DE102009021081A1

DE102009021081A1 - Magnetischer Winkelsensor

Info

Publication number: DE102009021081A1
Application number: DE102009021081A
Authority: DE
Inventors: Klaus Manfred Steinich; Peter Wirth
Original assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Current assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: US20100013466A1; US8384376B2; DE102009021081B4

Abstract

Um bei einem magnetischen Winkelsensor über mehr als 360° messen zu können, wird vorgeschlagen, nicht wie beim Stand der Technik den Abstand zwischen Gebermagnet und Sensorelement zusätzlich zur Drehung zu verändern - z. B. mittels eines Gewindes - sondern diesen Abstand gleich zu belassen und stattdessen einen magnetischen Variator im Axialabstand zum Sensorelement oder auch in Querrichtung zu verändern, der ein Flussleitstück oder auch ein Sekundärmagnet sein kann.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen magnetischen Winkelsensor, der in der Lage ist, über mehr als 360° Drehwinkel zu messen, insbesondere über eine Vielzahl von Umdrehungen zu messen.
II. Technischer Hintergrund
Für einen magnetischen Winkelsensor wird grundsätzlich ein Magnetempfindliches Sensorelement verwendet, meist ausgeführt als Sensor-Chip, welchem gegenüberlegend ein Gebermagnet, meist ausgeführt als Permanent-Magnet, drehbar angeordnet ist. Das Sensorelement misst dabei das magnetische Feld bzw. dessen Veränderung in Form der magnetischen Induktion oder der magnetischen Flussdichte, die über eine Materialkonstante mit der magnetischen Feldstärke H korreliert.
Das Sensorelement ist dabei zumindest in der Lage, den Teil-Drehwinkel des Gebermagneten zwischen 0° und 360° zu ermitteln. Die notwendige Kenntnis der zusätzlich absolvierten vollständigen Umdrehungen des Gebermagneten, aus denen sich dann der Gesamt-Drehwinkel ergibt, wird auf unterschiedliche Art und Weise bestimmt:
So benutzt die EP 0 1503182 ein Sensorelement, welches zusätzlich auch das am Sensorelement vorliegende magnetische Feld misst, und bewegt den Gebermag neten bei seiner Drehung entlang einer Gewinde-Spindel axial auf den zu dieser axialen Richtung quer stehenden Mikrochip, der das Sensorelement darstellt, zu.
Diese Lösung weist mehrere Nachteile auf, z. B. indem kein linearer Zusammenhang zwischen der Annäherung des Gebermagneten und der Feld-Veränderung am Sensor-Element besteht.
Um dies auszugleichen, ist entweder ein sehr komplizierter Auswerte-Algorithmus für das Maß der Feldveränderung am Sensorelement notwendig, oder die von der Anzahl an Umdrehungen abhängige Annäherung des Gebermagneten an das Sensorelement muss einer ebenfalls analog nichtlinearen Funktion folgen, was grundsätzlich eine sehr aufwändige mechanische Herstellung bedingt.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen über mehrere Umdrehungen messenden Winkel-Sensor zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist und bei dem insbesondere der Abstand des Gebermagneten zum Sensorelement konstant bleibt.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Abstand zwischen Gebermagnet und Sensorelement kann unverändert bleiben, wenn erfindungsgemäß der Winkelsensor zusätzlich einen Feld-Variator aufweist, durch den das am Sensorelement vorliegende magnetische Feld verän den wird in Abhängigkeit vom Gesamt-Drehwinkel, den der Gebermagnet zurückgelegt hat.
Ein solcher Variator kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden:
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Variator aus einem Flussleitstück aus beispielsweise Weicheisen, welches im Gegensatz zu dem Material eines Dauermagneten mechanisch einfach und hochpräzise bearbeitet werden kann, so dass darin auch präzise Gewinde, Führungen und Ähnliches ohne erhöhten Aufwand eingearbeitet werden können und/oder einer magnetisch permeablen Flüssigkeit.
