DE10039216C2

DE10039216C2 - Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges

Info

Publication number: DE10039216C2
Application number: DE2000139216
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Grothe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: DE10039216A1

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung von sehr großen Winkeln bzw. von sehr großen Wegen.

Messvorrichtungen sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Zur berührungslosen Erfassung sind beispielsweise magnetische Sensoren bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 100 08 535 A1 eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, welche aus einer aus magnetisch nicht leitendem Material bestehenden Trägerplatte besteht, welche als Rotor dient. Auf der Trägerplatte ist ein Permanentmagnet angeordnet, der planar ausgebildet ist und dessen Polarisationsrichtung diametral zur Achse ausgerichtet ist. Weiter ist ein Hallelement unsymmetrisch angeordnet, sodass eine ellyptische Drehbewegung des Hallelements relativ zum Permanentmagneten erfolgt. Dadurch ergibt sich bei der Kurve des Ausgangssignals ein steil abfallender und ein flacher Bereich, welche für die Lageorientierung herangezogen werden können.

Bei den bisher bekannten magnetischen Sensoren zur Weg- bzw. Winkelbestimmung ist insbesondere nachteilig, dass die zu messenden Größen aufwendig gewandelt werden müssen, wenn ein Winkel über 90° zu erfassen ist bzw. wenn größere Wege gemessen werden sollen. Hierzu wurden z. B. mechanische Anordnungen vorgeschlagen, welche die Wege oder die Winkel in magnetische Amplitudenhöhen wandeln. Weiter ist es auch bekannt, mehrere Brückenschaltungen zu verwenden, die unter verschiedenen Winkeln angeordnet sind und zum Teil mit einem Biasmagneten versehen sind, deren Signale durch Logikschaltungen verknüpft werden und/oder mittels Sinus- Cosinus-Wandlers ausgewertet werden.

Bei der aus der DE 44 00 616 C2 bekannten Messvorrichtung wird ein Drehwinkel oder ein Weg dadurch erfasst, dass der Abstand zwischen Polschuh und magnetfeldempfindlichem Element verändert wird. Das magnetfeldempfindliche Element liegt dabei einer ebenen Seitenfläche des Polschuhs gegenüber, was zur Folge hat, dass der Gradient des Magnetfeldes konstant bzw. das Magnetfeld homogen bleibt. Hier ist ein anderer Ansatz zur Messung eines Drehwinkels oder eines Weges aufgezeigt.

Aus der DE 41 07 071 A1 geht eine Messvorrichtung hervor, bei der in radialer Richtung und mit Abstand zu einem Gewinde ein Magnet und zwischen dem Magneten und dem Gewinde ein magnetfeldempfindliches Element angeordnet ist. Wird das Gewinde gedreht, so ändert sich der Abstand zwischen dem Gewinde und dem Sensor, wodurch ein Drehwinkel erfasst werden kann. Hierbei bleibt die Querschnittsfläche und somit der Gradient des Magnetfelds über die Länge des Gewindes konstant.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass sie sehr große Drehwinkel bzw. sehr große Wegstrecken ohne aufwendige Anordnung von mehreren Brückenschaltungen bzw. aufwendigen Auswertevorrichtungen erfassen kann. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst einen Magneten und ein magnetempfindliches Element, wobei der Magnet an mindestens einer seiner Polseiten einen Polschuh aufweist. Dabei ist der Polschuh vorzugsweise an einer Polseite im Bereich der austretenden Feldlinien angeordnet. Der Polschuh ist derart ausgebildet, dass sich seine Querschnittsfläche über seine Länge ändert. Das magnetempfindliche Element ist dabei benachbart zum Polschuh angeordnet. Dadurch, dass der Polschuh seine Querschnittsflächen über seine Länge ändert, tritt an einem Ende des mit dem Polschuh versehenen Magneten ein nur schwach inhomogenes Feld aus und am anderen Ende tritt ein stark homogenes Feld aus. Durch die sich ändernde Querschnittsfläche des Polschuhs kann somit ein Übergang vom homogenen Feld zum inhomogenen Feld entsprechend einer beliebig gewünschten Funktion folgend gestaltet werden. Somit kann durch das magnetfeldempfindliche Element ein Signal erzeugt werden, welches jeweils der zu messenden Verdrehung bzw. Verschiebung proportional ist. Hierbei können mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sowohl kleine Winkel bzw. kleine Wege als auch insbesondere große Winkel bzw. große Wege bei einem sehr einfachen Aufbau gemessen werden.

