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STAND DER
TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft einen induktiven Winkelsensor zum Messen des
Drehwinkels einer Welle mit einem Stator und einem Rotor.
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Ein
derartiger induktiver Winkelsensor ist aus der Druckschrift
DE 100 47 939 A1 bekannt.
Dieser induktive Winkelsensor weist eine Welle auf, an welcher der
Rotor befestigt ist. Die Welle ist an dem Stator gelagert. Durch
die Lagerung der Welle ist die Position des Rotors bezüglich des
Stators festgelegt. Zum Anschließen des induktiven Winkelsensors
an eine Welle eines Bauteils, deren Drehwinkel zu Messen ist, muss
die Welle des Rotors mit der Welle des Bauteils verbunden werden.
Dieses kann unmittelbar durch eine Verbindung der Wellen oder aber
unter Zwischenschaltung eines Getriebes erfolgen. Beide Möglichkeiten
weisen bedeutende Nachteile auf. Beiden Möglichkeiten gemeinsam ist dabei
der Nachteil, dass für
die Verbindung der Wellen besondere Verbindungsmittel vorgesehen
werden müssen.
Darüber hinaus
hat die unmittelbare Verbindung zwischen der Welle des Winkelsensors
und der Welle des Bauteils den Nachteil, dass axiale Kräfte, welche
auf die Welle des Bauteils wirken, unmittelbar auf den Winkelsensor
beziehungsweise dessen Welle und Rotor übertragen werden, was bei relativ
großem
Spiel der Welle des Bauteils zu einer Beschädigung oder Funktionsbeeinträchtigung
des Winkelsensors führen
kann. Die Übertragung
des Drehwinkels von der Welle des Bauteils auf die Welle des Sensors
unter Zwischenschaltung eines Getriebes mag zwar solche axialen Kräfte ausschließen, jedoch
bewirkt eine solche Übertragung
des Drehwinkels mittels eines Getriebes zusätzliche Ungenauigkeiten, welche
die Zuverlässigkeit
und die Genauigkeit des Winkelsensors herabsetzen.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Winkelsensor vorzuschlagen,
der einerseits einfach ohne zusätzliche
Verbindungsmittel mit der Welle des Bauteils verbunden werden kann und
andererseits eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Welle des Bauteils an einer ersten Seite des Winkelsensors
an den Winkelsensor anschließbar
ist und dass der Rotor eine zentrale Mitnehmerstruktur aufweist,
mit welcher die Welle an dem Rotor drehfest anschließbar ist.
Anders als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Sensor ist
bei dem erfindungsgemäßen Winkelsensor
der Rotor selbst nicht in dem beziehungsweise an dem Stator gelagert.
Der Rotor ist vielmehr erst nach dem Anschluss der Welle des Bauteils
an dem Rotor über diese
Welle gelagert. Besondere Verbindungsmittel zur Übertragung des Drehwinkels
der Welle des Bauteils auf den Rotors sind mit Ausnahme der zentralen Mitnehmerstruktur
nicht notwendig. Ein derartiger Winkelsensor kann durch einfaches
Aufstecken des Rotors mit der Welle des Bauteils, deren Drehwinkel zu
messen ist, verbunden werden. Dadurch ist eine exakte Übertragung
des Drehwinkels von der Welle des Bauteils auf den Rotor gewährleistet.
Die besondere Lagerung des Rotors an dem Stator wird dadurch unnötig und
kann eingespart werden.
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Die
zentrale Mitnehmerstruktur kann beispielsweise als zentrales Loch
in dem Rotor ausgeführt
sein. Dieses Loch hat dann vorteilhaft einen nicht kreisförmigen Querschnitt,
wodurch sicher gestellt ist, dass eine Welle mit einem korrespondierenden
Querschnitt drehfest mit dem Rotor verbunden werden kann. Ein besonders
geeigneter Querschnitt ist ein D-förmiger Querschnitt
für das
zentrale Loch.
