DE19753777A1

DE19753777A1 - Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE19753777A1
Application number: DE19753777A
Authority: DE
Inventors: Asta Reichl; Thomas Klotzbuecher; Tilmann Gauger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1999-06-10
Also published as: AU1481999A; JP2001510575A; AU730011B2; EP1068490A1; KR20000070595A; US6433538B1; WO1999030111A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßvorrichtung zur be rührungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus der FR-OS 90 15 223 ist eine Meßvorrichtung bekannt, bei der ein Stator und ein Rotor re lativ zueinander bewegt werden. Zwischen den jeweils aus magnetisch leitendem Material bestehenden Stator und dem Ro tor befindet sich ein kleiner Luftspalt. Im Rotor ist über eine Länge von 180 Grad ein erster ringförmiger Permanentma gnet angeordnet, der radial polarisiert ist. Im übrigen, ebenfalls 180 Grad aufweisenden Bereich des Stators befindet sich ein zweiter ringförmiger Permanentmagnet mit gegen sinniger Polarisation. Ferner weist der Stator zwei diame tral gegenüberliegende Luftspalte auf. Wenigstens in einem dieser Luftspalte ist ein Hallsensor angeordnet. Bei der Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator verändert sich die Stärke des durch den Hallsensor verlaufenden Magnet felds. Der lineare Meßbereich des so erzeugten Meßsignals ist aber auf eine Größe von ± 75 Grad begrenzt. Ferner weist dieser lineare Meßbereich einen Vorzeichenwechsel auf. Gege benenfalls könnte dieser aufwendig in einer anschließenden elektrischen Schaltung korrigiert werden.

