DE19707122A1 - Induktiver Drehwinkelsensor - Google Patents
Induktiver DrehwinkelsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft induktive Drehwinkelsensoren ge
mäß den Oberbegriffen des Patentansprüche 1 und 2.
Derartige Drehwinkelsensoren sind aus der DE 43 35 594 A1
bekannt.
Beim bekannten Drehwinkelsensor besteht das Funktions
prinzip darin, daß durch eine Drehung eines drehbar in
nerhalb eines Spulenkörpers gelagerten magnetisch leit
fähigen Elementes das Verhältnis der Induktivitäten
zweier auf einen Spulenkörper gewickelter Spulenwick
lungen zueinander verändert wird. Eine derartige Anord
nung ist somit mit einem Transformator mit veränderba
rem Kopplungsgrad vergleichbar.
Zur Erzeugung eines den Drehwinkel charakterisierenden
Signals wird beim bekannten Drehwinkelsensor eine Wech
selspannung in die erste Spulenwicklung eingespeist.
Diese Wechselspannung induziert je nach dem Verhältnis
der Induktivitäten der beiden Spulenwicklungen zueinan
der in Abhängigkeit von der Winkellage des magnetisch
leitfähigen Elementes eine bestimmte Ausgangsspannung
in der zweiten Spulenwicklung. Das Verhältnis der
Amplitude dieser Ausgangsspannung zu der Amplitude der
in die erste Spulenwicklung eingespeisten Eingangsspan
nung stellt dann ein Maß für den sensierten Drehwinkel
dar.
Der Nachteil dieses Funktionsprinzips besteht darin,
daß für den Betrieb des Drehwinkelsensors ein hochfre
quentes Wechselspannungssignal benötigt wird, dessen
Kurvenform einen sinusförmigen Zeitverlauf aufweisen
sollte. Sensoren der gattungsgemäßen Art werden übli
cherweise in Verbindung mit elektronischen Systemen,
die die Auswertung der Sensorsignale durchführen, ein
gesetzt. Derartige elektronische Systeme sind in heuti
ger Zeit nahezu immer in Digitaltechnik ausgeführt. Da
diese Systeme zur Steuerung weiterer Funktionen neben
der Signalauswertung eines Sensors zumeist auch einen
Mikroprozessor aufweisen, ergibt sich die Notwendig
keit, daß Sensoren für derartige Systeme auch mit sol
chen Signalarten betrieben werden können, die in digi
talen elektronischen Systemen mit Mikroprozessoren vor
zugsweise eingesetzt werden. Zu diesen Signalen gehört
eine sinusförmige Wechselspannung jedoch nicht.
Ein Betrieb des bekannten Drehwinkelsensors mit einem
in der Digitaltechnik üblichen rechteckförmigen Wech
selspannungssignal hätte den Nachteil, daß durch die in
einem solchen Signal enthaltenen Oberwellen uner
wünschte und unter Umständen unvorhergesehene Reso
nanzeffekte auftreten können, die zu einer Verschlech
terung des elektronischen Systems hinsichtlich seiner
elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit anderen
elektronischen Systemen führen können.
Ein weiterer Nachteil des Funktionsprinzips des bekann
ten Drehwinkelsensors ist die Tatsache, daß auch als
Ausgangssignal in der zweiten Spulenwicklung ebenfalls
ein Wechselspannungssignal zur Verfügung steht. Da es
für die Sensierung des Drehwinkels erforderlich ist,
die Amplitude des Ausgangssignals zu messen, ist es in
einem digitalen elektronischen System notwendig, dieses
Signal durch einen Gleichrichter sowie gegebenenfalls
durch einen Verstärker in ein Gleichspannungssignal von
adäquater Größe umzuwandeln. Hierbei muß das Gleich
spannungssignal eine solche Größe aufweisen, die von
einem Analog/Digital-Wandler verarbeitet werden kann.
Elektronische Schaltungskomponenten wie Gleichrichter,
Verstärker und Analog/Digital-Wandler verursachen je
doch einen hohen schaltungstechnischen Aufwand und
sollten daher vermieden werden.
Zusätzlich zu den bereits genannten Nachteilen hat der
bekannte Drehwinkelsensor den weiteren Nachteil, daß
durch die Verwendung zweier Spulenwicklungen mindestens
drei, meistens jedoch sogar vier elektrische Anschlüsse
notwendig sind. Ein geeigneter Steckverbinder für den
Anschluß eines derartigen Drehwinkelsensors benötigt
daher wenigstens drei oder gegebenenfalls sogar vier
elektrische Kontakte. Für viele Anwendungen ist es je
doch vorteilhaft, Sensoren mit einer möglichst geringen
Anzahl von elektrischen Anschlüssen einzusetzen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen
induktiven Drehwinkelsensor in vereinfachter Ausfüh
rungsform mit einer möglichst geringen Anzahl von elek
trischen Anschlüssen anzugeben, der zudem in einem di
gitalen elektronischen System, vorzugsweise in einem
System mit einem Mikroprozessor, ohne Verwendung analoger
Schaltungsmittel eingesetzt werden kann.