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Der
Stator eines erfindungsgemäßen Winkelsensors
kann ein Gehäuse
mit einem den Rotor aufnehmenden Hohlraum umfassen. Sofern der Winkelsensor
dann mit dem Gehäuse
auf dem Bauteil mit der Welle angebracht wird, kann dieser Hohlraum durch
eine dichte Auflage des Gehäuses
auf dem Bauteil von der Umgebung abgeschlossen sein. Eventuell aus
einer Durchführung
der Welle aus dem Bauteil heraus austretendes beliebiges Medium
z.B. Öl
kann dann nicht in die Umgebung gelangen. Gemäß der Erfindung kann der Stator
ferner einen Schaltungsträger
umfassen, welcher beispielsweise die für die Funktion des Sensors
notwendigen elektronischen Bauelemente trägt.
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Vor
der Montage des Winkelsensors kann der Rotor durch einen Halter
in dem Hohlraum des Gehäuses
gesichert werden. Dieser Halter kann dabei dazu geeignet sein, den
Rotor und den Stator in einer definierten Lage zueinander zu halten
bis dass der Winkelsensor an dem Bauteil montiert und die Welle
in dem Rotor eingeführt
ist. Das Gehäuse
kann dazu in axialer Richtung, radialer Richtung und/oder Umfangsrichtung
mit dem Halter kraft- und/oder formschlüssig verbunden sein. Vorteilhaft
ist zur Festlegung der Lage von Rotor und Stator vor der Montage
des Winkelsensors in axialer Richtung, in radialer Richtung und/oder
in Umfangsrichtung kraft- und/oder formschlüssig so mit dem Halter verbunden sein,
dass zumindest nach dem Anschluss des Rotors an die Welle, deren
Drehwinkel zu messen ist, der Rotor gegenüber dem Halter frei drehbar
ist.
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Der
Winkelsensor und insbesondere der Halter des Winkelsensors kann
gemäß der Erfindung
einen zylindrischen Abschnitt aufweisen, der an einer endseitigen
umlaufenden Kante, die auf der ersten Seite des Winkelsensors liegt,
eine umlaufende Fase hat. Alternativ können auch andere Strukturen
an dem Winkelsensor vorgesehen sein, welche mit korrespondierenden
Strukturen an dem Bauteil sicher stellen, dass der Winkelsensor
in einer definierten Position zu dem Bauteil montierbar ist.
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Erfindungsgemäß kann der
Rotor in axialer Richtung zwischen dem Gehäuse und dem Halter angeordnet
sein, wobei der Abstand zwischen dem Gehäuse und dem Halter in axialer
Richtung dem maximalen für
die messtechnische Funktion des Winkelsensors tolerierbaren Abstand
von Gehäuse
und Rotor zuzüglich
der Dicke des Rotors entspricht.
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ZEICHNUNGEN
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Ein
Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen induktiven
Winkelsensor ist anhand der Zeichnung näher beschrieben.
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Darin
zeigt
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1 ein Gehäuse des
erfindungsgemäßen Winkelsensors
in einer Ansicht von unten,
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2 einen Schnitt durch das
Gehäuse
gemäß der Linie
II-II in 1,
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3 einen Rotor des erfindungsgemäßen Winkelsensors
in einer Draufsicht,
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4 einen Schnitt durch den
Rotor gemäß der Linie
IV-IV in 3,
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5 einen Halter des erfindungsgemäßen Winkelsensors
in einer Ansicht von unten,
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6 einen Schnitt durch den
Halter gemäß der Linie
VI-VI in 5 und
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7 einen Schnitt durch den
erfindungsgemäßen Winkelsensor
mit dem Gehäuse,
dem Rotor und dem Halter gemäß der vorstehenden
Figuren.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Das
in den 1 und 2 dargestellte Gehäuse 2 ist
Teil eines Stators (siehe 7,
Bezugszeichen 2, 7, 8), der zusammen
mit dem Rotor 4 und dem Halter 6 den erfindungsgemäßen Winkelsensor bildet.
Das Gehäuse 2 weist
einen hohlzylindrischen Abschnitt 25 auf, der an einer
Stirnseite mit einer Stirnwand 24 verschlossen ist, während die
gegenüberliegende
Stirnseite offen ist. Der hohlzylindrische Abschnitt 25 und
die Stirnwand 24 bilden so einen einseitig offenen im Querschnitt
kreisförmigen
Hohlraum 23. Im Zentrum der Stirnwand 24 ist ein
Loch 27 mit einem kreisförmigen Querschnitt vorgesehen.