Ferner ist aus der nachveröffentlichten DE-OS 196 34 381.3 ein Sensor bekannt, der in drei Ebenen übereinander angeord net ist. Der Rotor bildet die mittlere Ebene, wobei er aus der Trägerplatte für einen Permanentmagneten besteht. Die Trägerplatte selbst besteht aus magnetisch nicht leitendem Material, so daß der Magnetfluß über die beiden anderen Ebenen, d. h. den Stator verläuft und mit Hilfe zweier Di stanzstücke, die zwischen den beiden Ebenen des Stators an geordnet sind, gesteuert wird. Mit diesem Sensor ist zwar ein relativ großer Winkelbereich ohne Vorzeichenwechsel meß bar, er ist aber nicht für Messungen über 180 Grad geeignet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur berührungslosen Er fassung eines Drehwinkels mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor eine Drehwinkelerfassung von über 200 Grad ermög licht. Die nahezu lineare Meßlinie weist keinen Vorzeichen wechsel auf. Der Nullpunkt der Induktion ist gleich dem Nullpunkt der Winkelmessung. Aufgrund der konstruktiven An ordnung der Flußleitstücke und der Luftspalte kann der Meß bereich auf über 240 Grad variiert werden. Ist der Meßspalt gebogen, so kann der Permanentmagnet kleiner als der darzu stellende Winkel sein. Wenn das spiralförmige Permanentma gnetsystem kleiner als der darzustellende Winkel ist, können Flußstücke zum Beispiel keinen Vollkreis oder keine son stigen ähnlichen ganzen Formen aufweisen. Ferner muß die An triebsachse nicht im Sensormittelpunkt angeordnet sein.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unab hängigen Anspruch angegebenen Meßvorrichtung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt in Richtung I-I nach Fig. 2 durch ein erstes Ausführungsbeispiel, die Fig. 2 und 3 eine Draufsicht bzw. eine Unteransicht, Fig. 4 zeigt die Form eines Permanentmagneten und Fig. 5 die da zugehörige Darstellung der Spirale des Permanentmagneten über den Winkel α. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Stellung des Permanentmagneten und den jeweiligen Magnetfluß bei minimalem und maximalem Winkel. Die Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt in Richtung VIII-VIII nach Fig. 10 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel und die Fig. 9 und 10 eine Bodenansicht bzw. eine Draufsicht auf dieses Ausführungsbei spiel. Die Fig. 11 zeigt die Form des Permanentmagneten bei diesem Ausführungsbeispiel. Die Fig. 12 und 13 zeigen Ab wandlungen der Flußleitteile des Stators.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der aus einem Stator 11 und einem Rotor 12 besteht. Der Stator hat eine Bodenplatte 13 und eine Deckenplatte 14, die durch zwei Distanzstücke 15, 16 getrennt sind. Wie aus der Fig. 3 näher zu ersehen ist, hat die Bodenplatte 13 eine Bohrung 18, durch die die Achse 19 des Rotors 12 ragt. Die Achse 19 ist mit einem nicht dargestellten Bauteil verbindbar, dessen Drehbewegung bestimmt werden soll. Die Trägerplatte 20 des Rotors 12 ist mittig auf der Achse 19 befestigt und besteht aus magnetisch nicht leitendem Material. Auf der Träger platte 20 befindet sich ein Permanentmagnet 21, dessen Form in der Fig. 4 näher dargestellt ist. Die Polarisations richtung des Permanentmagneten 21 ist parallel zur Achse 19 ausgerichtet. Die Deckenplatte 11 des Sensors 10 ist in der Fig. 2 näher dargestellt und besteht aus den beiden Seg menten 24 und 25. Die beiden Segmente 24, 25 sind durch einen Spalt 26 und einen zweiten Spalt 27 voneinander ge trennt. Der Spalt 26 läuft in radialer Richtung gerade vom Mittelpunkt der Deckenplatte 14 zum Außenumfang hin. Im Spalt 26 ist ein magnetfeldempfindliches Element 30 ange ordnet. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine Feldplatte einen Magnettransistor, magnetoresisitve Elemente oder um ein Hallelement handeln. Wichtig hierbei ist, daß das ma gnetfeldempfindliche Bauteil eine möglichst lineare Ab hängigkeit seines Ausgangssignals von der magnetischen In duktion B aufweist. Statt ein Element können zur redundanten Messung (Sicherheitsmessung) auch mehrere Elemente einge setzt werden. Der Spalt 27 weist einen vom Mittelpunkt der Deckenplatte 11 ausgehenden, radial nach außen gerichteten, Bereich 32, der zum Spalt 26 etwa einen Winkel vom 120° hat und einen anschließend gebogenen Bereich 33, der bis zum Um fang führt, auf. Die beiden Spalte 26 und 27 sind so aufein ander abzustimmen, daß der Magnetfluß des Permanentmagenten 21 möglichst nur über den Spalt 26 verläuft und der Spalt 27 einen Magnetfluß nahezu verhindert. Der Spalt 27 ist breiter als der Spalt 26. Statt mit Luft kann der Spalt 27 auch mit anderen magnetisch nicht leitfähigem Material gefüllt sein. Die beiden Segmente 24, 25 müssen so angeordnet sein, daß jedes Segment mindestens so groß ist, wie das Winkelsegment des Permanentmagneten 21. Dies bedeutet, daß wenn der Per manentmagnet größer als 180 Grad ist, sind die beiden Seg mente 24, 25, wie in der Fig. 2 dargestellt, ineinander verschachtelt. Ferner ist es wichtig, daß der Luftspalt 27 und die Form des Permanentmagneten 21 so aufeinander abge stimmt sind, daß der Permanentmagnet 21 während der gesamten Drehbewegung den Spalt 27 nicht überfährt. Die Form eines Permanentmagneten 21 ist in der Fig. 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß das eine Ende des Permanentmagneten eine geringere Breite als das andere Ende des Permanentmagneten 21 aufweisen muß. Ferner muß er die Form einer Spirale oder eines Kreisbogens haben. Die Form des Permanentmagneten ist im Diagramm nach der Fig. 5 näher dargestellt. So ist der Verlauf des Radius über den jeweils zu bestimmenden Winkel bereich dargestellt. Dabei soll die eine Seite des Per manentmagneten eine lineare Steigung r aufweisen. Die anderen Seite des Permanentmagneten ergibt dann einen Radius R, der sich nach folgender Gleichung berechnen läßt.

A = Fläche des Permanentmagneten
α = Drehwinkel.

Die Formel basiert auf der Annahme einer konstanten Dicke des Permanentmagneten über seine Länge.

Der Permanentmagnet 21 kann neben den bekannten Magnetwerk stoffen auch aus kunststoffgebunden Seltene-Erden-Magneten (zum Beispiel Sm₂Co₁₇) hergestellt werden.

Beim Stator 11 bestehen die beiden Segmente 24, 25 der Deckenplatte 14, die Bodenplatte 13 und das Distanzstück 16 aus magnetisch leitfähigem, insbesondere weichmagnetischem Material. Das zweite Distanzstück 15 hingegen besteht aus nicht magnetisch leitfähigem Material. Das weichmagnetische Distanzstück 16 ist hierbei mit der Bodenplatte 13 und mit dem größeren der beiden Segmente der Deckenplatte 14 ver bunden. Das magnetisch nicht leitende Distanzstück 15 ist zwischen der Bodenplatte 13 und dem kleineren Segment 25 an geordnet. Das Distanzstück 15 kann je nach Einbau des Sen sors in ein entsprechendes Gehäuse auch aus Luft bestehen.