Unter analogen Schaltungsmitteln sollen in diesem Zu
sammenhang solche elektronischen Schaltungsmittel ver
standen werden, die ausschließlich oder in besonderer
Weise geeignet für die Verarbeitung analoger Signale
sind, wie z. B. Gleichrichter, Analog/Digital-Wandler,
Analogverstärker, Sinusgenerator.
Die oben genannte Aufgabe wird durch die in den Patent
ansprüchen 1 und 2 angegebenen Ausgestaltungen der Er
findung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Aus
führungsformen der Erfindung sind in den Unteransprü
chen angegeben.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Spule
nur eine einzige Wicklung aufweist. Daher weist der er
findungsgemäße Drehwinkelsensor nur zwei elektrische
Anschlüsse auf. Durch die Verwendung einer Spule mit
nur einer Wicklung besteht beim erfindungsgemäßen Dreh
winkelsensor das Funktionsprinzip darin, durch eine Änderung
des Drehwinkels, der sensiert werden soll, die
Eigeninduktivität der Spule zu ändern. Durch diese Ei
genschaft ist der Drehwinkelsensor besonders geeignet
für den Anschluß an ein digitales elektronisches Sy
stem, vorzugsweise mit einem Mikroprozessor, wobei nur
sehr wenige weitere Schaltungsmittel benötigt werden.
Eine Ausführungsform von derartigen weiteren Schal
tungsmitteln sowie ein dazugehöriges Auswerteverfahren,
das für die erfindungsgemäßen Drehwinkelsensoren geeig
net ist, ist in der DE 43 13 273 A1 angegeben. Daher
soll an dieser Stelle nur kurz ein geeignetes Auswerte
verfahren erläutert werden.
Ein geeignetes Auswerteverfahren besteht darin, daß von
einem Mikroprozessor ein rechteckförmiger Impuls in die
Spule des Drehwinkelsensors eingespeist wird. Bei ge
eigneter Wahl der Schaltungsmittel kann aus der Dauer
des Abklingens des Impulses bis auf einen Schwellenwert
die Eigeninduktivität der Spule bestimmt werden. Der zu
sensierende Drehwinkel wird somit mittels einer Zeit
messung bestimmt. Ein derartiges Auswerteverfahren ist
deswegen besonders vorteilhaft, weil sich Mikroprozes
soren naturgemäß in besonderer Weise für die Messung
von Zeitdifferenzen sowie zur Erzeugung von rechteck
förmigen Impulsen eignen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Spule
wenigstens zum Teil mit magnetisch leitfähigem Material
umgeben. Das magnetisch leitfähige Material ist dann
besonders vorteilhaft angeordnet, wenn es senkrecht
oder nahezu senkrecht zur Längsachse der Spule angeord
net ist. Es ist auch vorteilhaft, das magnetisch leit
fähige Material parallel oder nahezu parallel zur
Längsachse der Spule anzuordnen. Auch eine Kombination
dieser beiden Möglichkeiten ist vorteilhaft. Durch jede
dieser Maßnahmen wird der magnetische Widerstand, den
der magnetische Fluß durch die Spule zu überwinden hat,
verringert. Hierdurch wird die Empfindlichkeit des
Drehwinkelsensors erhöht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist
wenigstens ein Teil des magnetisch leitfähigen Materi
als in wenigstens einem der Endbereiche der Spule ange
ordnet. Als Endbereiche der Spule werden hier die offe
nen, nicht durch die Windungen der Spulenwicklung um
schlossenen Bereiche der Spule angesehen. Hierdurch ist
es möglich, durch eine Änderung des Drehwinkels den Ab
stand zwischen dem magnetisch leitfähigen Element und
dem magnetisch leitfähigen Material von einem sehr
kleinen Wert bis zu einem im Verhältnis dazu sehr gro
ßen Wert veränderbar zu machen. Hierdurch wird die Emp
findlichkeit des Drehwinkelsensors insbesondere bei
kleinen Änderungen des Drehwinkels durch eine weitere
Verringerung des magnetischen Widerstands weiter er
höht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist
das magnetisch leitfähige Element so ausgebildet, daß
es im Verhältnis zu seiner Länge eine geringe Dicke
aufweist. Hierdurch wird die Herstellung des magnetisch
leitfähigen Elementes in besonders günstiger Weise ver
einfacht. Das magnetisch leitfähige Element kann z. B.
durch Stanzen aus einer Blechplatte hergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das
magnetisch leitfähige Element so angeordnet, daß es um
seine Drehachse in eine beliebige Winkellage gedreht
werden kann. Dies bedeutet, daß das magnetisch leitfä
hige Element auch bei einer vollständigen Drehung kei
ner mechanischen Begrenzung unterworfen ist. Hierdurch
wird eine Beschädigung durch unsachgemäße Anwendung des
Drehwinkelsensors vermieden. Ein weiterer Vorteil die
ser Ausführungsform ist, daß der Drehwinkelsensor in
einfacher Weise in verschiedenen Einbaulagen montiert
werden kann.