Auf der Stirnwand 24 ist am Rand zu dem Loch 27 ein
in den Hohlraum das Loch 27 ragender, umlaufender Bund 28 vorgesehen.
Ferner sind in dem hohlzylindrischen Abschnitt 25, d.h.
in den Wandungen dieses hohlzylindrischen Abschnitts 25,
Ausnehmungen 26 ausgeformt.
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Auf
der dem Hohlraum 23 abgewandten Seite der Stirnwand 24 weist
das Gehäuse
eine Vertiefung 30 auf, in welche ein Schaltungsträger 7 einlegbar
ist. In diese Vertiefung 30 ragt ein Dorn 29 hinein, welcher
der positionsgenauen Befestigung des Schaltungsträgers 7 in
der Vertiefung 30 dient.
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In
der in den 1 und 2 gewählten Darstellung schließt sich
links an den hohlzylindrischen Abschnitt 25 des Gehäuses 2 eine
Steckverbinderbuchse 21 an. Diese Steckverbinderbuchse
weist auf der Außenseite
Rastnasen 22 zur formschlüssigen Rastverbindung der Steckverbinderbuchse
mit einem korrespondierenden Stecker auf, womit der induktive Winkelsensor 1 an
eine elektronische Schaltung angeschlossen werden kann.
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Auf
der Unterseite A des Gehäuses 2 ist
eine die Öffnung
des Hohlraums 23 umlaufende Ringnut 33 vorgesehen,
in welcher eine Ringdichtung 9 einlegbar ist, um den Winkelsensor
mit gegenüber
der Umgebung abgedichteten Hohlraum 23 an einem Bauteil
befestigen zu können.
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Im
rechten Winkel zu der Steckverbinderbuchse 21 erstrecken
sich von dem hohlzylindrischen Abschnitt 25 des Gehäuses 2 Haltelaschen 31 mit
Bohrungen 32, über
welche das Gehäuse 2 bzw. der
induktive Winkelsensor 1 an einem weiteren Bauteil, z.B.
dem Bauteil, von dem der Drehwinkel einer zu dem Bauteil gehörenden Welle
feststellbar sein soll, befestigbar ist.
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Der
in den 3 und 4 dargestellte Rotor 4 des
erfindungsgemäßen induktiven
Winkelsensors 1 weist eine Rotorstruktur 41, 42 aus
einem Metall auf. Die Rotorstruktur wird dabei durch sich radial
erstreckende Abschnitte 42 und sich in Umfangsrichtung erstreckende
Abschnitte 41 gebildet. Derartige Rotorstrukturen 41, 42 werden üblicherweise
als Metallstanzteile hergestellt, wobei aber auch andere Möglichkeiten,
beispielsweise Bedrucken oder Ähnliches möglich und
aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Rotorstruktur 41, 42 des
vorliegenden Rotors 4 ist als Metallstanzteil ausgebildet,
an welches eine Kunststoffstruktur angespritzt ist. Diese Kunststoffstruktur
weist eine Kreisscheibe 43 auf, in welche die Rotorstruktur 41, 42 eingebettet
(hinterspritzt) ist.
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Die
Kreisscheibe 43 weist vorteilhaft ein zentrales Loch 44 auf.
Das zentrale Loch 44 der dann gelochten Kreisscheibe 43 weist
einen D-förmigen Querschnitt
auf und im Bereich dieses zentralen Lochs erstreckt sich von der
der Rotorstruktur 41, 42 gegenüberliegenden Seite ein Stutzen 49 von
der gelochten Kreisscheibe 43 weg. Dieser Stutzen weist zwei
zu der Mittelachse der gelochten Kreisscheibe 43 und der
Rotorstruktur 41, 42 konzentrische zylindrische
Abschnitte auf, wobei ein erster Abschnitt sich unmittelbar an die
gelochte Kreisscheibe anschließt und
ein zweiter Abschnitt sich mit verringertem Außendurchmesser an diesen ersten
Abschnitt anschließt.
Dadurch wird zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt ein Absatz 47 gebildet,
an den sich die äußere Seitenwand 46 des
zweiten Abschnitts anschließt.
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Das
Loch 44 der gelochten Kreisscheibe 43 mit dem
D-förmigen
Querschnitt erstreckt sich durch den an die gelochte Kreisscheibe 43 angesetzten Stutzen 49 hindurch.