Vorzugsweise ist der Polschuh derart gebildet, dass er über seine gesamte Länge eine spitze Kante bildet. Dabei ist das magnetfeldempfindliche Element unmittelbar benachbart zu der Kante angeordnet. Durch diese Ausgestaltung des Polschuhs können die Verdrehwinkel bzw. die Verschiebewege besonders einfach erfasst werden.

Vorteilhaft ist der Polschuh als dreieckige Pyramide ausgebildet. Ein derart ausgebildeter Polschuh ist beispielsweise für einen gerade verlaufenden planaren Magneten geeignet. Weiter kann ein derartiger Polschuh auch sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Polschuh so ausgebildet, dass zwei seiner Flächen im Schnitt parabelförmig ausgebildet sind. Somit weist der Polschuh ein Aussehen auf, welches ungefähr einem Rumpf eines Schnellbootes ähnelt. Die beiden Parabeln sind derart angeordnet, dass sie zueinander entgegengesetzte Steigungen aufweisen und die Kante wird durch die Schnittpunkte der Parabeln gebildet. Hierbei sind die parabelförmigen Seitenflächen des Polschuhs derart ausgebildet, dass sich die Querschnittsfläche des Polschuhs von einem Ende zum anderen Ende kontinuierlich verjüngt.

Vorzugsweise weist der Polschuh einen dreieckigen Querschnitt auf, wobei sich die dreieckige Querschnittsfläche über seine Länge von einem Ende zum anderen Ende kontinuierlich verkleinert. Ein derartiger Polschuh weist ebenfalls Vorteile hinsichtlich einer einfachen Herstellung auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Polschuh derart ausgebildet, dass eine Querschnittsfläche von einer fünfeckigen Querschnittsfläche über eine dreieckige Querschnittsfläche zu einer durch zwei Parabeln begrenzten Querschnittsfläche übergeht. Vorzugsweise kann auch eine beliebige Kombination der vorher erläuterten Gestaltungen des Polschuhs für den Polschuh verwendet werden. Bei der Gestaltung des Polschuhs ist jedoch darauf zu achten, dass der durch den Polschuh veränderte Gradient eines Magnetfelds eine Funktion der zu messenden Größe, d. h. eines Verdrehwinkels bzw. eines Verschiebeweges ist. Die Änderung des Gradienten ist hierbei proportional zur zurückgelegten Wegstrecke bzw. Winkelstrecke.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnet ringförmig ausgebildet und der Polschuh am inneren Umfang des ringförmigen Magneten oder am äußeren Umfang des ringförmigen Magneten angeordnet. Diese Ausgestaltung der Messvorrichtung ist insbesondere zur Erfassung von Drehwinkeln geeignet. Je nach Anordnung des Polschuhs wird dabei das magnetfeldempfindliche Element am inneren Umfang oder am äußeren Umfang des Magneten angeordnet.

Vorzugsweise ist das magnetfeldempfindliche Element als Gradiometer ausgebildet. Der Gradiometer ist derart aufgebaut, dass er vier Brückenwiderstände umfasst, welche im Rechteck angeordnet sind und derart miteinander verschaltet werden, dass sich jeweils ein vorne und ein hinten liegender Widerstand in den Brückendiagonalen befinden. Der Gradiometer ist demnach nur dann verstimmt, wenn das magnetische Feld zwischen den geometrisch vorderen Widerständen und den geometrisch hinteren Widerständen differiert.

Somit stellt die vorliegende Erfindung eine einfach aufgebaute Messvorrichtung zur Erfassung eines Verdrehwinkels oder zur Erfassung eines Weges bereit. Hierbei ist an einem Pol eines Permanentmagneten ein Polschuh angeordnet, welcher geometrisch derart ausgebildet ist, dass sich der Gradient des Magnetfelds am Polschuh über die Länge des Magneten bzw. des Polschuhs ändert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit insbesondere zur Aufnahme von großen Winkeln bzw. großen Wegen geeignet.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

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

Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Magneten und des Polschuhs mit eingezeichneten Feldlinien,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 3,

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 3,

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 3 und

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gradiometers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die Messvorrichtung 1 einen ringförmigen Permanentmagneten 2, sowie einen ebenfalls ringförmig ausgebildeten Polschuh 3. Der Polschuh 3 ist am inneren Umfang des Permanentmagneten 2 an einem Pol angeordnet. Der Permanentmagnet 2 und der Polschuh 3 sind symmetrisch zu einer Drehachse 0-0 einer Welle 8 angeordnet.