Indem ein solches Flussleitstück beispielsweise als flächiges Element von der Rückseite des Gebermagneten oder auch des Sensorelementes angenähert oder entfernt wird – jeweils wiederum in Abhängigkeit vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten, was in der Folge nicht mehr bei jeder Bewegung des Variators explizit wiederholt wird – ändert sich die vom konstant beabstandeten Gebermagneten verursachte, am Sensorelement messbare magnetische Feldveränderung.
Das gleiche geschieht, wenn ein solches Flussleitstück in Querrichtung zwischen Gebermagnet und Sensorelement zunehmend eingefahren wird, wodurch quasi ein magnetischer Nebenschluss erzeugt wird. Wenn dies durch zwei oder mehrere einander über den Umfang gegenüberliegende und gleichmäßig verteilte solcher Flussleitstücke synchron geschieht, wird dadurch eine Art magnetischer Blende geschaffen.
Der gewünschte Effekt kann ebenfalls erzielt werden, indem ein rohrförmig oder topfförmig ausgebildetes Flussleitstück mit der offenen Stirnseite voran von hinten zunehmend über den Gebermagneten oder das Sensorelement gestülpt wird. Dabei kann der Gebermagnet auch ringförmig in einer Ebene parallel zum Sensorelement ausgeführt sein und ein solches Flussleitstück zusätzlich in der Mitte einen Mittelzapfen aufweisen, der dabei in den inneren Freiraum des ringförmigen Gebermagneten mit vordringt.
Dabei kann für die Bewegung des Flussleitstückes z. B. eine Gewinde-Spindel mit einer darauf laufenden Spindel-Mutter durchaus verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Gebermagnet aus zwei in Querrichtung beabstandeten Gebermagnet-Teilen besteht, und das Flussleitstück in axialer Richtung, also entlang zum Beispiel der Drehachse, die hier für die beiden Gebermagnet-Teile vorzugsweise eine gemeinsame Drehachse ist, zwischen die beiden Gebermagnet-Teile vorwärts geschoben wird.
Falls dabei die Gewinde-Spindel eine gleichmäßige Gewindesteigung aufweist, kann durch entsprechende Formgebung des Flussleitstückes, beispielsweise das Maß der Querschnitts-Änderung des Flussleitstückes in dessen Bewegungsrichtung, erreicht werden, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Drehbewegung des Gebermagneten und der Feld-Veränderung am Sensorelement vorliegt.
Sollte dieser lineare Zusammenhang erreicht werden durch eine ungleichmäßige, sich ändernde, Steigerung der Gewindespindel, so ist diese sowohl an Spindel als auch Mutter einfacher auszubilden als beim Stand der Technik, da keines dieser beiden Elemente aus einem magnetischen Material besteht.
Der Variator kann jedoch anstelle eines Flussleitstückes auch ein Sekundär-Magnet sein, dessen Polrichtung dann vorzugsweise in axialer Richtung gerichtet ist, oder auch eine Kombination aus einem solchen Sekundärmagneten und einem Flussleitstück.
Dabei sind jeweils unterschiedlichste mechanische Lösungen vorstellbar.
Eine weitere Möglichkeit der Realisierung eines Variators besteht darin, als Gebermagneten keinen Permanent-Magneten zu benutzen, sondern einen Elektromagneten, und die magnetische Kraft dieses Gebermagneten in Abhängigkeit von seinem Gesamt-Drehwinkel zu steuern. Dabei ist keinerlei mechanische Annäherung oder Entfernung eines Elementes an das Sensorelement mehr notwendig.
Hinsichtlich der Auswertung der vom Sensorelement ausgegebenen Signale des für den Teil-Drehwinkel des Gebermagneten oder auch aufaddiert zu einem Gesamt-Drehwinkel durch die angeschlossene Auswerte-Einheit, die gemeinsam die Sensoreinheit bilden, sollten in der Auswerteeinheit Stütz-Werte in einem Speicher hinterlegt sein, die ganzzahligen vollständigen Umdrehungen entsprechen. Diese Stütz-Werte können mit zunehmender Abnutzung und/oder Alterung des Winkelsensors erneut festgelegt werden, vorzugsweise in definierten Zeitabständen und automatisch.
Das erste Mal werden diese Stütz-Werte bei der ersten Inbetriebnahme des Winkelsensors ermittelt und abgespeichert.