An den zweiten Abschnitt anschließend weist der Stutzen schließlich noch
einen dritten Abschnitt auf, in den sich ebenfalls das Loch 44 mit
seinem D-förmigen
Querschnitt fortsetzt und der eine im Querschnitt ebenfalls D-förmige Außenkontur
hat.
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Der
Stutzen 49 ist vorteilhaft an zwei gegenüberliegenden
Stellen mit parallel zu der Längsachse des
Rotors 4 erstreckenden Schlitzen 45 versehen. Das
D-förmige
Loch 44 in dem Stutzen und der gelochten Kreisscheibe 43 bildet
eine Mitnehmerstruktur, mit welcher der Rotor an einer Welle befestigt werden
kann, die einen entsprechenden D-förmigen Querschnitt hat. Der
Rotor ist somit zumindest in Umfangsrichtung und in radialer Richtung
formschlüssig auf
der Welle befestigbar. Durch die Schlitze 45 in dem Stutzen 49 des
Rotors 4 wird eine federnde Anlage des Stutzens an der
Welle ermöglicht,
wodurch auch eine in Maßen
kraftschlüssige
Verbindung zwischen der Welle und dem Rotor 4 ermöglicht wird,
die jedoch grundsätzlich
ein axiales Verschieben des Rotors auf der Welle ermöglicht.
Bei dem in 7 dargestellten
erfindungsgemäßen Sensor
ist diese kraftschlüssige
Verbindung zwischen Welle und Rotor 4 durch einen Sprengring 10 verstärkt, welcher auf
dem Absatz 47 um den Stutzen 49 gelegt ist, und seine
Spannkraft über
die Wandung 46 des zweiten Abschnitts des Stutzens 49 einleitet.
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An
der gelochten Kreisscheibe 43 ist auf der der Rotorstruktur 41, 42 abgewandten
Seite am äußeren Rand
ein zumindest abschnittsweise umlaufender Bund 48 vorgesehen,
der einer kraft- und formschlüssigen
Verbindung zwischen dem noch zu beschreibenden Halter 6 und
dem Rotor vor einer Montage des Winkelsensors an einem Bauteil dient.
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Der
in den 5 und 6 dargestellte Halter weist
einen hohlzylindrischen Abschnitt 68 auf, an welchen über Stege 64 Federelemente 65 befestigt sind.
Diese Federelemente werden durch Ringabschnitte von der Länge ungefähr eines
Viertelkreises gebildet, die mit einem Ende an den Stegen 64 befestigt
sind, während
die übrigen
Federelemente 65 auf Grund der Elastizität des für den Halter
verwendeten Kunststoffes gegenüber
dem zylindrischen Abschnitt 68 elastisch biegbar sind.
An den an den Stegen 64 angebundenen Enden der Federelemente 65 sind Nasen 66 angebracht,
die der Befestigung des Halters 6 in den Ausnehmungen 26 des
Gehäuses 2 dienen.
Dazu werden die Federelemente mit ihrem freien Enden nach außen gebogen,
so dass die Nasen 66 in die Ausnehmungen 26 des
Gehäuses 2 eingreifen
können.
Nach einem Entlasten der Federelemente 65 liegen die Nasen 66 kraft-
und formschlüssig
an den Rändern
der Ausnehmungen 26 an. Die freien Enden der Federelemente 65 sind
dann noch etwas nach außen
aus ihrer Ruhestellung ausgelenkt.
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Die
Federelemente 65 dienen weiter einer kraftschlüssigen Halterung
des Rotors 4 vor der Montage des Winkelsensors an einer
Welle. Dazu greifen die Federelemente 65 und insbesondere
die freien Enden der Federelemente 65 hinter den Bund 48 auf der
Unterseite des Rotors 4. Der Rotor 4 wird dadurch
in einer vorgegebenen Stellung nach dem Zusammenbau der Komponenten
gehalten, wobei die Auslenkung der Federelemente 65 nach
außen
den Kraftschluss zwischen Halter und Rotor verstärkt. Sobald jedoch in den Winkelsensor 1 das
Ende einer Welle eingeführt wird
und die Welle mit dem Rotor 4 verbunden wird, wird der
Rotor 4 durch den Druck der Welle von dem Halter 6 in
axialer Richtung heruntergeschoben, wodurch der Rotor von den Federelementen 65 freikommt.