In den Fig. 6 und 7 ist nun die Anordnung des Permanent magneten gegenüber den beiden Segmenten 24, 25 bei kleinstem (Fig. 6) und bei größtem Winkel (Fig. 7) dargestellt. Fer ner ist in den Figuren der jeweilige Magnetfluß einge zeichnet. Die Drehrichtung des Permanentmagneten erfolgt im Uhrzeigersinn. Aus der Fig. 6 ist erkenntlich, daß bei dem Drehwinkel von Null Grad der Permanentmagnet 21 vollständig unter dem Segment 24 sich befindet. Der Magnetfluß erfolgt vollständig vom Permanentmagneten 21 in das Segment 24 über das Distanzstück 16 und, in der Fig. 6 nicht dargestellt, über die Bodenplatte 13 zurück zum Permanentmagneten 21. Beim Winkel Null Grad ist kein Magnetfluß über den Spalt 26 und somit durch das magnetfeldempfindliche Element 30 mög lich.

Bei völliger Auslenkung des Sensors, d. h. bei maximalem Drehwinkel, wie er in der Fig. 7 dargestellt ist, befindet sich der Permanentmagnet vollständig unter dem Segment 25. Das breitere Ende des Permanentmagneten 21 ragt dabei zum Bereich 32 des Spalts 27 hin. Die Länge des Bereichs 32 des Spalts 27 ist somit auf die Breite des Permanentmagneten 21 an diesem Ende abzustimmen. Aus der Fig. 7 ist ersichtlich, daß der Magnetfluß vom Permanentmagneten 21 über das Segment 25, den Spalt 26 und das dort angeordnete magnetfeldempfind liche Element 30 zum Segment 24 erfolgt. Weiterhin verlaufen die Magnetlinien über das Distanzstück 16 und die Boden platte 13 zurück zum Permanentmagneten 21. Der Spalt 27 ver hindert einen Fluß der Magnetlinien in seinem Bereich vom Segment 25 zum Segment 24 hin. Alle Magnetlinien müssen über den Spalt 26 und das magnetfeldempfindliche Element 30 ver laufen. Bei dieser Anordnung erhält man einen linearen Ver lauf der magnetischen Induktion B im magnetfeldempfindlichen Element 30 über einen Winkelbereich von bis zu 240 Grad, wo bei kein Vorzeichenwechsel in der linearen Meßkurve erfolgt.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8ff. ist eine Ab wandlung der Deckenplatte 14a des Stators 11a dargestellt. Die in der Fig. 9 dargestellte Bodenplatte 13 entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels. Bei der Deckenplatte 14a, wie sie in der Fig. 10 dargestellt ist, ist der Spalt 26a, der das magnetfeldempfindliche Element 30 aufweist, in Drehrichtung des Rotors 12 gebogen. Da die Drehrichtung in Uhrzeigersinn ist, ist der Spalt 26a in Uhrzeigerrichtung gebogen. Der einen Magnetfluß verhindernde Spalt 27a weist auch in der Fig. 10 einen radial ausgebildeten Bereich 32a und einen gebogenen Bereich 33a auf. Aufgrund der in Dreh richtung gebogenen Form des Spalts 26a kann der Permanentma gnet 21a, wie er in Fig. 11 dargestellt ist, einen klei neren Winkelbereich als der zu messende Winkelbereich auf weisen, zum Beispiel würde sich bei einem Meßwinkel von 240 Grad ein Permanentmagnet 21a mit einem Winkelbereich von 170 Grad ergeben. Ferner weist der Permanentmagnet 21a über seine gesamte Länge eine gleiche Dicke auf. Zwischen dem Spalt 26a und dem Permanentmagneten 21a muß sich für jedes darzustellende Winkelsegment bei der Annahme einer kon stanten Dicke des Permanentmagneten die gleiche Fläche des Permanentmagneten 21a unter dem Segment 24a bzw. dem Segment 25a verschieben. Da im Außenradius des Permanentmagneten 21a die Flächenänderung größer ist als im Bereich des Innen radius des Permanentmagneten 21a, muß der Spalt 26a so ange ordnet sein, daß er in Drehbewegung des Rotors 12 gebogen ist. Dadurch, daß der Permanentmagnet 21a kleiner als der Drehwinkel ist und der Permanentmagnet 21a spiralförmig bzw. gebogen ausgebildet ist, können die beiden Segmente 24a und 25a so ineinander verschachtelt sein, daß ein Drehwinkel von nahezu 360 Grad mit einem linearen Meßsignal ohne Vor zeichenwechsel erfaßt werden kann. Eine entsprechende Dar stellung ist in der Fig. 12 gezeigt. Hierbei weist das Seg ment 25b eine nahezu herzförmige Ausgestaltung auf.