Diese Stütz-Werte dienen unter anderem der Erkennung der momentanen Gesamt-Drehlage des Gebermagneten, falls bei einem mechanischen Antrieb des Gebermagneten, beispielsweise mittels Gewinde-Spindel und Spindel-Mutter, diese aufgrund eines vorhandenen Endanschlages außer Eingriff geraten mithilfe einer Überdreh-Sicherung, die mechanische Beschädigungen beim Überlaufen des Endanschlages vermeidet, und des anschließenden erneuten Eingriffs von Spindel und Mutter.
Dabei muss die Sensoreinheit keineswegs nur ein Sensorelement – also in der Regel einen Sensorchip – aufweisen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, wenigstens zwei Sensorelemente, also in der Regel Sensorchips, zu verwenden.
Dann ist es möglich, entsprechend den Aufgaben dieser beiden Sensorelemente – einerseits den Teil-Drehwinkel des Gebermagneten und andererseits den Abstand zwischen Variator und Sensorelement zu detektieren und auszugeben – ein hierfür jeweils optimiertes Sensorelement zur Verfügung zu stellen.
Von der geometrischen Anordnung wird dann bevorzugt das Sensorelement, welches den Teil-Drehwinkel des Gebermagneten ermittelt, zentrisch, also auf der Drehachse des Gebermagneten, angeordnet, während für die Ermittlung des Ab standes das dafür zuständige zweite Sensorelement knapp daneben angeordnet werden kann, da hier die Auswirkungen weniger gravierend sind.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine Lösung mit einem zwischen die Magnete axial einfahrbaren Variator,
2: eine Lösung mit hülsenförmigem Variator um den Gebermagneten herum,
3: eine Lösung zur Veränderung des Querabstandes der Gebermagneten, und
4: eine Lösung mit einem blendenförmigen Variator.
Bei der Lösung der 1 ist der Gebermagnet 1, dessen Gesamt-Umdrehung durch den Winkelsensor gemessen werden soll, auf der vorderen Stirnfläche eines Drehkörpers 20 angeordnet, der – wie am besten 1b zeigt – im Boden eines vorzugsweise topfförmigen Gehäuses 7 mit seinem hinteren Ende drehbar, jedoch in axialer Richtung 10 fest aufgenommen ist, so dass sein vorderes Ende in den Innenraum des Gehäuses 7 hineinragt.
Der Drehkörper 20 ist vom vorderen Ende her in axialer Richtung mit einem Schlitz 14 ausgestattet und auf den dadurch gebildeten Teil-Stirnflächen des vorderen Endes ist jeweils ein Teil-Gebermagnet 1a, b so angeordnet, dass zunächst die Polrichtung jedes Teil-Gebermagneten parallel zur Drehachse 2, also der axialen Richtung 10, des Drehkörpers liegt und die Teil-Stirnfläche vorzugsweise vollständig abdeckt.
Bei den beiden Teil-Gebermagneten 1a, b ist jedoch die Polanordnung zueinander umgekehrt, so dass bei der einen Teil-Stirnfläche der Nordpol und bei der anderen der Südpol des jeweiligen Teil-Gebermagneten 1a, b in axialer Richtung 10 nach vorne weist, so dass die am freien Ende liegenden Pole eine Polrichtung 3 zueinander quer zur axialen Richtung 10 aufweisen.
Der axiale Schlitz in der Vorderseite des Drehkörpers 20 ist im Vergleich zur axialen Erstreckung der Magnete 1a, b wesentlich tiefer und beträgt mindestens etwa das Fünffache dieser Tiefe.
In dem Schlitz 14 ist ein z. B. plattenförmiger Variator 6 axial verschiebbar geführt, dessen Dicke genau der Dicke des Schlitzes 14 entspricht, der jedoch seitlich beidseits aus dem Drehkörper 20 vorsteht, da er eine größere Breite besitzt als der Durchmesser des Drehkörpers 20.