In einer weiteren Weiterbildung ist das magnetisch
leitfähige Element an einer Welle befestigt, die um die
Drehachse drehbar ist. Eine solche Welle kann direkt
zur Erfassung des Drehwinkels verwendet werden, indem
sie mit dem zu sensierenden Element mechanisch verbun
den wird. Die Befestigung des magnetisch leitfähigen
Elementes an der Welle kann z. B. durch Schweißen, Lö
ten, Kleben oder Verschrauben erfolgen. Es ist jedoch
auch möglich, die Welle z. B. als Kunststoffspritzteil
derart auszubilden, daß sie das magnetisch leitfähige
Element formschlüssig aufnimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das
magnetisch leitfähige Element in einer rechteckigen
oder quadratischen Form ausgebildet. Hierdurch ist es
bei entsprechender Anordnung innerhalb der Spule mög
lich, eine weitere Verringerung des magnetischen Wider
standes und somit eine Erhöhung der Empfindlichkeit des
Drehwinkelsensors zu bewirken, indem die äußere Kontur
des magnetisch leitfähigen Elementes parallel oder na
hezu parallel zu dem einen Teil des magnetisch leitfä
higen Materials verläuft, das in wenigstens einem der
Endbereiche der Spule angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Spule
in Kastenform mit rechteckigem oder quadratischem Quer
schnitt ausgeführt. Im Gegensatz zu der sonst üblichen
zylinderförmigen Ausführung einer Spule hat diese Bau
weise den Vorteil, daß eine Anpassung an die Form des
magnetisch leitfähigen Elementes möglich ist, wenn die
ses ebenfalls eine rechteckige oder quadratische Form
aufweist. In diesem Fall kann der Innenraum der Spule
weitestgehend mit dem magnetisch leitfähigen Element
ausgefüllt werden, ohne daß die Drehbewegung des magne
tisch leitfähigen Elementes mechanisch begrenzt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die
Spule innerhalb einer weiteren Spule, die ebenfalls
eine einzige Wicklung aufweist, angeordnet. Das magne
tisch leitfähige Element befindet sich dann innerhalb
beider Spulen. Durch eine Drehung des magnetisch leit
fähigen Elementes um seine Drehachse werden dann die
Eigeninduktivitäten beider Spulen verändert. Hierdurch
ist es möglich, dieselbe Drehwinkelgröße über verschie
dene Stromkreise verschiedenen elektronischen Systemen
zugänglich zu machen, wobei die Stromkreise galvanisch
voneinander getrennt sind. Dadurch können mehrere elek
tronische Systeme unabhängig voneinander dieselbe Dreh
winkelgröße erfassen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Ausgestaltung gemäß
Patentanspruch 2 weist eine besondere Ausbildung der
Querschnittskontur des magnetisch leitfähigen Elementes
auf. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ist das
magnetisch leitfähige Element als ein Sektor eines ro
tationssymmetrischen Körpers, dessen Symmetrieachse im
wesentlichen parallel zu der Drehachse des magnetisch
leitfähigen Elementes angeordnet ist, ausgebildet. Der
rotationssymmetrische Körper kann prinzipiell eine be
liebige Innen- oder Außenkontur aufweisen, d. h. es kann
auch ein Hohlkörper oder ein Körper mit beliebig ge
krümmter Kontur verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser
Ausgestaltung wird vorzugsweise ein Sektor eines Kreis
zylinders oder eines Kegelstumpfes als magnetisch leit
fähiges Element verwendet. Hierdurch ist das magnetisch
leitfähige Element einfach herzustellen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung dieser
Ausgestaltung weist das in einem Endbereich des magne
tisch leitfähigen Elementes angeordnete magnetisch
leitfähige Teil eine im wesentlichen gerade Kontur sei
ner der Drehachse des magnetisch leitfähigen Elementes
zugewandten Stirnseite auf. In Verbindung mit der Aus
bildung des magnetisch leitfähigen Elementes als Sektor
eines Kreiszylinders oder eines Kegelstumpfes wird bei
dessen Verdrehung um einen bestimmten Drehwinkel eine
von diesem Drehwinkel abhängige Überdeckungsfläche die
ser beiden Teile hervorgerufen, die sich im wesentli
chen linear mit dem Drehwinkel ändert. Der magnetische
Fluß durch die Spule wird vorzugsweise im Bereich der
Überdeckungsfläche, wo der magnetische Widerstand der
Anordnung besonders gering ist, weitergeleitet.
Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung des
magnetisch leitfähigen Elementes und des hiermit in
Wirkverbindung stehenden magnetisch leitfähigen Teils
ist es möglich, eine in vielen Anwendungsfällen er
wünschte lineare Abhängigkeit der Induktivität des
Drehwinkelsensors, die im wesentlichen linear von der
Überdeckungsfläche abhängig ist, zu dem Drehwinkel zu
erreichen. Zusätzlich ist es möglich, in einer bestimm
ten, als Null-Lage definierten Winkellage, in der das
magnetisch leitfähige Element keine Überdeckungsfläche
mit dem magnetisch leitfähigen Teil aufweist, einen im
Verhältnis zu den anderen Winkellagen sehr großen
magnetischen Widerstand der Anordnung und somit eine
besonders geringe Induktivität des Drehwinkelsensors zu
bewirken. Hierdurch kann ein besonders großer Wertebe
reich der Induktivität und somit eine gute Auflösung
der zu sensierenden Winkelmeßwerte erzielt werden.
Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele
unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung des
Drehwinkelsensors gemäß Patentanspruch 1 mit
einer Schnittebene, die senkrecht zur Drehachse
des magnetisch leitfähigen Elementes verläuft
und
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Drehwinkelsensors
gemäß Fig. 1 und der Weiterbildung gemäß Pa
tentanspruch 11 mit einer Schnittebene, die
senkrecht zur Längsachse der Spule verläuft und
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Drehwinkelsensors
gemäß Patentanspruch 2 mit einer Schnittebene,
die parallel zur Drehachse des magnetisch leit
fähigen Elementes verläuft und
Fig. 4 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des
Drehwinkelsensors gemäß Patentanspruch 2 mit
einer Blickrichtung, die parallel zur Drehachse
des magnetisch leitfähigen Elementes verläuft.
In den Fig. 1 und 2 einerseits und den Fig. 3 und 4 an
dererseits werden gleiche Bezugszeichen für Teile mit
vergleichbaren Funktionen verwendet.
Die in Fig. 1 dargestellte Ansicht zeigt eine Ausfüh
rungsform des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors mit
einer Spule (1), die Windungen (2) aufweist. Die Win
dungen (2), die z. B. aus lackiertem Draht bestehen
können, sind in einer bevorzugten Ausführungsform um
einen Spulenkörper (8) gewickelt. Es ist jedoch für die
Funktion des Drehwinkelsensors nicht unbedingt erfor
derlich, einen Spulenkörper (8) zu verwenden. Der Spu
lenkörper (8) ist vorzugsweise aus einem Material ge
fertigt, das nicht magnetisch leitfähig ist, wie z. B.
Polyamid. Die Windungen (2) bestehen aus einem einzigen
um den Spulenkörper (8) gewickelten Draht. Sie können
aber auch aus mehreren durch eine Reihenschaltung mit
einander verbundenen Drähten bestehen, die z. B. in
mehreren nebeneinander angeordneten Kammern des Spulen
körpers (8) liegen. Die Spule (1) besteht in jedem Fall
aus einer einzigen Wicklung und weist aus diesem Grunde
nur zwei elektrische Anschlüsse auf, die in der Fig. 1
jedoch nicht dargestellt sind. Die Spule (1) weist zu
dem eine Längsachse (5) auf.
Innerhalb der Spule (1) befindet sich ein magnetisch
leitfähiges Element (3), das aus einem magnetisch leit
fähigen Material wie z. B. Relaiswerkstoff gemäß DIN
17 405 besteht. Das magnetisch leitfähige Element (3)
ist um eine Drehachse (4) drehbar angeordnet. Das mag
netisch leitfähige Element (3) ist an einer Welle (9)
befestigt, die zur mechanischen Übertragung der zu sen
sierenden Drehbewegung dient. Die Längsachse der Welle
(9) entspricht hierbei der Drehachse (4) des magnetisch
leitfähigen Elementes (3).
Zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Drehwinkelsen
sors ist die bisher beschriebene Anordnung an mehreren
Seiten mit magnetisch leitfähigem Material (6, 7) umge
ben. Das magnetisch leitfähige Material (6, 7) dient
zur Verringerung des magnetischen Widerstands, den der
magnetische Fluß zu überwinden hat. Als magnetisch
leitfähiges Material (6, 7) kann z. B. das gleiche Ma
terial verwendet werden wie für das magnetisch leitfä
hige Element (3).
Das magnetisch leitfähige Material (6, 7) kann z. B.
aus Blechstücken angefertigt werden. Es sind dann je
weils zwei Blechstücke (6) gleicher Form in den Endbe
reichen der Spule (1) senkrecht oder nahezu senkrecht
zur Spulenachse (5) angeordnet. Zwei weitere Blech
stücke (7) gleicher Form sind parallel oder nahezu par
allel zur Längsachse (5) der Spule (1) angeordnet. Die
Blechstücke (6, 7) bilden dadurch eine geschlossene
oder nahezu geschlossene kastenförmige Anordnung, die
einen geringen magnetischen Widerstand aufweist. Je
nach Ausbildung des Drehwinkelsensors können die Blech
stücke (6) auch eine andere Form aufweisen als die
Blechstücke (7). Selbstverständlich ist es auch mög
lich, das magnetisch leitfähige Material (6, 7) z. B.