Der Rotor ist dann frei gegenüber
dem Rotor verdrehbar. Durch die Fixierung des Rotors 4 gegenüber dem
Halter 6 und im Weiteren auch gegenüber dem Stator 4, 7, 8 nach
dem Zusammenbau und vorteilhaft einer Kalibrierung des Winkelsensors
jedoch vor der Montage des Winkelsensors an dem Bauteil kann eine
definierte Winkelposition des Rotors 4 gegenüber dem
Stator 4, 7, 8 vor der Montage des Winkelsensors 1 an
einer Welle erreicht werden. Sofern dann die Welle eine korrespondierende
Winkelstellung hat, kann der Winkelsensor durch einfaches Aufschieben
auf die Welle in der gewünschten
Montageposition an der Welle befestigt werden, ohne dass hier ein
Verdrehen der Welle oder des Rotors zueinander notwendig ist, um
die Welle mit ihrem D-förmigen
Endabschnitt in das im Querschnitt D-förmige Loch 44 des
Rotors einzuführen. Dieses
erleichtert insbesondere eine Montage des Winkelsensors 1 mittels
eines Montageautomaten, zum Beispiel eines Roboters.
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An
der Unterseite ist der hohlzylindrische Abschnitt 68 des
Halters 6 mit einem bündig
zum Ende des hohlzylindrischen Abschnitts 68 und nach innen gerichteten
umlaufenden Bund 62 versehen, welcher die Durchgangsöffnung 61 des
Halters 6 verengt. Der äußere Rand
des hohlzylindrischen Abschnitts 68 ist im Bereich der
Kante zwischen dem hohlzylindrischen Abschnitt 68 und dem
Bund 62 mit einer umlaufenden Fase 63 versehen.
Diese Fase dient einer vereinfachten Positionierung des Winkelsensors 1 an dem
Bauteil, aus welchem die Welle herausragt. Das Bauteil muss dann
lediglich mit der Fase 63 korrespondierende Strukturen
aufweisen, zum Beispiel Stege oder eine entsprechende Fase, welche
eine Zentrierung des Halters 6 und damit des gesamten Winkelsensors 1 an
dem Bauteil gewährleisten.
Dieses erleichtert insbesondere bei einer automatischen Montage
des Winkelsensors die Positionierung und den Anbau des Winkelsensors.
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Der
nach Innen in den hohlzylindrischen Abschnitt 68 hineinragende
Bund 62 hat einen Innendurchmesser, der größer ist
als der Außendurchmesser
des Sprengrings 10, wodurch nach einem Zusammenbau des
Sensors 1 gewährleistet
ist, dass der Sprengring 10 nicht. von dem zweiten Abschnitt des
Stutzens 49 des Rotors abrutschen kann und verloren geht.
Der Bund 62 sichert somit die Befestigung des Sprengrings 10 nach
dem Zusammenbau des Winkelsensors 1.
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Da
der Rotor 4 ohne eigene Lagerung zwischen dem Halter 6 und
dem Gehäuse 2 es
Winkelsensors 1 angebracht ist und der Rotor 4 erst
nach dem Anschluss der Welle gelagert ist, sind die axialen Toleranzen
der Positionen, zwischen denen sich der Rotor axial bewegen kann,
durch das Spiel der Welle bestimmt. Dieses Spiel kann dabei größer sein, als
der maximal tolerierbare beziehungsweise minimal tolerierbare Abstand
zwischen der Rotorstruktur 41, 42 und dem Stator 4, 7, 8,
insbesondere dem Schaltungsträger 7 des
Stators. Um das axiale Spiel des Rotors zu begrenzen, dient einerseits
der Bund 28 an der Stirnwand 24 des Gehäuses und
andererseits der Halter 4. Diese definieren extreme axiale Positionen,
die der Rotor einnehmen kann. Sofern das Spiel der Welle über diese
maximalen Positionen hinausgeht, sichert die axial verschiebbare
Anbringung des Rotors 4 auf der Welle, dass der Rotor auf der
Welle verschoben wird, um nicht die für die sichere Funktion des
Winkelsensors 1 notwendigen Abstände zu über- beziehungsweise unterschreiten.