Weiter ist der Permanentmagnet 2 über ein topfförmig ausgebildetes Halteteil 10 mit der Welle 8 verbunden, deren Verdrehung gemessen werden soll. Die Welle 8 ist über einen Arm 12 und ein Lager 9 an einem Bauteil 11 gelagert, wobei mit der Messvorrichtung 1 die Verdrehung der Welle 8 gegenüber dem Bauteil 11 gemessen werden soll.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist im Inneren des ringförmigen Permanentmagneten 2 bzw. des ringförmigen Polschuhs 3 ein Gradiometer 4 als magnetfeldempfindliches Element angeordnet. Der Gradiometer ist im Detail in Fig. 7 dargestellt. Wie in Fig. 7 gezeigt, sind vier Brückenwiderstände 13, 14, 15 und 16 im Rechteck angeordnet. Die vier Brückenwiderstände sind derart miteinander verschaltet, dass sich die jeweils vorne und hinten liegenden Widerstände in den beiden Brückendiagonalen befinden. Somit ist der Gradiometer also nur dann verstimmt, wenn das magnetische Feld bei den geometrisch vorderen Widerständen 15, 16 zu dem magnetischen Feld an den geometrisch hinteren Widerständen 13, 14 differiert.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ist der Gradiometer 4 asymmetrisch zur Drehachse 0-0 angeordnet. Dabei ist der Gradiometer 4 derart am Polschuh 3 angeordnet, dass er sich in unmittelbarer Nähe einer Kante 5 des Polschuhs 3 befindet.

Im ersten Ausführungsbeispiel ist der Polschuh 3 derart ausgebildet, dass er einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweist, wobei sich die Dreiecksfläche über seine Ringlänge kontinuierlich verkleinert. Dabei weist der Polschuh 3 eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7 auf. Hierbei ist die Kante 5 am Schnittpunkt der ersten und zweiten Seitenflächen 6 und 7 gebildet (vgl. Fig. 1).

Wenn sich nun die Welle 8 relativ zum Bauteil 11 dreht, dreht sich gleichzeitig auch der fest mit der Welle 8 verbundene Permanentmagnet 2 samt Polschuh 3. Dadurch kommt ein anderer Bereich des Polschuhs 3 in unmittelbare Nähe des Gradiometers 4. Wie in Fig. 2 gezeigt, ändert sich das magnetische Feld an der Spitze 5 des Polschuhs 3 abhängig von der geometrischen Ausgestaltung des Polschuhs. Da sich die Querschnittsfläche des Polschuhs 3 über seine gesamte Länge kontinuierlich ändert, ändert sich bei einer Drehung der Welle 8 auch das magnetische Feld im Bereich des Gradiometers 4. Diese durch den Gradiometer 4 aufgenommene Änderung des magnetischen Feldes ist hierbei proportional zur erfolgten Verdrehung der Welle 8. Somit ist die Ausgangsspannung des Gradiometers 4 proportional zur zu messenden Winkelstrecke der Welle 8.

Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass sich das Bauteil 11 relativ zur Welle 8 dreht und somit die Drehung des Bauteils 11 gegenüber der Welle 8 erfasst wird.

In den Fig. 3 bis 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche bzw. ähnliche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Permanentmagnet 2 im zweiten Ausführungsbeispiel als planares Rechteck ausgebildet. Auf einer Seite des Permanentmagneten 2 ist ein Polschuh 3 angeordnet. Der Polschuh 3 weist eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7 auf, welche an ihren Berührungspunkten eine Kante 5 bilden. Die Kante 5 weist über die gesamte Länge des Permanentmagneten 2 einen konstanten Abstand zum Permanentmagneten 2 auf.

Wie in den Fig. 4 bis 6 gezeigt, ist ein als Gradiometer 4 ausgebildetes magnetfeldempfindliches Element über der Kante 5 des Polschuhs 3 angeordnet. Der Gradiometer 4 ist ortsfest angeordnet.

Der gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildete Permanentmagnet ist insbesondere für die Erfassung von Wegstrecken geeignet.