aus nur einem abgewinkelten Blechstück anzufertigen.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor funktioniert in
folgender Weise:
Es soll zunächst angenommen werden, daß sich das magne tisch leitfähige Element (3) in der Darstellung gemäß Fig. 1 in seiner Null-Lage befindet. In dieser Lage er reicht der Abstand zwischen dem magnetisch leitfähigen Element (3) und dem magnetisch leitfähigen Material (6) seinen kleinsten Wert. Der magnetische Fluß kann bei dieser Lage des magnetisch leitfähigen Elementes (3) nahezu seinen gesamten Weg innerhalb des Materials mit hoher magnetischer Leitfähigkeit zurücklegen, indem er durch das magnetisch leitfähige Element (3) sowie durch die Blechstücke (6) und (7) fließt. Nur einen geringen Teil seines Weges legt der magnetische Fluß dann in dem den Drehwinkelsensor umgebenden Medium, das im allge meinen eine geringe magnetische Leitfähigkeit aufweist, wie z. B. Luft, zurück. Der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises ist somit gering. Hierdurch ist die Induktivität des Drehwinkelsensors groß.
Es soll zunächst angenommen werden, daß sich das magne tisch leitfähige Element (3) in der Darstellung gemäß Fig. 1 in seiner Null-Lage befindet. In dieser Lage er reicht der Abstand zwischen dem magnetisch leitfähigen Element (3) und dem magnetisch leitfähigen Material (6) seinen kleinsten Wert. Der magnetische Fluß kann bei dieser Lage des magnetisch leitfähigen Elementes (3) nahezu seinen gesamten Weg innerhalb des Materials mit hoher magnetischer Leitfähigkeit zurücklegen, indem er durch das magnetisch leitfähige Element (3) sowie durch die Blechstücke (6) und (7) fließt. Nur einen geringen Teil seines Weges legt der magnetische Fluß dann in dem den Drehwinkelsensor umgebenden Medium, das im allge meinen eine geringe magnetische Leitfähigkeit aufweist, wie z. B. Luft, zurück. Der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises ist somit gering. Hierdurch ist die Induktivität des Drehwinkelsensors groß.
Durch eine Drehung der Welle (9) in eine beliebige
Richtung verändert sich in gleicher Weise die Winkel
lage des magnetisch leitfähigen Elementes (3). Hierbei
vergrößert sich der Abstand zwischen dem magnetisch
leitfähigen Element (3) und dem Blechstück (6). Somit
vergrößert sich auch der Weg, den der magnetische Fluß
in dem den Drehwinkelsensor umgebenden Medium mit ge
ringer magnetischer Leitfähigkeit zurücklegen muß.
Hierdurch erhöht sich der magnetische Widerstand des
magnetischen Kreises, und die Induktivität des Drehwin
kelsensors verringert sich.
Die Induktivität erreicht ihren kleinsten Wert bei ei
ner Winkellage von 90 Grad, ausgehend von der
Null-Lage. Bei einer weiteren Vergrößerung des Drehwinkels
erhöht sich die Induktivität wieder bis zu ihrem größt
möglichen Wert, der bei einer Winkellage von 180 Grad
erreicht wird. Dieses Verhalten wiederholt sich nach
jeder weiteren halben Drehung der Welle (9) bzw. des
magnetisch leitfähigen Elementes (3).
In der Fig. 2 ist ein weiterer Schnitt durch den Dreh
winkelsensor gemäß Fig. 1 dargestellt (Schnittebene A).
Die Lage der Schnittebene A ist in der Fig. 1 darge
stellt. In der Fig. 2 sind die einzelnen Windungen (2)
der Spule (1) nicht dargestellt. Die Blechstücke (6)
sind zur Vereinfachung der Darstellung ebenfalls nicht
dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt zusätzlich zu den in der Fig. 1 darge
stellten Teilen des Drehwinkelsensors noch eine weitere
Spule (10) zur Erzeugung eines weiteren Drehwinkel
signals, das vom Drehwinkelsignal der Spule (1) galva
nisch getrennt ist. Die weitere Spule (10) weist eben
falls eine einzige Wicklung auf, die aus Windungen be
steht, die entweder um einen weiteren Spulenkörper oder
direkt um die Spule (1) gewickelt sind. Statt des wei
teren Spulenkörpers kann zwischen den Spulen (1, 10)
auch ein anderes Material, das nicht magnetisch leit
fähig ist, angeordnet werden. In jedem Fall ist aber
die Spule (1) innerhalb der Spule (10) angeordnet. Die
Änderung der Eigeninduktivitäten der Spulen (1, 10)
wird dann durch eine Änderung der Winkellage eines ein
zigen magnetisch leitfähigen Elementes (3) bewirkt. Ein
weiteres drehbar angeordnetes magnetisch leitfähiges
Element wird nicht benötigt.
