DE10008539C2

DE10008539C2 - Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Drehmoments

Info

Publication number: DE10008539C2
Application number: DE10008539A
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: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: DE10008539A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der DE-298 17 399 U1 ist eine Messvorrichung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels bekannt, welche aus einer aus weichmagnetischem Material hergestellten Trägerplatte besteht, welche als Rotor dient. In einer Ebene zur Trägerplatte sind zwei durch einen Schlitz und ein Distanzspalt getrennte Segmente eines Stators angeordnet. Die Trägerplatte ist auf einer Achse befestigt, welche selbst aus magnetisch leitendem Material besteht. Die Achse ragt in eines der Segmente des Stators. Die Achse, das Trägerelement und die Segmente des Stators steuern den Magnetfluss eines auf der Trägerplatte angeordneten Permanentmagneten. Durch die Einbeziehung der Achse in den Magnetfluss baut die Messvorrichtung relativ einfach und Platz sparend. Allerdings ist die Messvorrichtung nur für Winkelbereiche von circa 120° geeignet.

Weiterhin ist aus der WO 98/08059 eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels bekannt, welche einen Rotor und einen Stator aufweist. Der Stator besteht dabei aus zwei durch einen Schlitz getrennten Segmenten und einem topfförmigen Gehäuseteil. Die beiden Segmente und das Gehäuseteil bestehen aus magnetisch leitendem Material. Ein Segment ist direkt auf dem Boden des Gehäuseteils aufgesetzt, sodass eine magnetisch leitende Verbindung besteht. Zwischen dem anderen Segment und dem Gehäuseteil befindet sich eine Schicht aus magnetisch nicht leitendem Material, sodass hier kein Magnetfluss möglich ist. Als Rotor dient ein in einem Luftspalt zwischen den beiden Segmenten und dem Gehäuseteil beweglich angeordneter Permanentmagnet. Ein Messelement ist im Schlitz zwischen den beiden Segmenten angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht es, den Magnetfluss so aufzuspalten, dass eine Verschiebung des linearen Messbereichs möglich ist und somit innerhalb des linearen Messbereiches kein Vorzeichenwechsel auftritt. Allerdings ist die Messvorrichtung ebenfalls nur für Winkelbereiche von circa 120° geeignet. Daher ist eine Erfassung von großen Drehwinkeln bis zu 360° oder von Mehrfachumdrehungen wie z. B. bei Lenksystemen oder Getrieben nicht möglich.

In der DE 39 35 261 A1 wird ein Positionssensor zum Erfassen der Position einer Mehrfachumdrehungswelle mit mindestens einem Magneten zum Erzeugen eines magnetischen Flusses, einer mit der Welle und dem Magneten verbundenen Umsetzeinrichtung zum Umsetzen der Drehbewegung der Welle in eine lineare Bewegung des Magneten entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn beschrieben. Auf der Welle sitzt eine nicht drehbare Mutter auf, die über einen Schaft mit dem Magneten gekoppelt ist. Wenn sich nun die Welle dreht, bewirkt deren Gewinde, dass sich die nicht drehbare Mutter linear zwischen den Endanschlägen verlagert und somit die drehende Bewegung in eine lineare Bewegung umgesetzt wird. Die lineare Bewegung des Magneten wird genutzt, um in Wirkverbindung mit einem Messaufnehmer ein elektrisches Positionssignal zu erzeugen. Dieser Schrift sind aber keine Hinweise auf ein Zusammenwirken der Mitnahmewendel, des Mitnahmeelements und einer Ausnehmung zu entnehmen. Das Messelement ist hier immer neben der Welle angeordnet und wird parallel zur Achse der Welle geführt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass auch große Drehwinkel bis zu 360° oder Mehrfachumdrehungen erfasst werden können. Durch die Umwandlung einer Drehbewegung eines Elementes, insbesondere einer Welle, deren Drehwinkel bestimmt werden soll, in eine Relativbewegung in Axialrichtung der Welle zwischen einem Permanentmagneten und einem Stator, können große Winkelbereiche und auch Mehrfachumdrehungen ohne aufwändige Zusatzbeschaltungen realisiert werden. Hierbei ist die Axialrichtung der Welle die Drehachse der Welle.