In der Fig. 12 hat die Achse 11 z. B. einen Drehwinkel von 300°. Hierzu wird ein Magnet mit einem Winkelbereich von 210° benötigt. Der Luftspalt 26b müßte dann unter 88° ge bogen sein. Die Breite des Bereichs 32b des Spalts 27b wird durch die Breite des Permanentmagneten 21 bestimmt. Im weiteren ist die Biegung des Abschnitts 33b des Spalts 27b an die Außenkontur und die Biegung des Permanentmagneten anzupassen.

In der Fig. 13 ist nun eine Abwandung der Deckenplatte dar gestellt, die einen kleineren Winkelbereich erfassen soll. Der Vorteil bei dieser Anordnung liegt darin, daß die beiden Segmente 24c und 25c nicht symmetrisch sein müssen. Auch ist es möglich, daß im Unterschied zu den obigen Ausführungs beispielen die Achse 19 nicht im Mittelpunkt des Sensors 10 bzw. der Trägerplatte 20 angreifen muß. Auch hier ist es wesentlich, daß der Spalt 27c so zwischen den Segmenten 24c bzw. 25c ausgebildet ist, daß er nicht vom Permanentmagneten 21a überfahren wird und auch nur ein relativ sehr geringer Magnetfluß über den Spalt 27c möglich ist. Der Spalt 27c muß auch hier nicht aus Luft sein; er könnte auch aus sonstigen magnetisch nicht leitenden und somit den Magnetfluß ver hinderndem Material bestehen.

Claims

1. Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Dreh winkels zwischen einem Stator (11) und einem Rotor (12), wo bei sich zwischen Stator (11) und Rotor (12) ein Luftspalt befindet und im Stator (11) mindestens ein Luftspalt (26) ausgebildet ist, wobei sich in mindestens einem Luftspalt (26) mindestens ein magnetfeldempfindliches Element (30) be findet und wobei im Rotor (12) mindestens ein Segment min destens eines Permanentmagneten (21) angeordnet ist, und wo bei der Stator (11) aus mehreren Teilen (13, 14, 15, 16) aufgebaut ist, wobei wenigstens ein Teil (15) keine ma gnetisch leitende Verbindung mit den übrigen Teilen (13, 14, 16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentma gnet (21) so ausgebildet ist, daß er bei einem maximalen Meßsignal sich nur unter einem ersten Teil (24) des Stators (11) befindet und beim anderen maximalen Meßsignal nur unter einem zweiten Teil (25) des Stators (11) befindet.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Permanentmagneten (21) breiter ist als das andere Ende des Permanentmagneten (21) und daß der Über gang kontinuierlich ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (21) bei einer kon tinuierlich linear verlaufenden Abwicklung der Längsseite (r) die andere Längsseite (R) der Gleichung
A = Fläche des Permanentmagneten
α = Drehwinkel
entspricht.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgröße des Permanentmagneten (21) mindestens dem des zu bestimmenden maximalen Winkels entspricht.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (26a), in dem sich das magnetfeldempfindliche Element (30) befindet, in Drehrichtung des Rotors (12) gebogen ist.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Permanentmagnet (21a) gebogen ist und über die gesamte Länge annähernd gleich dick ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (27) einen geraden radial ver laufenden Abschnitt (32) aufweist und sich daran ein ge bogener Abschnitt (33) anschließt.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Abschnitt (32) des Spalts (27) mindestens so lang ist, wie das breitere Ende des Permanentmagneten (21)

9. Meßvorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Drehbewegung des Stators (11a) die Größe der sich in Bezug auf das erste (24a) und das zweite (25a) Teil verschiebenden Fläche des Permanentmagneten (21a) annähernd gleich ist.

10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (27) größer als der Spalt (26) ist, so daß über den Spalt (27) nahezu kein Magnetfluß des vom Permanentmagneten (21) erzeugten Magnetfeldes verläuft.

11. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (21) spiral förmig ausgebildet ist.

12. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (21) gebogen ausgebildet ist.

13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Polarisierungsrichtung des Permanentmagneten (21) in axialer Richtung des Rotors (12) ausgerichtet ist.

14. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (26), in dem sich das magnet feldempfindliche Element (30) befindet, radial verlaufend ausgebildet ist.