Das magnetisch leitfähige Element (3) kann prinzipiell
eine beliebige Form aufweisen. Vorteilhaft ist es je
doch, das magnetisch leitfähige Element (3) in einer
solchen Form auszubilden, daß es bei einer bestimmten
Winkellage, z. B. bei der in der Fig. 1 dargestellten
Horizontallage, einen möglichst geringen Abstand zu dem
magnetisch leitfähigen Material (6) aufweist. Daher ist
es besonders günstig, das magnetisch leitfähige Element
(3) als ein flaches Blechstück mit rechteckförmiger
Kontur auszubilden. Das magnetisch leitfähige Element
(3) kann zur Verringerung von Wirbelströmen auch aus
mehreren dünnen Blechstücken gebildet werden.
Eine Art der Anordnung des magnetisch leitfähigen Ele
mentes (3) an der Welle (9) ist in den Fig. 1 und 2
dargestellt. In einer anderen Anordnungsart kann das
magnetisch leitfähige Element (3) jedoch auch senkrecht
zu der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Lage an der
Welle (9) befestigt werden. In diesem Fall ist es vor
teilhaft, die den Blechstücken (6) zugewandten Stirn
flächen (12) des magnetisch leitfähigen Elementes (3)
mit Abrundungen zu versehen.
Die Spule (1) kann grundsätzlich eine beliebige Quer
schnittsform aufweisen. Besonders günstig ist es je
doch, die Querschnittsform der Spule (1) an die Kontur
des magnetisch leitfähigen Elementes (3) anzupassen.
Bei Verwendung eines magnetisch leitfähigen Elementes
(3) mit einer rechteckförmigen Kontur ist es daher vor
teilhaft, die Spule (1) kastenförmig mit rechteckigem
Querschnitt auszubilden. Hierdurch kann ein besonders
kompakter Aufbau des Drehwinkelsensors in Verbindung
mit einer besonders guten Empfindlichkeit erreicht wer
den. Durch die Anordnung der Welle (9) im mittleren Be
reich der Spule (1) sowie durch symmetrische Anordnung
des magnetisch leitfähigen Elementes (3) an der Welle
(9) ist es dann außerdem möglich, das magnetisch leit
fähige Element (3) mittels der Welle (9) um einen be
liebigen Drehwinkel zu drehen, ohne daß diese Drehbewe
gung durch Teile des Drehwinkelsensors mechanisch be
grenzt wird.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Drehwinkelsensors weist ebenfalls wie die
Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 eine Spule (1), die
auf einen Spulenkörper (8) gewickelt ist, ein an einer
Welle (9) befestigtes magnetisch leitfähiges Element
(3) sowie die Blechstücke (6, 7) aus magnetisch leitfä
higem Material auf. Die Welle (9) ist ebenfalls um die
Drehachse (4) drehbar. Die Windungen (2) der Spule (1)
sind in dieser Darstellung nicht gezeigt.
Im Gegensatz zu der in der Fig. 1 dargestellten Ausfüh
rungsform des Drehwinkelsensors ist hier die Drehachse
(4) des magnetisch leitfähigen Elementes (3) parallel
oder nahezu parallel zur Längsachse (5) der Spule (1)
angeordnet. Die Drehachse (4) kann gemäß der Darstel
lung in der Fig. 3 natürlich auch genau mit der Längs
achse (5) übereinstimmen. Zusätzlich zu der in Fig. 1
und 2 dargestellten Ausführungsform weist diese Ausfüh
rungsform ein magnetisch leitfähiges Teil (11) auf, das
in einem Endbereich des magnetisch leitfähigen Elemen
tes (3) angeordnet ist. Das magnetisch leitfähige Teil
(11) ist unbeweglich zur Spule (1) z. B. am Spulenkör
per (8) befestigt. Das magnetisch leitfähige Teil (11)
kann ebenso wie das magnetisch leitfähige Material (6,
7) als flaches Blechstück ausgebildet sein. Es ist auch
möglich, die Blechstücke (6, 7, 11) einstückig auszu
bilden, z. B. als abgewinkeltes Blechstück.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 erfolgt eine Ände
rung des magnetischen Widerstandes, den der magnetische
Fluß durch die Spule (1) überwinden muß, ebenfalls
durch eine Änderung der Winkellage des magnetisch leit
fähigen Elementes (3) mittels der Welle (9). Durch eine
Drehung der Welle (9) wird der Abstand zwischen dem ma
gnetisch leitfähigen Element (3) und den Blechstücken
(6, 11) verändert. Ausgehend von der in der Fig. 3 dar
gestellten Winkellage des magnetisch leitfähigen Ele
mentes (3), bei der sich das magnetisch leitfähige Ele
ment (3) vollständig außerhalb des durch die Blech
stücke (6, 7, 11) umgebenen Raumes befindet, wird durch
Verdrehen der Welle (9) der zuvor genannte Abstand ver
ringert, und das magnetisch leitfähige Element (3) ver
lagert sich in den durch die Blechstücke (6, 7, 11) um
gebenen Raum. Hierbei überdeckt sich das magnetisch
leitfähige Element (3) wenigstens zum Teil mit den
Blechstücken (6, 7) in Wirkrichtung des magnetischen
Flusses. Nach einer halben Umdrehung der Welle (9) er
reicht der magnetische Widerstand seinen kleinsten Wert
und die Eigeninduktivität des Drehwinkelsensors er
reicht ihren größten Wert.