Dabei kann die Drehbewegung der Welle je nach Ausgestaltung der Messvorrichtung entweder in eine ausschließliche Axialbewegung des Permanentmagneten oder des Stators, oder eine Bewegung des Permanentmagneten oder des Stators mit einer Axialkomponente und einer Radialkomponente umgewandelt werden. Auch könnte die Drehbewegung der Welle z. B. in eine einander entgegengesetzte Axialbewegung von Permanentmagnet und Stator umgewandelt werden. Weiter kann das erfindungsgemäße Sensorprinzip der Umwandlung einer Dreh- in eine Axialbewegung sowohl zur Positionserfassung von Winkel und Weg eingesetzt werden, als auch bei einem Torsions- oder Drehmomentsensor verwendet werden. Dabei kann der Torsions- oder Drehmomentsensor ein lineares Ausgangssignal bereit stellen, sowie einen magnetischen Nullpunkt aufweisen. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorteilhaft, dass eine direkte Übertragung der Drehbewegung der Welle auf die Messvorrichtung möglich ist.

Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung mindestens eine Mitnahmewendel und ein Mitnahmeelement auf, wobei das Mitnahmeelement in die Mitnahmewendel vorsteht. Dies ermöglicht eine einfache mechanische Umwandlung der Drehbewegung in eine Axialbewegung. Dadurch kann eine preiswerte und kompakte Messvorrichtung realisiert werden. Durch die Steigung der Mitnahmewendel je Drehwinkel kann die Empfindlichkeit der Messvorrichtung angepasst werden. Hierbei wird die Messvorrichtung desto empfindlicher, je größer die Steigung ist.

Vorzugsweise ist die Messvorrichtung um eine Welle angeordnet, deren Drehwinkel bestimmt werden soll. Dadurch kann ein Platz sparender Aufbau der Messvorrichtung realisiert werden und die Welle kann einfach durch den Sensor hindurchgeführt werden. Somit kann die Messvorrichtung an einer beliebigen Stelle der Welle angeordnet werden, insbesondere auch an Orten mit geringem Montageraum. Die Welle braucht hierbei nicht aufgetrennt zu werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Mitnahmewendel in der Welle und das Mitnahmeelement an einem Magnethalter gebildet. Hierdurch ergibt sich ein besonders Platz sparender und kompakter Aufbau der Messvorrichtung. Dieser wird ebenfalls erreicht, wenn die Mitnahmewendel und das Mitnahmeelement umgekehrt angeordnet sind, d. h. das Mitnahmeelement in der Welle und die Mitnahmewendel im Magnethalter. Insbesondere kann durch die obige Ausgestaltung eine geringe Teileanzahl der Messvorrichtung erreicht werden.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine feststehende Führungshülse, welche zwischen der Welle und dem Magnethalter angeordnet ist, wobei die Führungshülse eine Aussparung aufweist, die das Mitnahmeelement aufnimmt. Durch Vorsehen der Führungshülse mit der Aussparung, kann das Mitnahmeelement entsprechend der Gestaltung der Aussparung geführt werden. Das heisst, durch Anordnung der Aussparung in Axialrichtung der Welle (d. h. Vorsehen der Aussparung parallel zur Drehachse der Welle) kann somit auf einfache Weise eine Umwandlung der Drehbewegung der Welle in eine Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten und dem Stator in Axialrichtung der Welle erreicht werden.

Je nach Ausgestaltung der Messvorrichtung kann dabei der Permanentmagnet relativ zum Stator oder der Stator relativ zum Permanentmagneten oder auch beide relativ zueinander in Richtung der Drehachse bewegt werden.

Vorteilhaft kann auch die Mitnahmewendel in der Führungshülse gebildet sein und die Aussparung zur Führung des Mitnahmeelements kann dann in der Welle oder dem Magnethalter gebildet sein, wobei das Mitnahmeelement dann entsprechend entweder in dem Magnethalter oder der Welle gebildet ist.

