DE3133061C2

DE3133061C2 - Drehwinkelmeßfühler

Info

Publication number: DE3133061C2
Application number: DE19813133061
Authority: DE
Inventors: Shinichiro 48057 Auburn Heights Mich. Iwasaki
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1984-03-01
Also published as: JPH0140929B2; DE3133061A1; JPS5772009A

Abstract

Es wird ein Drehwinkelfühler angegeben, der ein Gehäuse, eine drehbar vom Gehäuse gelagerte mittige Drehwelle, einen an dem Gehäuse befestigten Permanentmagneten und mindestens ein fest in dem Gehäuse angebrachtes weichmagnetisches Teil aufweist, das eine elektrische Spule trägt. An der Drehwelle ist ein ferromagnetisches Teil angebracht, das oberhalb der oberen Enden des Permanentmagneten und des weichmagnetischen Teils ohne Berührung mit diesen hinsichtlich des Winkels verstellbar ist. Die Winkelverstellung des ferromagnetischen Teils bewirkt hinsichtlich des von dem Permanentmagneten abgegebenen und an dem weichmagnetischen Teil wirkenden magnetischen Flusses Änderungen, die gemessen werden. Das weichmagnetische Teil wird vorzugsweise aus einem amorphen magnetischen Material gebildet. Es werden verschiedene Ausführungsbeispiele des Drehwinkelfühlers beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs L

Aus der FR-OS 23 79 892 ist ein derartiger Drehwinkelmeßfühler bekannt, an dessen Drehachse ein segmentförmiger Permanentmagnet angeordnet ist, der sich in einer Ebene oberhalb der Aufnehmereinrichtung bewegt, die aus zwei langgestreckten zylindrischen Röhren aus einem Material erhöhter magnetischer Permeabilität und zwei langgestreckten einfachen Leitungen besteht von denen jeweils eine durch eine der beiden Rohren hindurchgeführt ist Je nach Drehwinkelstellung der Drehachse und damit des Permanentmagneten durchsetzt dessen Magnetfeld die beiden Röhren in unterschiedlicher Stärke, woraus sich mittels einer nicht näher erörterten Auswerteschaltung ein Drehstellungssignal ableiten läßt Allerdings bereitet die Herstellung des Permanentmagneten aufgrund der geforderten speziellen Konfiguration relativ großen Aufwand, der noch weiter vergrößeri wird, daß die beiden zylindrischen Röhren exakt symmetrisch ausgerichtet sein müssen. Zudem läßt steh mit der erörterten Ausführungsform nicht ohne weiteres ein zuverlässiges Ausgangssignal ausreichender Amplitude erzielen, da die Meßempfindlichkeit relativ gering und die magnetische Charakteristik ungleichmäßig ist Die maximal

erzielbare Meßgenauigkeit ist daher nicht allzu groß.

Weiterhin ist aus der US-PS 37 77 273 ein Drehwinkelmeßfühler bekannt, der mit zwei fest am Gehäuse angebrachten Permanentmagneten arbeitet. Das von den beiden Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld durchsetzt ein an der im Gehäuse gelagerten Drehwelle angebrachtes, asymmetrisch ausgestaltetes Teil, das sich mit geringem Abstand über zwei magnetfeldempfindlichen Elementen bewegt und entsprechend der jeweiligen Drehstellung die Durchsetzung der beiden Elemente mit unterschiedlichen Magnetflußdichten bewirkt. Die beiden z. B. als magnetisch steuerbare Widerstandselemente oder magnetfeldempfindliche Dioden ausgebildeten magnetempfindlichen Elemente sind miteinander in Reihe geschaltet und endseitig mit einer Gleichspannungsquelle bzw. mit Massepotential verbunden, wobei die am Verbindungspunkt zwischen den beiden magnetempfindlichen Elementen auftretende Gleichspannung ein Maß für den jeweiligen Drehwinkel darstellt. Allerdings ist die Linearität und Genauigkeit des Ausgangssignals des bekannten Drehwinkelmeßfühlers nicht in jedem Fall zufriedenstellend.

Darüber hinaus offenbart die JP-OS 51-1 37 442 einen Drehstellungsdetektor für einen flachen, kollektorlosen Motor, der zwei magnetische Scheiben und einen Mehrpol-Permanentmagneten aufweist, die gemeinsam an einer an der Welle angebrachten Hülse befestigt sind. Weiterhin ist eine Treiberspule vorhanden, die aus 6 plattenförmigen Einzelspulen besteht. Über die Ansteuerung der einzelnen Teile und die Auswertung der entstehenden Ausgangssignale sind dieser Druckschrift keine näheren Einzelheiten entnehmbar.