Wie aus der Draufsicht von Fig. 3 erkennbar ist, ändert der Polschuh 3 über seine gesamte Länge kontinuierlich seine Querschnittsfläche. Wie in der Schnittansicht C-C in Fig. 6 gezeigt, weist der Polschuh 3 an seinem einen Ende eine fünfeckige Gestalt auf. Dabei sind die beiden Seitenflächen 6 und 7 nur leicht gegeneinander geneigt. Dementsprechend wird ein relativ großes magnetisches Feld in diesem Bereich des Polschuhs erzeugt (vgl. Fig. 6). In der in Fig. 5 dargestellten Schnittansicht B-B ist die Querschnittsfläche des Polschuhs 3 dreieckig ausgebildet. Hierdurch ergibt sich im Bereich des Polschuhs 3 ein anderes magnetisches Feld als an der in Fig. 6 gezeigten Position des Polschuhs (vgl. Fig. 5). Am anderen Ende des Permanentmagneten 2 ist, wie in der Schnittansicht A-A in Fig. 4 gezeigt, der Polschuh 3 derart ausgebildet, dass die erste und die zweite Seitenfläche 6 und 7 jeweils parabelförmig ausgebildet sind. Hierbei ist das magnetische Feld an dieser Position des Polschuhs wieder anders an den beiden anderen dargestellten Positionen (vgl. Fig. 4), was jeweils durch den Gradiometer 4 aufgenommen werden kann. Der Gradiometer 4 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 7 ausgebildet und wird daher nachfolgend nicht weiter beschrieben.

Somit weist der Polschuh 3 des zweiten Ausführungsbeispiels eine Gestalt auf, welche an einem Ende eine fünfeckige Querschnittsfläche aufweist, die kontinuierlich über eine dreieckige Querschnittsfläche (Schnitt B-B) zu einer durch zwei Parabeln begrenzten Querschnittsfläche (Schnitt A-A) übergeht. Dadurch ändert sich das magnetische Feld über die gesamte Länge des Polschuhs 3 kontinuierlich. Je nach zurückgelegtem Weg (Relativbewegung zwischen dem Gradiometer 4 und dem Polschuh 3) kann daher der Gradiometer 4 das entsprechende magnetische Feld erfassen und das von ihm abgegebenen Signal entspricht dadurch der zurückgelegten Wegstrecke.

Zusammenfassend wurde eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges beschrieben, welche einen Magneten 2 und ein magnetfeldempfindliches Element 4 aufweist. Der Magnet 2 weist an mindestens einer seiner Polseiten einen Polschuh 3 auf. Der Polschuh 3 ist derart ausgebildet, dass sich seine Querschnittsfläche kontinuierlich über seine Länge verändert, d. h. verkleinert bzw. vergrößert. Das magnetfeldempfindliche Element 4 ist dabei benachbart zum Polschuh 3 angeordnet. Bei einer Relativbewegung zwischen dem magnetfeldempfindlichen Element 4 und dem Polschuh 3 ändert sich das magnetische Feld im Bereich des magnetfeldempfindlichen Elements 4, was als Größe zur Bestimmung des Drehwinkels bzw. des Verschiebeweges herangezogen werden kann.

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 Weges umfassend einen Magneten (2), der an mindestens einer seiner Polseiten einen Polschuh (3) aufweist, dessen Querschnittsfläche sich kontinuierlich über seine Länge ändert, und ein magnetfeldempfindliches Element (4), das benachbart zum Polschuh (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gradient des Magnetfelds am Polschuh (3) über die Länge des Magneten (2) bzw. des Polschuhs (3) ändert.

2. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh (3) derart gebildet ist, dass er über seine gesamte Länge eine Kante (5) bildet.

3. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh (3) als dreiseitige Pyramide ausgebildet ist.

4. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh (3) derart ausgebildet ist, dass zwei seiner Flächen (6, 7) im Schnitt parabelförmig gebildet sind.

5. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh (3) eine dreieckige Querschnittsfläche aufweist, welche sich über seine Länge kontinuierlich verkleinert.

6. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh (3) derart ausgebildet ist, dass seine Querschnittsfläche von einer fünfeckigen Querschnittsfläche über eine dreieckige Querschnittsfläche zu einer durch zwei Parabeln begrenzten Querschnittsfläche übergeht.

7. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Polschuh (3) aus einer Kombination von mindestens zwei der in den Ansprüchen 2 bis 5 definierten Polschuhe gebildet ist.

8. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (2) ringförmig ausgebildet ist und der Polschuh (3) am inneren Umfang des ringförmigen Magneten (2) angeordnet ist.

9. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (2) ringförmig ausgebildet ist und der Polschuh (3) am äußeren Umfang des ringförmigen Magneten (2) angeordnet ist.

10. Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldempfindliche Element (4) als Gradiometer ausgebildet ist, bei dem vier Brückenwiderstände (13, 14, 15, 16) im Rechteck angeordnet sind, wobei sich jeweils ein geometrisch vorne liegender Brückenwiderstand (15, 16) und ein geometrisch hinten liegender Brückenwiderstand (13, 14) in der Brückendiagonale befindet.