Um eine stabile Messvorrichtung mit einer langen Einsatzdauer zu erhalten, weist die Messvorrichtung eine Buchse auf, welche fest mit der Welle verbunden ist. Dabei steht ein Teil der Buchse zwischen der Führungshülse und dem Magnethalter vor. Vorteilhaft ist dabei die Aussparung zur Führung des Mitnahmeelements oder die Mitnahmewendel in der Buchse gebildet. Auf Grund der Verwendung der Buchse ist es auch möglich, dass auf eine Aussparung zur Führung des Mitnahmeelements oder eine Mitnahmewendel in der Welle verzichtet werden kann. Somit kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung ohne zusätzliche Arbeitsschritte als ein Bauteil direkt an einer Welle angebracht werden, ohne dass dabei eine direkte Bearbeitung der Welle, z. B. für das Fräsen einer Mitnahmewendel in die Welle, notwendig ist.

Um die Messvorrichtung als hochauflösenden Winkel- oder Torsionssensor verwenden zu können, ist die Mitnahmewendel und das Mitnahmeelement an der Außenwand des Magnethalters und der Mitnehmerhülse angeordnet. Durch diesen Aufbau ist der zurückgelegte Umfangsweg des Mitnahmeelements größer, da das Mitnahmeelement relativ entfernt von der Drehachse der Welle angeordnet ist. Somit können auch kleinste Drehbewegungen sehr genau aufgenommen werden.

Um einen stabilen und symmetrischen Aufbau zu erreichen, weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung vorteilhaft zwei Mitnahmewendeln auf. Je nach Einsatzgebiet der Messvorrichtung können die Mitnahmewendeln 360° oder mehr aufweisen. Durch Änderung der Steigung der Mitnahmewendel kann die Empfindlichkeit des Sensors ausgewählt werden.

Vorzugsweise weist der Magnethalter ein Rückflussstück auf, um einen sicheren Magnetfluss und eine genaue Einstellung von B = 0 mT zu gewährleisten.

Um eine Magnetflusskonzentration zu erreichen, weist mindestens eines der beiden Segmente des Stators einen vorstehenden Bereich auf, welcher das andere Segment des Stators in Axialrichtung oder in Radialrichtung der Welle überdeckt. Dabei ist das magnetempfindliche Element in dem Spalt zwischen den sich überdeckenden Segmenten des Stators angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung (Fig. 6) muss dabei die Breite des Spalts h, in welchem das magnetempfindliche Element angeordnet ist, kleiner sein als der Abstand a der Statorelemente voneinander in Axialrichtung der Welle.

Wenn keine Magnetflusskonzentration gefordert wird, wie z. B. bei Drehmomentsensoren, kann die Überdeckung am Stator auch ringförmig ausgeführt sein.

Vorzugsweise kann auch eine Magnetflusskonzentration dadurch erreicht werden, dass ein oder beide Segmente des Stators einen vorstehenden Bereich in Axialrichtung der Drehachse aufweisen, wobei das magnetempfindliche Element zwischen dem (den) vorstehenden Bereich(en) angeordnet ist. Vorteilhaft sind die beiden vorstehenden Bereiche in Umfangsrichtung der Segmente des Stators gebildet.

Um einen möglichst reibungsfreien Lauf des Mitnahmeelements zu gewährleisten, ist dieses gefedert. Vorzugsweise ist das Mitnahmeelement dabei als zylinderförmiger Bolzen ausgebildet, welcher an seinem äußeren Ende einen halbkugelförmigen Abschluss aufweist.

Es ist jedoch auch möglich, daß die Dreh bewegung in eine Relativbewegung zwischen dem Permanent magneten und dem Stator umgewandelt wird, wobei die Relativbewegung eine Komponente in Axialrichtung der Welle sowie eine Komponente in Radialrichtung der Welle aufweist. Je nach Größe der Radialkomponente kann die Empfindlichkeit der Messvorrichtung eingestellt werden. Hierbei wird die größte Empfindlichkeit erreicht, wenn die Drehbewegung vollständig in eine Axialbewegung umgewandelt wird.

Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht der Messvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 eine erste Endstellung der Messvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine zweite Endstellung der Messvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Messvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Messvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Ansicht der Segmente des Stators aus Richtung des Pfeils X in Fig. 7;

Fig. 9 eine Schnittansicht einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung der Segmente des Stators zur Magnetflusskonzentration;

Fig. 10 eine Schnittansicht einer Messvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 eine Schnittansicht der Messvorrichtung des fünften Ausführungsbeispiels entlang der Linie C-C in Fig. 10;

Fig. 12 eine Schnittansicht einer Messvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 13 eine Ansicht der Messvorrichtung des sechsten Ausführungsbeispiels in Richtung des Pfeils Y in Fig. 12.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird diese zur Erfassung eines Drehwinkels einer Welle 4 eingesetzt. Die Messvorrichtung 1 umfasst einen aus einem weichmagnetischen Material bestehenden Magnethalter 2, an welchem ein Permanentmagnet 3 befestigt ist. Der Permanentmagnet 3 ist als ein Ringmagnet ausgebildet und über ein Distanzstück 9 mit dem Magnethalter 2 verbunden. Der Magnet 3 ist in Radialrichtung zur Drehachse 0-0 der Welle 4 magnetisiert.

Weiter umfasst die Messvorrichtung einen aus weich magnetischem Material hergestellten Stator, welcher aus zwei Segmenten 5, 6 gebildet ist. Zwischen den beiden Segmenten 5, 6 ist ein magnetisch nicht leitender Spalt 8 vorgesehen, in welchem ein magnetempfindliches Element 7 angeordnet ist. Als magnetempfindliches Element kann beispielsweise eine Feldplatte, ein Magnettransistor, Spulen, ein magnetoresitives Element oder ein Hall-Element verwendet werden. Hierbei ist wichtig, dass das Ausgangssignal des magnetempfindlichen Elements eine möglichst lineare Abhängigkeit von der magnetischen Induktion B aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur ein einziges magnetempfindliches Element im Spalt angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, zwei oder mehrere magnetempfindliche Elemente anzuordnen.

Die Segmente 5, 6 des Stators sind in einem Gehäuse 10 beispielsweise mittels Kleben befestigt oder sind direkt ins Gehäuse 10 eingespritzt oder eingegossen. Das Gehäuse 10 umfasst eine Führungshülse 11, welche eine zylindrische Lagerfläche 20 zur Welle 4 bildet. Weiter umfasst die Messvorrichtung 1 eine zylinderförmige Hülse bzw. Buchse 14, welche fest mit der Welle 4 verbunden ist. Die Buchse 14 ist derart ausgebildet, dass die Führungshülse 11 des Gehäuses 10 zwischen der Welle 4 und der Buchse 14 angeordnet werden kann (vgl. Fig. 1 bis 4).

Des Weiteren ist in der Führungshülse 11 eine durchgehende Aussparung 17 gebildet (vgl. Fig. 1 und 2). Die Aussparung 17 dient zur Führung eines Mitnahmeelements 12 in Form eines Bolzens, welches am Magnethalter 2 angebracht ist (vgl. Fig. 2). Der Bolzen 12 ist dabei an der dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegenden Seite des Magnethalters 2 angebracht. Der Bolzen 12 erstreckt sich ausgehend vom Magnethalter 2 in Richtung der Welle 4. Dabei erstreckt er sich durch die Aussparung 17 sowie in eine Mitnahmewendel 13, welche in der Buchse 14 gebildet ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Mitnahmewendeln 13a, 13b sowie zwei Bolzen 12 gebildet. Hierbei decken die Mitnahmewendeln 13a, 13b jeweils einen Bereich von circa 180° ab. Zur Messung von Mehrfachumdrehungen ist bzw. sind die Mitnahmewendel(n) 13 über einen entsprechenden Winkelbereich auszubilden.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Ende der Buchse 14 an der Welle 4 an einer Wellenschulter 16 befestigt und das andere Ende der Buchse 14 liegt mit einer Anlagefläche 19 in entgegengesetzter Richtung am Gehäuse 10 an (vgl. Fig. 1). Des Weiteren sind zwei Lagerflächen 18, 20 am inneren und am äußeren Umfang der Führungshülse 11 des Gehäuses 10 gebildet. Um einen magnetischen Fluss zu vereinfachen, weist der Magnethalter 2 zusätzlich ein Rückflussstück 15 auf, welches sich in radialer Richtung von der Drehachse 0- 0 fort erstreckt.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Ausgehend von der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausgangsstellung wird, wenn die Welle in Richtung R₁ (vgl. Fig. 3) gedreht wird, der in Fig. 3 dargestellte Zustand erreicht. Dabei bewegen sich die Bolzen 12 in den Mitnahmewendeln 13a, 13b und den Aussparungen 17 bis ans Ende der Aussparungen 17 bzw. der Mitnahmewendeln 13a, 13b (vgl. Fig. 3). Da der Bolzen 12 am Magnethalter 2 befestigt ist, bewegt sich der Permanentmagnet 3, wie in Fig. 3 gezeigt, relativ zu den Segmenten 5, 6 des Stators, welche feststehend am Gehäuse befestigt sind.