Durch die Wahl einer geeigneten Querschnittskontur des
magnetisch leitfähigen Elementes (3), wie z. B. ein
Halbkreis oder ein Rechteck, kann die Kennlinie des
Drehwinkelsensors an die jeweiligen Erfordernisse ange
paßt werden.
In der Fig. 4 ist eine derartige geeignete Quer
schnittskontur des magnetisch leitfähigen Elementes (3)
sowie die entsprechende Anordnung des magnetisch leit
fähigen Teils (11) dargestellt, durch die einerseits
ein besonders großer Wertebereich der Induktivität des
Drehwinkelsensors und außerdem eine im wesentlichen li
neare Abhängigkeit der Induktivität von dem Drehwinkel
erzielt werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das magnetisch leit
fähige Element (3) als ein Sektor eines Kreiszylinders
ausgebildet. Die der Drehachse (4) zugewandte Stirn
fläche (13) des magnetisch leitfähigen Teils (11) weist
eine gerade Kontur auf. Hierbei wird das lineare Ver
halten des Drehwinkelsensors durch die im wesentlichen
lineare Abhängigkeit der Überdeckungsfläche (14), die
sich zwischen dem magnetisch leitfähigen Element (3)
und dem magnetisch leitfähigen Teil (11) bildet, von
dem Drehwinkel erreicht.
Zur Erzielung eines möglichst großen Wertebereiches der
Induktivität ist es notwendig, in wenigstens einer Win
kellage des magnetisch leitfähigen Elementes eine mög
lichst geringe Überdeckungsfläche (14) zu erreichen
oder sogar eine Überdeckung ganz zu vermeiden. Daher
ist der Öffnungswinkel des Zylindersektors (3) in die
sem Ausführungsbeispiel kleiner oder gleich 180 Grad.
Es ist jedoch auch möglich, das magnetisch leitfähige
Teil (11) mit zwei in einem Winkel zueinander angeord
neten Stirnseiten (13) zu versehen und gegebenenfalls
den Öffnungswinkel des Zylindersektors (3) zu vergrö
ßern. Hierbei sind die Öffnungswinkel derart aneinander
anzupassen, daß in einer bestimmten Winkellage eine
Überdeckung zwischen den Teilen (3, 11) vermieden wird.
Bei Verwendung eines Halbzylinders als magnetisch leit
fähiges Element (3) in Verbindung mit einem magnetisch
leitfähigen Teil (11) mit einer geraden Kontur ist es
vorteilhaft, die Drehachse (4) außerhalb des von dem
magnetisch leitfähigen Teil (11) überdeckten Bereiches
anzuordnen. Hierdurch kann ebenfalls in einer bestimm
ten Winkellage eine Überdeckung zwischen den Teilen (3,
11) vermieden werden.
Claims (20)
1. Drehwinkelsensor mit folgenden Merkmalen:
- a) es ist eine Spule (1) vorhanden, die Windungen (2) aufweist,
- b) innerhalb der Spule (1) befindet sich ein magne tisch leitfähiges Element (3),
- c) das magnetisch leitfähige Element (3) ist so an geordnet, daß es um eine Drehachse (4) drehbar ist,
- d) ein Bereich der Drehachse (4) befindet sich in nerhalb der Spule (1),
- e) die Drehachse (4) des magnetisch leitfähigen Elementes (3) ist senkrecht oder nahezu senk recht zur Längsachse (5) der Spule (1) angeord net,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- f) die Spule (1) weist eine einzige Wicklung auf.
2. Drehwinkelsensor mit folgenden Merkmalen:
- a) es ist eine Spule (1) vorhanden, die Windungen (2) aufweist,
- b) innerhalb der Spule (1) befindet sich ein magne tisch leitfähiges Element (3),
- c) das magnetisch leitfähige Element (3) ist so an geordnet, daß es um eine Drehachse (4) drehbar ist,
- d) ein Bereich der Drehachse (4) befindet sich in nerhalb der Spule (1),
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- e) die Drehachse (4) des magnetisch leitfähigen Elementes (3) ist parallel oder nahezu parallel zur Längsachse (5) der Spule (1) angeordnet,
- f) die Spule (1) weist eine einzige Wicklung auf,
- g) ein magnetisch leitfähiges Teil (11) ist in ei nem Endbereich des magnetisch leitfähigen Ele mentes (3) unbeweglich zur Spule (1) angeordnet.
3. Drehwinkelsensor nach Patentanspruch 1 oder 2, ge
kennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) die Spule (1) ist wenigstens zum Teil mit magne tisch leitfähigem Material (6, 7) umgeben,
- b) wenigstens ein Teil (6) des magnetisch leitfähi gen Materials (6, 7) ist senkrecht oder nahezu senkrecht zur Längsachse (5) der Spule (1) ange ordnet.
4. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- a) die Spule (1) ist wenigstens zum Teil mit magne tisch leitfähigem Material (6, 7) umgeben,
- b) wenigstens ein Teil (7) des magnetisch leitfähi gen Materials (6, 7) ist parallel oder nahezu parallel zur Längsachse (5) der Spule (1) ange ordnet.
5. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- a) die Spule (1) weist Endbereiche auf,
- b) wenigstens ein Teil (6) des magnetisch leitfähi gen Materials (6, 7) ist in wenigstens einem der Endbereiche der Spule (1) angeordnet.
6. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
magnetisch leitfähige Element (3) im Verhältnis zu
seiner Länge eine geringe Dicke aufweist.
7. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
magnetisch leitfähige Element (3) um seine
Drehachse (4) in eine beliebige Winkellage gedreht wer
den kann.
8. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
magnetisch leitfähige Element (3) an einer Welle
(9) befestigt ist, die um die Drehachse (4) drehbar
ist.
9. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
magnetisch leitfähige Element (3) eine rechteckige
oder quadratische Form aufweist.
10. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Spule (1) in Kastenform mit rechteckigem oder qua
dratischem Querschnitt ausgeführt ist.
11. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Spule (1) innerhalb einer weiteren Spule (10), die
ebenfalls eine einzige Wicklung aufweist, angeord
net ist.
12. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 2 bis 5, 7, 8, 10 oder 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß das magnetisch leitfähige Element
(3) als Sektor eines rotationssymmetrischen Kör
pers, dessen Symmetrieachse parallel oder nahezu
parallel zu der Drehachse (4) angeordnet ist, aus
gebildet ist.
13. Drehwinkelsensor nach Patentanspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Körper
ein Kreiszylinder ist.
14. Drehwinkelsensor nach Patentanspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Körper
ein Kegelstumpf ist.
15. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 2 bis 5, 7, 8, 10 oder 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß das magnetisch leitfähige Element
(3) als Halbzylinder, dessen Längsachse parallel
oder nahezu parallel zu der Drehachse (4) angeord
net ist, ausgebildet ist.
16. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
der Drehachse (4) zugewandte Stirnseite (13) des
magnetisch leitfähigen Teils (11) im wesentlichen
eine gerade Kontur aufweist.
17. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
Drehachse (4) außerhalb des von dem magnetisch
leitfähigen Teil (11) überdeckten Bereiches ange
ordnet ist.
18. Drehwinkelsensor nach wenigstens einem der Patent
ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
Drehachse (4) außerhalb des von dem magnetisch
leitfähigen Teil (11) und dem magnetisch leitfähi
gen Material (6, 7) umschlossenen Raumes angeordnet
ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19707122A DE19707122A1 (de) | 1996-03-23 | 1997-02-22 | Induktiver Drehwinkelsensor |
DE59704702T DE59704702D1 (de) | 1996-03-23 | 1997-03-08 | Induktiver Drehwinkelsensor |
EP97103910A EP0797078B1 (de) | 1996-03-23 | 1997-03-08 | Induktiver Drehwinkelsensor |
US08/822,188 US5867022A (en) | 1996-03-23 | 1997-03-20 | Inductive angle-of-rotation sensor having rotatable magnetically conductive element within single winding coil |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19611488 | 1996-03-23 | ||
DE19707122A DE19707122A1 (de) | 1996-03-23 | 1997-02-22 | Induktiver Drehwinkelsensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19707122A1 true DE19707122A1 (de) | 1997-09-25 |
Family
ID=7789177
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19707122A Withdrawn DE19707122A1 (de) | 1996-03-23 | 1997-02-22 | Induktiver Drehwinkelsensor |
DE59704702T Expired - Lifetime DE59704702D1 (de) | 1996-03-23 | 1997-03-08 | Induktiver Drehwinkelsensor |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE59704702T Expired - Lifetime DE59704702D1 (de) | 1996-03-23 | 1997-03-08 | Induktiver Drehwinkelsensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (2) | DE19707122A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017186323A1 (de) | 2016-04-30 | 2017-11-02 | Wabco Gmbh | Vorrichtung zur elektronischen erfassung der achslast eines kraftfahrzeugs |
-
1997
- 1997-02-22 DE DE19707122A patent/DE19707122A1/de not_active Withdrawn
- 1997-03-08 DE DE59704702T patent/DE59704702D1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017186323A1 (de) | 2016-04-30 | 2017-11-02 | Wabco Gmbh | Vorrichtung zur elektronischen erfassung der achslast eines kraftfahrzeugs |
DE102016005666A1 (de) | 2016-04-30 | 2017-11-02 | Wabco Gmbh | Vorrichtung zur elektronischen Erfassung der Achslast eines Kraftfahrzeugs |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE59704702D1 (de) | 2001-10-31 |
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