Im Gegensatz dazu zeigt 1e bei gleicher Grundkonstellation einen etwas anders geformten Variator 6, indem dieser nicht nur plattenförmig in einem Schlitz des Drehkörpers 20 steckt, sondern diesen zusätzlich auch auf der Außenseite umschließt, so dass der Variator 6 in diesem Fall vorzugsweise scheibenförmig mit einem runden Außenumfang gestaltet ist, der zwei bezüglich der Mitte gegenüberliegende, in Längsrichtung jeweils durchgehende Durchbrüche aufweist, durch welche die beiden freien Enden des geschlitzten, gabelförmigen Drehkörpers 20 hindurch gesteckt werden können.
Auf den nach außen vorstehenden Seitenflächen des Variators 6 ist ein Außengewinde 12 aufgebracht, dessen Mittelpunkt mit der Drehachse 2 des Drehkörpers 20 zusammenfällt, so dass auf den Außenflächen übereinander nur jeweils Segmente von Gewindegängen entsprechend der Dicke des Variators 6 vorhanden sind.
Wie die 1b und 1c zeigen, besitzt das Gehäuse 7 auf seinem zum Drehkörper 20 konzentrischen Innenumfang, der der Breite des Variators 6 entspricht, ein Innengewinde 13, welches mit dem Außengewinde 12 auf dem Variator 6 in Eingriff steht.
1b zeigt, dass zu der freien Stirnfläche des Drehkörpers 20 beabstandet und gegenüberliegend eine Sensoreinheit 4 mit einem Sensorelement 5 angeordnet ist, wobei sich die Sensoreinheit 4 in Form einer Platine ebenfalls in z. B. einer Schulter des topfförmigen Gehäuses 7 abstützen kann und jedenfalls nicht mit dem Drehkörper 20 mitdreht.
Wird nun der Drehkörper 20, dessen Gesamtumdrehung gemessen werden soll, in Drehung versetzt, also über mehr als 360°, so wird dabei das zwischen den in Querrichtung 11 gegenüberliegenden Polen der Teil-Gebermagnete 1a, b verlaufende magnetische Feld 3 seine Richtung bezüglich des Sensorelementes 5 ständig ändern, was von diesem registriert wird. Den axialen Abstand zu dem Sensorelement 5 ändern die Teil-Gebermagnete 1a, b dabei jedoch nicht.
Jedoch wird mit zunehmendem Drehen des Drehkörpers 20 der Variator 6 – je nach Drehrichtung – vom Boden des Schlitzes 14 aus immer weiter nach vorne oder zurück zwischen die Teil-Gebermagnete 1a, b vorwärts geschoben, wobei der Winkelsensor eine mechanische Begrenzung aufweist, so dass der Variator 6 das Sensorelement 5 und insgesamt die Sensoreinheit 4 nicht ganz erreichen kann.
Der Variator 6 beeinflusst dadurch – abhängig davon, ob es sich bei dem Variator 6 um ein Flussleitstück aus einem weichmagnetischem Material oder um einen Sekundärmagneten handelt – das elektrische Feld zwischen den beiden Teil-Gebermagneten 1a, b mit zunehmendem Einfahren in den Bereich zwischen diese beiden Teil-Gebermagnete 1a, b.
1d zeigt eine von 1b dadurch abweichende Variante, dass die Sensoreinheit 4 zwei separate Sensorelemente 5a, b aufweist.
Das Sensorelement 5a ist zentrisch auf der Längsachse 10 – der Rotationsachse des Magneten – angeordnet und misst vorzugsweise den Teil-Drehwinkel des Magneten. Demgegenüber ist das zweite Sensorelement 5b seitlich hierzu etwas versetzt auf der Platine angeordnet, welches den axialen Abstand zwischen Variator und Sensoreinheit 4 bestimmen soll.
Aus Vereinfachungsgründen wird im Folgenden von dem Variator 6 immer als von einem Flussleitstück gesprochen, ohne die Erfindung hierauf zu begrenzen.
2a zeigt eine Lösung, die sich von derjenigen der 1 zunächst dadurch unterscheidet, dass der Drehkörper 20 an seinem vorderen freien Ende nicht geschlitzt ist, und dementsprechend die beiden Teil-Gebermagneten 1a, b direkt aneinandergrenzen und einen einstückigen Gebermagneten 1 bilden können, von dem hier lediglich die der freien Stirnfläche zugewandten Pole (Nord- und Südpol) zu sehen sind, so dass in axialer Richtung 10 keine Abfolge von Polen notwendig ist.