Daher wird, wie in Fig. 3 gezeigt, der magnetische Fluss F ausgehend vom Permanentmagneten 3 über das Segment 5 des Stators und das im Spalt 8 angeordnete magnetempfindliche Element 7 zum Segment 6 des Stators und über das Rückflussstück 15 und den Magnethalter 2 zurück zum Permanentmagneten 3 geführt. Hierbei ergibt sich im magnetempfindlichen Element 7 die maximale magnetische Induktion B bei der in der Fig. 3 dargestellten Stellung des Permanentmagneten 3.

Wenn andererseits die Welle 4 in Richtung R₂ gedreht wird (vgl. Fig. 4), wird der Permanentmagnet 3 in Folge der Führung über die Bolzen 12 und die Mitnahmewendeln 13a, 13b und die Aussparungen 17 in Richtung der Wellenschulter 16 bewegt. Dadurch geht der magnetische Fluss F ausgehend vom Permanentmagneten 3 über das Segment 6 des Stators und das Rückflussstück 15 und den Magnethalter 2 zurück zum Magneten 3 (vgl. Fig. 4). Dabei wird der magnetische Fluss F nicht über das magnetempfindliche Element 7 geführt. Daher ist die Induktion B im magnetempfindlichen Element 7 gleich 0.

Somit wird durch Zusammenwirkung der Bolzen 12, der Mitnahmewendeln 13a, 13b und der Aussparungen 17 die Drehbewegung der Welle 4 vollständig in eine Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten 3 und dem Stator 5, 6 in Axialrichtung der Welle 4 (d. h. der Drehachse 0-0 der Welle) umgewandelt. Somit kann eine Änderung des Drehwinkels der Welle 4 durch die jeweils entsprechende Änderung der Induktion B am magnetempfindlichen Element 7 sicher und auf einfache Weise erfasst werden. Hierbei ändert sich die Induktivität B im Messspalt proportional zum Drehwinkel bzw. dem Axialweg des Bolzens 12, so dass eine lineare Kennlinie erhalten werden kann.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Daher wird nachfolgend zur Vermeidung von Wiederholungen nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist am Magnethalter 2 kein Rückflussstück vorgesehen. Daher ergibt sich bei der in Fig. 5 dargestellten Ausgangsstellung der Messvorrichtung eine magnetische Induktion B gleich 0, da sich die Mitte des Permanentmagneten 3 genau über dem magnetempfindlichen Element 7 befindet. Somit ist der magnetische Fluss F geteilt (vgl. Fig. 5), wobei in der Mittelstellung keine Induktion B am magnetempfindlichen Element 7 auftritt. Wird nun die Welle 4 gedreht, wird der Permanentmagnet 3 aus der Mittelstellung in Axialrichtung verschoben, so dass abhängig vom zurückgelegten Verschiebeweg des Permanentmagneten 3 am magnetempfindlichen Element 7 eine magnetische Induktion auftritt.

In Fig. 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Mess vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist jedoch das magnetempfindliche Element 7 derart angeordnet, dass eine Magnetflusskonzentration am Element 7 erreicht werden kann. Dazu ist, wie in Fig. 6 gezeigt, das Segment 6 des Stators mit einem klauenartigen, vorstehenden Bereich 6' gebildet, welcher das Segment 5 in Axialrichtung teilweise überdeckt. Zwischen dem vorstehenden Bereich 6' und dem Segment 5 ist ein Spalt 8 gebildet, in welchem das magnetempfindliche Element 7 angeordnet ist. Hierbei ist die Breite b des Spaltes 8 kleiner als ein Abstand a zwischen dem Segment 5 und dem Segment 6 in Axialrichtung (vgl. Fig. 6). Dadurch kann am magnetempfindlichen Element 7 eine Magnetflusskonzentration erreicht werden.