Ferner zeigt die JP-OS 53-77 656 einen Drehwinkeldetektor, der mit zwei exzentrisch angeordneten Spulen arbeitet. Die Impedanzen der beiden Spulen ändern sich je nach der Drehlage eines in nahem Abstand an der Innenseite der Spulen vorbeigeführten Drehteils. Allerdings bereitet die Einjustierung der Exzentrizität der Spulen aufgrund der geforderten hohen Genauigkeit erheblichen Aufwand. Zudem ist die erzielbare Linearität nicht sehr gut. Die Verwendung eines Permanentmagneten ist nicht vorgesehen.

Schließlich ist im »Handbook of Transducers for Electronic Measuring Systems«, Prentice-Hall (1969), S. 186 bis 189, ein Drehstellungsfühter beschrieben, an dessen Drehwelle ein magnetischer Anker angeordnet ist, der in Wirkverbindung mit zwei Spulen steht und deren Induktivität je nach seiner Drehstellung verändert. Zur Auswertung sind die beiden Spulen in. Brückenschaltung geschaltet. Die Verwendung eines Permanentmagneten ist auch hier nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einfachen Mitteln derart auszugestalten, daß eine zuverlässige Drehwinkelermittlung mit hoher Genauigkeit und guter Linearität sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehwinkelmeßfühler weist somit die Aufnehmereinrichtung eine Spule auf, die um einen Kern aus amorphem weichmagnetischem Material gewickelt ist und von einer Impulsspannungsquelle gespeist wird. Das durch die gemeinsame Anwendung dieser Maßnahmen erzielte Folgeverhalten der Spule ermöglicht es, die am anderen Anschluß der Spule auftretende Veränderung der Breite der eingespeisten Impulse, die von der jeweiligen Drehstellung des nunmehr gehäusefest angebrachten und über das ferromagnetische Teil mit der Spule und dem Kern aus amorphem Material in Wirkverbindung stehenden Permanentmagneten direkt abhängig ist, durch die der

-> Aufnehmereinrichtung nachgeschaltete Auswerteschaltung in ein der jeweiligen Drehstellung exakt entsprechendes Ausgangssignal umzusetzen. Zudem ist nunmehr kein speziell gestalteter Permanentmagnet erforderlich, sondern dieser kann übliche Konfiguration

κι aufweisen. In gleicher Weise trägt auch die Verwendung eines ferromagnetischen Teils anstelle des bislang üblichen entsprechenden Permanentmagneten zur Vereinfachung und Verbilligung des Meßfühlers bei. Damit ist mit einfachen Mitteln und einfachem Aufbau eine sehr lineare und exakte zuverlässige Messung sichergestellt

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise weist das amorphe weichmagnetische

2ii Teil eine kleine Querschnittsfläche auf, die ein leichtes Erreichen der magnetischen Sättigung dieses Teils erlaubt, während die elektrische Spule eine große Windungszahl besitzt, die ausreicht, das amorphe weichmagnetische Teil auch dann magnetisch zu sättigen, wenn an die Spule eine verhältnismäßig niedrige Impulsspannung angelegt wird und daher in ihr nur ein schwacher Erregungsstrom fließt. Die Abmessungen des Permanentmagneten können in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Versetzung des ferromagneti-

Ki sehen Teils innerhalb von dessen vorbestimmten Bewegungsbereich relativ stark verringert werden, ohne daß das vom Permanentmagnet erzeugte Magnetfeld zu schwach wird.

Das Zeitintervall T vom Beginn des Anlegens einer Spannung an die auf das amorphe weichmagnetische Teil gewickelte Spule bis zum Erreichen der magnetischen Sättigung des weichmagnetischen Teils läßt sich mit der folgenden Näherungsgleichung darstellen:

T =

X (<Pm - Φχ)

wobei E die an die Spule angelegte Spannung, N die Windungsanzahl der Spule, Φπι den maximalen Magnetfluß («Sättigungsfluß) und Φχ den äußeren Magnetfeldfluß bezeichnen.

Aus der vorstehenden Gleichung ist ersichtlich, daß die durch das Bewegen des ferromagnetischen Teils gesteuerte Änderung des Flusses Φχ eine Änderung des

so Zeitintervalls T bewirkt. Diese Änderung des vom Anlegen der Spannung an die Spule bis zum Erreichen eines vorgegebenen Spulenerregungsstrom-Pegels erforderliche Zeitintervall kann durch die gegebenenfalls elektronisch arbeitende Auswerteschaltung in einen entsprechenden Spannungspegel oder einen digitalen Code umgesetzt werden.

