 5 in der Drehrichtung R (vgl. Fig. 2). Dadurch wird der Permanentmagnet 5 auch über das zweite Statorelement 6b geführt, so dass sich nun die magnetische Induktion an den magnetempfindlichen Elementen 11 ändert. Somit kann der vorhandenen Drehwinkel der Drosselklappe bestimmt werden und entsprechende Signale an die Steuerungseinrichtung weitergeleitet werden.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung 1 zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels zwischen einem Stator 6 und einem auf einer Welle 10 drehbar gelagerten Rotor 4. Am Rotor 4 ist ein Permanentmagnet angeordnet. Zwischen dem Stator 6 und dem Rotor 4 befindet sich ein Luftspalt 14 und der Stator 6 besteht aus mindestens zwei Segmenten 6a, 6b, welche durch mindestens einen magnetisch nicht leitenden Spalt 15, 16 getrennt sind. In mindestens einem Spalt 15 ist wenigstens ein magnetempfindliches Element 11 angeordnet. Weiter weist mindestens ein Teil des Stators 6 keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor 4 auf. Die Welle 10 des Rotors 4 ist mittels eines Kegellagers 7, 9 gelagert.

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 (1) zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels zwischen einem Stator (6) und einem auf einer Welle (10) drehbar gelagertem Rotor (4), wobei am Rotor (4) ein Permanentmagnet (5) angeordnet ist, wobei sich zwischen Stator (6) und Rotor (4) ein Luftspalt (14) befindet und der Stator (6) aus mindestens zwei Segmenten (6a, 6b) besteht, die durch mindestens einen magnetisch nicht leitenden Spalt (15, 16) getrennt sind,
wobei in mindestens einem Spalt (15) mindestens ein magnetempfindliches Element (11) angeordnet ist, und
wobei mindestens ein Teil des Stators (6) keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Welle (10) des Rotors (4) mittels eines Kegellagers (7, 8) gelagert ist.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) einen sich konisch erweiternden Bereich (7) aufweist, welcher im Gehäuse (2) der Messvorrichtung (1) gelagert ist.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegellager (7, 8) mittels magnetischer Kräfte vorgespannt ist.

4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegellager (7, 8) mittels eines Federelements (9) vorgespannt ist.

5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) einstückig mit einem Mitnehmer (13) ausgebildet ist.

6. Messvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) einstückig mit dem Rotor (4) ausgebildet ist.

7. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) einstückig mit dem Gehäuse (2) ausgebildet ist.

8. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) aus Kunststoff hergestellt ist.

9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) aus Metall hergestellt ist.

10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung mehrere Federelemente (9) aufweist.

11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) aus magnetisch leitendem Material hergestellt ist.

12. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetempfindliche Element (11) als Feldplatte oder Magnettransistor oder Spule oder magnetoresitives Element oder als Hall-Element ausgebildet ist.