In den Fig. 7 und 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Beim vierten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel auch eine Magnetflusskonzentration vorgesehen ist. Diese wird, wie in Fig. 8 gezeigt, durch Vorsehen eines vorstehenden Bereichs 5' am Segment 5 des Stators erreicht. Dadurch wird eine Breite eines Spaltes 8, in welchem ein magnetempfindliches Element 7 angeordnet ist, kleiner als der normale Abstand zwischen dem Segment 5 und dem Segment 6 (vgl. Ansicht X in Fig. 8). Hierdurch ergibt sich insbesondere in radialer Richtung eine geringe Baugröße einer Messvorrichtung mit Magnetflusskonzentration.

In Fig. 9 ist eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Magnetflusskonzentration dargestellt. Hierbei sind an den beiden Segmenten 5, 6 des Stators jeweils vorstehende Bereiche 5', 6' vorgesehen. Zwischen zwei Stirnflächen 21, 22 der vorstehenden Bereiche 5', 6' ist ein Spalt 8 gebildet, in welchem ein magnetempfindliches Element 7 angeordnet ist. Hierbei ist wiederum die Breite des Spalts 8 kleiner als der Abstand zwischen den beiden Segmenten 5 und 6 in Axialrichtung.

In den Fig. 10 und 11 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Messvorrichtung des fünften Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind jedoch die Aussparungen 17 in der Buchse 14 gebildet, welche fest mit der Welle 4 verbunden ist. Die Mitnahmewendeln 13a, 13b sind in der Führungshülse 11 des Gehäuses 10 gebildet. Die Bolzen 12 erstrecken sich entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel sowohl durch die Mitnahmewendeln 13a, 13b als auch durch die Aussparungen 17. Die Arbeitsweise und der Magnetfluss ist im vorliegenden fünften Ausführungsbeispiel entsprechend dem des ersten Ausführungsbeispiels und wird daher nicht weiter beschrieben.

In den Fig. 12 und 13 ist eine Messvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hierbei ist die Aussparung 17 in einer im Schnitt U-förmig gebildeten Buchse 14 gebildet. Eine Mitnahmewendel 13 ist im Gehäuse 10 gebildet, das fest mit der Welle 4 verbunden ist.

Weiter sind beim sechsten Ausführungsbeispiel die Segmente 5, 6 des Stators an der Buchse 14 befestigt, wobei sie im Inneren der Buchse 14 an dem zur Welle 4 gerichteten Teil angeordnet sind. Entsprechend den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist der Bolzen 12 des Magnethalters 2 sowohl durch die Aussparung 17 als auch die Mitnahmewendel 13 geführt. Wenn die Welle in Richtung R₁ gedreht wird (vgl. Fig. 12), wird der Bolzen 12 in der Aussparung 17 in Richtung des Pfeils Z bewegt (vgl. Fig. 13). Da im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen bei einer Drehung der Welle 4 der zurückgelegte Umfangsweg des Bolzens 12 bei gleichem Drehwinkel größer ist als bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, ergibt sich eine hohe Sensorempfindlichkeit. Des Weiteren ist bei einer großen Axialbewegung des Permanentmagneten 3 die für die Umlenkung der Drehbewegung in die Axialbewegung erforderliche Kraft in Axialrichtung geringer, da der Winkel der Mitnehmerwendel 13 zur Aussparung 17 größer wird.

Hinsichtlich des in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Permanentmagneten 3 ist festzustellen, dass dieser vorteilhaft als Ringmagnet ausgebildet ist, welcher radial zur Achse magnetisiert ist. Dadurch wird die erfindungsgemäße Messvorrichtung unempfindlich gegen ein Radialspiel. Allerdings ist es auch möglich, dass der Magnet 3 durch mehrere Ringsegmente (z. B. 2 × 180°) oder mehrere schmale, nebeneinander angeordnete Flachmagnete gebildet wird. Weiter können je nach Anwendungsgebiet die Mitnahmewendeln nicht nur 180° aufweisen sondern beliebig viele Umdrehungen. Abhängig von der gewünschten Empfindlichkeit des Sensors kann die Steigung der Mitnehmerwendel 13 pro Winkeleinheit angepasst werden. Auch können die Welle 4 und die Buchse 14 eine Einheit bilden, wenn die Mitnehmerwendel 13 oder die Aussparung 17 unmittelbar in der Welle angebracht wird.