Ferner weist der Drehkörper 20 nunmehr auf seinem runden Außenumfang ein Außengewinde 12 auf, auf dem der den Drehkörper 20 konzentrisch umgebende, hülsenförmige Variator 6 mit einem entsprechenden Innengewinde 13 läuft.
Der hülsenförmige Variator 6 weist an seinem Außenumfang an z. B. zwei einander gegenüberliegenden Seiten Vorsprünge 16 auf, die in in Längsrichtung 10 verlaufenden Längsnuten 15 in den Innenflächen des wiederum vorzugsweise topfförmigen Gehäuses 7 eingearbeitet sind und daher eine Längsverschiebung, jedoch keine Drehung des hülsenförmigen Variators 6 zulassen.
Auch hier liegt der freien Stirnfläche des Drehkörpers 20, also dem darauf drehbar angeordneten Gebermagneten 1, wiederum in axialer Richtung beabstandet das magnet-empfindliche Sensorelement 5 einer Sensoreinheit 4 gegenüber, die am Gehäuse 7 befestigt ist und daher nicht mit dem Drehkörper 20 mitdreht.
Auf diese Art und Weise wird bei drehendem Antrieb des Drehkörpers 20 die in Querrichtung 11 verlaufende Polachse 3 des Gebermagneten 1 bezüglich des Sensorelementes 5 gedreht, behält jedoch ihren axialen Abstand zum Sensorele ment 5 bei. Dagegen ändert – angetrieben durch die Gewindeverbindung – dabei der hülsenförmige Variator 6 seinen Abstand zum Sensorelement 5, indem er sich je nach Drehrichtung mehr oder weniger seitlich an dem Gebermagneten 1 – der seitlich nicht über die Stirnfläche des Drehkörpers 20 vorsteht – vorbeischiebt und damit dessen Feld beeinflusst.
2b zeigt eine davon leicht abweichende Variante, indem dort der Variator 6 den Drehkörper 20 nicht über den gesamten Umfang als Hülse umgibt, sondern lediglich auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten als Teil-Variatoren 6a, b angeordnet sind, die mittels radial nach innen weisender Vorsprünge 16 in im Außenumfang des Drehkörpers 20 vorhandene Längsnuten 15 eingreifen und deshalb mit dem Drehkörper 20 mitdrehen, aber gleichzeitig längsverschiebbar daran geführt sind.
Dabei befindet sich das Außengewinde 12 nunmehr auf der Außenseite der Teil-Variatoren 6a, b, die mit einem Innengewinde 13 kämmen, welches bei dieser Bauform auf den Innenumfangsflächen des den Drehkörper 20 konzentrisch umgebenden Gehäuses 7 angeordnet ist.
Auch hierbei befindet sich der Gebermagnet 1 auf der vorderen freien Stirnfläche des Drehkörpers 20 und ihm axial beabstandet gegenüberliegend wiederum natürlich – was in 2 nicht sichtbar ist – die Sensoreinheit 4 mit einem Sensorelement 5 auf der Drehachse 2. Somit tritt auch hier der Effekt ein, dass mit zunehmendem Drehen des Drehkörpers 20 die Teil-Variatoren 6a, b, die vorzugsweise auf der Polrichtung 3 des Gebermagneten 1 liegen, mit dem Gebermagneten 1 zwar mitdrehen, jedoch sich wiederum mehr oder weniger in axialer Richtung über den Gebermagneten 1 vorwärtsschieben und damit ihren Abstand zum Sensorelement 5 verändern.
3 zeigt eine Lösung, bei der der Variator 6 weder ein Flussleitstück noch ein Sekundärmagnet sein muss, da er lediglich den Abstand der Teil-Gebermagnete 1a, b in Querrichtung 11 zur Drehachse 2 verändert, während deren Abstand in axialer Richtung 10 zum Sensorelement 5 gleich bleibt.
Dies kann auf mehrere Arten erfolgen.