Weiter muss die Aussparung 17 nicht parallel zur Drehachse 0-0 gebildet sein. Es ist auch denkbar, dass sie schräg oder schraubenförmig verläuft. Insbesondere vorteilhaft ist bei der vorliegenden Erfindung, dass eine direkte Übertragung der Drehbewegung der Welle auf den Sensor möglich ist, ohne dass Zahnräder oder andere Übersetzungselemente erforderlich sind.

Auch kann die Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung derart ausgestaltet sein, dass sie in einer Hohlwelle angeordnet wird und umlaufende Umdrehungen erfassen kann. Weiter kann je nach Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung der Magnetfluss in Axialrichtung oder in Radialrichtung der Welle geführt werden.

Zusammenfassend wurde insoweit eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels beschrieben. Die Messvorrichtung umfasst einen an einem Magnethalter 2 befestigten Permanentmagneten 3 und einen aus mehreren Segmenten 5, 6 gebildeten Stator. Weiter ist ein magnetempfindliches Element 7 vorgesehen, welches in einem nicht leitenden Spalt 8 zwischen den beiden Segmenten 5, 6 des Stators angeordnet ist. Dabei weist mindestens ein Segment 5 des Stators keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Magnethalter 2 auf. Hierbei steht der Magnethalter 2 mit einer Welle 4 derart in Wirkverbindung, dass eine Drehbewegung der Welle 4 in eine Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten 3 und dem Stator 5, 6 in Axialrichtung der Welle 4 umgewandelt wird.

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 zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Drehmoments umfassend einen Magnethalter (2), in welchem ein Permanentmagnet (3) befestigt ist, einen Stator (5, 6) und ein magnetfeldempfindliches Element (7), welches in einem nichtleitenden Spalt (8) zwischen zwei Segmenten (5, 6) des Stators angeordnet ist, wobei mindestens ein Segment (5) des Stators keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Magnethalter (2) aufweist, wobei die Meßvorrichtung mindestens eine Mitnahmewendel (13), eine Aussparung (17) und mindestens ein Mitnahmeelement (12) aufweist, welches sich durch die Aussparung (17) in eine Mitnahmewendel (13) erstreckt, und wobei die Meßvorrichtung um eine Welle (4) angeordnet ist, deren Drehwinkel oder Drehmoment bestimmt werden soll, so dass eine Umwandlung einer Drehbewegung der Welle (4) in eine Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten (3) und dem Stator (5, 6) in Axialrichtung der Welle (4) erfolgt.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmewendel (13) in der Welle (4) gebildet ist und das Mitnahmeelement (12) am Magnethalter (2) gebildet ist.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmewendel (13) im Magnethalter (2) gebildet ist und das Mitnahmeelement (12) in der Welle (4) gebildet ist.

4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine feststehende Führungshülse (11) aufweist, welche zwischen der Welle (4) und dem Magnethalter (2) angeordnet ist, wobei die Führungshülse (11) eine Aussparung (17) zur Aufnahme des Mitnahmeelements (12) aufweist.

5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmewendel (13) in der Führungshülse (11) gebildet ist und die Aussparung (17) in der Welle (4) gebildet ist.

6. Messvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Buchse (14) vorgesehen ist, welche fest mit der Welle (4) verbunden ist und zwischen der Führungshülse (11) und dem Magnethalter (2) vorsteht.

7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (17) oder die Mitnahmewendel (13) in der Buchse (14) gebildet ist.

8. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmewendel (13) am Gehäuse (10) gebildet ist und das mit Mitnahmeelement (12) am Magnethalter (2) gebildet ist.

9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnahmeelement (12) gefedert ausgebildet ist.

10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich zur Bestimmung des Drehmoments sowohl der Stator (5, 6) als auch der Magnethalter (2) relativ zum magnetfeldempfindlichen Element (7) bewegen.