Bei der in 3 dargestellten Variante ist zu diesem Zweck der Drehkörper 20 mehrteilig ausgebildet, indem ein runder Basis-Grundkörper 20 wie üblich drehbar in einem Gehäuse 7 gelagert ist, diesmal jedoch demgegenüber auch in axialer Richtung 10 verlagert wird, indem er auf seiner Außenseite ein Außengewinde 12 trägt, welches mit einem entsprechenden Innengewinde 13 im Gehäuse 7 kämmt.
Das vordere freie Ende des Basis-Grundkörpers 20 ist als runder Kegel 17 ausgebildet, in dessen Kegelflächen auf zwei einander gegenüberliegenden Richtungen Längsnuten 15' eingearbeitet sind.
Der Kegel 17 steht über die Bodenfläche des topfförmigen Gehäuses 7, in dessen Boden der Basis-Grundkörper 20 im Gewinde geführt ist, vor.
Am Kegel 17 liegen Drehkörper-Einzelteile 20a, b an die mittels jeweils radial nach innen weisender Vorsprünge 16 in eine der im Außenumfang des Drehkörpers 20 vorhandenen Längsnuten 15 eingreift und deshalb mit dem Drehkörper 20 mitdreht, aber gleichzeitig längsverschiebbar darin geführt sind.
Auf diesen Drehkörper-Einzelteilen sitzen – wiederum dem Sensorelement 5 gegenüberliegend – auf der Vorderseite Teil-Gebermagnete 1a, b, die jeweils eine Polrichtung in Querrichtung aufweisen und in Querrichtung 11 aufeinander abfolgende unterschiedliche Pole aufweisen, wobei jeder einzelne Teil-Gebermagnet 1a oder 1b einen Nordpol und einen Südpol aufweist.
Die Drehkörper-Einzelteile 20a, b können dabei radial von außen mittels jeweils einer Feder 18 gegen die Kegelfläche des Kegels 17 angepresst werden, die sich radial außen am Gehäuse 7 abstützen und vorzugsweise an ihrem inneren Ende mittels eines auf den Drehkörper-Einzelteilen 20a, b anliegenden Schuhs 19a, b auf diesem in Umfangsrichtung gleiten, da die Federn 18 nicht mit den Drehkörper-Einzelteilen 20a, b mitdrehen.
Dabei kann zusätzlich eine in axialer Richtung 10 formschlüssig wirkende Verbindung zwischen dem Schuh 19a, b und dem jeweiligen Drehkörper-Einzelteil 20a, b ein Lageverändern der Drehkörper-Einzelteile 20a, b in axialer Richtung verhindern.
Als Variator 6 wirkt in diesem Fall der Kegel 17 oder besser das Zusammenspiel zwischen den Kegelflächen am Kegel 17 und den entgegengerichteten Flächen an den Drehkörper-Einzelteilen 20a, b, welche die Gebermagnete 1a, b tragen und durch die Axialbewegung des Kegels 17 in ihrem Querabstand verändert werden.
4 zeigt eine Lösung, bei der der Variator auf zwei oder mehr bezüglich der Drehachse 2 gegenüberliegende Variatorteile 6a, b aufgeteilt ist, die in axialer Richtung zwischen dem Gebermagneten 1, der sich wiederum auf der Stirnfläche eines drehbar, jedoch axial fest im Gehäuse 7 gelagerten Drehkörpers 20 und dem gegenüberliegenden Sensorelement 5 angeordnet sind. Die Querbewegung der zwei oder mehr über den Umfang verteilten Variatorteile 6a, b wirkt damit wie eine Art veränderbare Blende zwischen Gebermagnet 1 und Sensorelement 5.
Dies wird erreicht, indem die Variatorteile 6a, b am freien Ende von Trägerarmen 22a, b angeordnet sind, die jeweils einen Variatorteil 6a, b tragen und vom vorderen Bereich des Drehkörpers 20 aus schräg nach vorne und außen ragen.
Die Trägerarme 22a, b sind gelenkig ausgebildet, beispielsweise durch Eigenelastizität, so dass sie sich mehr oder weniger stark nach außen erstrecken können, sind jedoch durch ihre Eigenspannung radial nach außen vorgespannt.
Nach innen werden die Trägerarme 22a, b gedrückt, indem eine Kegelhülse 21, die einen negativ, konkav ausgeformten Kegel auf ihrer Frontseite aufweist, konzentrisch um den Drehkörper 20 herum angeordnet ist und im Gehäuse 7 in Längsrichtung 10 verschoben werden kann, indem sie in deren Innenumfang vorhandene Längsnuten 15 formschlüssig eingreift. Der Längsantrieb erfolgt wiederum durch ein Außengewinde auf der Außenseite des Drehkörpers 20, welches mit einem Innengewinde 13 in der Durchgangsöffnung der Kegelhülse 21 in Eingriff steht.
Durch Vorwärtsschieben der Kegelhülse 21 in axialer Richtung 10 werden die an den inneren Kegelflächen der Kegelhülse 21 anliegenden Variatorteile 6a, b bzw. Trägerarme 22a, b zunehmend radial nach innen gedrückt und die Blende mehr und mehr geschlossen.
Beim Zurückschieben der Kegelhülse 21 bewegen sich die Arme 22a, b aufgrund ihrer Vorspannung, z. B. Eigenelastizität, wieder nach außen.

1: Gebermagnet
1a, b: Teil-Gebermagnet
2: Drehachse
3: Polrichtung
4: Sensoreinheit
5: Sensorelement
6: Variator
6a, b: Variatorteile
7: Gehäuse
7a: Bodenfläche
8: Auswerteeinheit
10: axiale Richtung
11: Querrichtung
12: Außengewinde
13: Innengewinde
14: Schlitz
15, 15': Längsnut
16: Vorsprung
17: Kegel
18: Feder
19a, b: Schuh
20: Drehkörper, Basis-Drehkörper
20a, b: Drehkörper-Einzelteile
21: Kegelhülse
21a: innere Kegelfläche
22a, b: Trägerarme
23: Lager
24: Lippendichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 01503182 [0003]

Claims

Multiturn-Winkelsensor mit – wenigstens einem um eine Drehachse (2) drehbar gelagerten Gebermagneten (1); – einer magnetempfindlichen Sensoreinheit (4) mit einem Sensorelement (5) die vom Magnetfeld des Gebermagneten (1) durchgesetzt wird, welche – einerseits den Drehwinkel der Polrichtung des Gebermagneten (1) um die Drehachse (2) erfasst und ausgibt, und – andererseits den Betrag der am Sensorelement (5) der Sensoreinheit (4) herrschenden magnetische Feld erfasst und ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass – der axiale Abstand zwischen dem wenigstens einen Gebermagneten (1) und dem Sensorelement (5) konstant ist, und – ein Feld-Variator (6) vorhanden ist, der das am Sensorelement (5) herrschende magnetische Feld abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) verändert.
Multiturn-Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feld-Variator (6) so ausgelegt ist, dass die durch ihn bewirkte Veränderung des magnetischen Feldes eine reproduzierbare Funktion, insbesondere zum verursachenden Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) ist.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld von der Sensoreinheit (4) gemessen und/oder vom Feldvariator (6) beeinflusst wird, indem die magnetische Induktion oder die magnetische Flussdichte oder die Feldstärke gemessen bzw. beeinflusst wird.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (5) flächig ausgebildet und in einer Radial-Ebene zur Drehachse (2) angeordnet ist. (zwei getrennte Sensorelemente)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (4) zwei Sensorelemente (5a, b) aufweist, von denen das eine Sensorelement (5a) den Betrag des dort herrschenden magnetischen Feldes erfasst und ausgibt und das andere Sensorelement (5b) den Drehwinkel der Polrichtung des Gebermagneten (1) und die Drehachse (2) erfasst und ausgibt. (Flussleitstück)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) ein Flussleitstück ist, insbesondere aus weich magnetischem Material wie etwa Weicheisen, dessen Lage im Winkelsensor abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) variiert. (schnelle Hysterese)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator eine magnetisch permeable Flüssigkeit, insbesondere ein Ferrofluid oder ein magneto-rheologisches Fluid, umfasst. (Sekundär-Magnet)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) ein Sekundär-Magnet ist, dessen Polrichtung als eine Komponente, insbesondere einzige Komponente, die axiale Richtung (10) enthält, und des sen Lage im Winkelsensor abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) variiert. (Kombination)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) sowohl ein Flussleitstück als auch einen Sekundär-Magneten umfasst. (Anordnungen)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) auf der vom jeweils anderen Element abgewandten Rückseite des Gebermagneten (1) oder des Sensorelementes (5) angeordnet ist und in seinem axialen Abstand (10) hierzu abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) variiert.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) rohrförmig, insbesondere topfförmig, ausgebildet ist und sich mit seiner offenen Stirnseite voran abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) von hinten über den Gebermagneten (1) oder das Sensorelement (5) axial vorwärts schiebt.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige, insbesondere topfförmige, Variator (6) in der Mitte seines Querschnittes einen axial verlaufenden Mittelzapfen aufweist und der Gebermagnet (1) als um die Drehachse (2) konzentrisch ausgebildeter Ring-Magnet ausgebildet ist, der in den Abstand zwischen Mittelzapfen und Rohr-Kontur des Variators (6) eintaucht.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) quer zur axialen Richtung (10) zwischen Gebermagnet (1) und Sensorelement (5) zunehmend einfahrbar ist abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1).
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) aus mehreren, über den Umfang verteilten, Variator-Teilen (6a, b) besteht, deren radialer Abstand zur Drehachse (2) synchron gemeinsam verstellt wird abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1).
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) so geformt ist, insbesondere in axialer Richtung (10) so geformt ist, dass sich mit linearer Bewegung des Variators (6) die am Sensorelement (5) vorhandene Feldstärke linear verändert.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (1) aus zwei in Querrichtung beabstandeten Gebermagnet-Teilen (1a, b) besteht und der Variator (6) in axialer (10) oder radialer Richtung zunehmend zwischen die Gebermagnet-Teile (1a, b) eingeführt wird in Abhängigkeit vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1).
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) die beiden Gebermagnet-Teile (1a, b) auch auf der Außenseite, betrachtet in axialer Richtung, umgibt und insbesondere einen runden Außen-Umfang besitzt.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Variators (6) sich in seiner Bewegungsrichtung so verändert, dass dadurch eine insbesondere lineare Abhängigkeit zwischen Bewegungsweg des Variators (6) und der resultierenden verbleibenden Feldstärke am Sensorelement (5) vorliegt.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) sich in seiner Bewegungsrichtung konisch verbreitert oder verjüngt.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) mithilfe einer Gewinde-Spindel bewegt wird, auf der eine Spindel-Mutter läuft.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gewinde-Spindel und Spindel-Mutter eine Überdreh-Sicherung vorhanden ist, die Spindel und Mutter außer Eingriff voneinander bringt, und insbesondere bei einem dieser beiden Elemente ein radial federvorgespanntes Eingriffs-Teil am anderen Element umfasst. (Geber-Variator)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Variator (6) das magnetische Feld des Gebermagneten (1) abhängig vom Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) variiert. (Auswertung)
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Sensorelement (5) zugeordnete Auswerte-Einheit (8) einen Speicher umfasst, in dem Stütz-Werte für das magnetische Feld in Relation zum definierten Gesamt-Drehwinkel des Gebermagneten (1) hinterlegt sind.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz-Werte bei der ersten Inbetriebnahme des Winkelsensors ermittelt werden und insbesondere in vorher festgelegten zeitlichen Abständen neu bestimmt werden.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz-Werte jeweils eine ganzzahlige Anzahl ganzer Umdrehungen des Gebermagneten (1) repräsentieren.
Multiturn-Winkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Auslösen der Überdreh-Sicherung bei erneutem Eingriff von Spindel und Mutter der beim Eingriff ermittelte Betrag der Feldstärke mit den hinterlegten Stütz-Werten verglichen und die dem nächstliegenden Stütz-Wert zu Grunde liegende Umdrehungszahl zugrunde gelegt wird zuzüglich des ermittelten Teil-Drehwinkel des Gebermagneten (1).