Das amorphe Material ist ferromagnetisch und besitzt eine hohe Permeabilität (μ_/πω>10³) bei hoher magnetischer Sättigung. Weiter weist das amorphe

ω Material geringe Koerzitivkraft (< 1,0 Oe) auf, während es hohe mechanische Festigkeit und große Bruchfestigkeit besitzt. Zudem ist es elastisch und formbeständig, so daß es nicht nur zur Verbesserung der Genauigkeit der Ermittlung der Größe des Zeitintervalls T beiträgt, sondern auch einen verhältnismäßig einfachen Herstellungsvorgang erlaubt und eine Steigerung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen und Stoßen mit sich bringt

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Längsschnittansicht eines Drehwinkelmeßfühlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II in F i g. l_r F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie IH-III in F i g. 2, Fig.4a ein Schaltbild einer elektrischen Auswerteschaltung, die eine Analogausgangsspannung mit einem Pegel abgibt, der einem ermittelten Drehwinkel entspricht,

Fig.4 ein Schaltbild einer weiteren elektrischen Auswerteschaltung, die ein digitales Codeausgangssignal abgibt, das einem ermittelten Drehwinkel entspricht,

F i g. 4c ein Schaltbild einer elektronischen logischen Auswerteschaltung, die ein digitales Codeausgangssignal abgibt, das einem ermittelten Drehwinkel entspricht,

■Fig.5a eine Draufsicht, die Relativstellungen von weichmagnetischen Teilen, einem Permanentmagneten und einem ferromagnetischem Teil bei dem in F i g. 1 gezeigten Drehwinkelmeßfühler zeigt,

Fig.5b eine Vorderansicht der in Fig.5a gezeigten Anordnung,

Fig.6a eine graphische Darstellung, die unter Verwendung der in den Fig.5a und 5b gezeigten Anordnung in Verbindung mit der in Fi g.4a gezeigten elektrischen Auswerteschaltung erzielte Ausgangsspannungen als Funktion von Winkelverstellungen des ferromagnetischen Teils zeigt,

F i g. 6b eine graphische Darstellung von Daten, die bei Verwendung der in den F i g. 5a und 5b gezeigten Anordnung in Verbindung mit der in F i g. 4b gezeigten elektrischen Auswerteschaltung durch Messen einer Zeitdifferenz td zwischen Eingangs- und Ausgangsimpulsen als Funktion einer Winkelverstellung des ferromagnetischen Teils erzielt werden,

Fig.7 eine Längsschnittansicht eines Drehwinkelmeßfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig.8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7,

F i g. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in F i g. 8, Fig. 10a ein Schaltbild einer für den in Fig.7 gezeigten Drehwinkelmeßfühler ausgelegten elektrischen Auswerteschaltung, die eine analoge Ausgangsspannung mit einem Pegel abgibt, der einem ermittelten Drehwinkel entspricht.

Fig. 10b Kurvenformen des Eingangs- und des Ausgangssignals der in Fi g. 10a gezeigten elektrischen Auswerteschaltung,

Fig. 11a ein Schaltbild einer für den in Fig.7 gezeigten Drehwinkelmeßfühler ausgelegten weiteren elektrischen Schaltung, die als Ausgangssignal Impulse mit Zeitdifferenzen abgibt, welche den ermittelten Drehwinkeln entsprechen,

Fig. 11b Kurvenformen des Eingangs- und Ausgangssignals der in Fig. 11a gezeigten elektrischen Auswerteschaltung,

F i g. 12 ein Blockschaltbild einer Zählerschaltung, die eine Zeitdifferenz td zwischen Eingangs- und Ausgangsimpulsen der in Fig. 11a gezeigten elektrischen Auswerteschaltung in ein entsprechendes digitales Codesignal umsetzt, und

Fig. 13 ein Blockschaltbild einer für den in Fig.7 gezeigten Drehwinkeimeßfühler ausgelegten elektronischen logischen Verarbeitungseinheit 160. In der Zeichnung sind durchgehend bei den verschiedenen Darstellungen identische oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet

In den F i g. 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Drehwinkelmeßfühlers dargestellt Nach F i g. 1 hat ein allgemein mit 1 bezeichneter Drehwinkelmeßfühler einen ersten Gehäuseteil 3 aus Kunstharzmaterial mit einer Mittelöffnung 2 und einen zweiten Gehäuseteil 5 aus Kunstharzmaterial mit einer exzentrischen Öffnung ίο 4. Die Gehäuseteile 3 und 5 sind unter Zwischensetzung eines O- bzw. Dichtungsringes 7 mit Hilfe eines Metallringes 6 miteinander verbunden. In die Mittelöffnung 2 ist eine Drehwelle 8 aus Kunstharzmaterial eingesetzt Ein Ende 9 der Drehwelle 8 ist mit einer (nicht gezeigten) Drehantriebseinrichtung verbunden, während das andere Ende 10 drehbar in einer Ausnehmung 11 in der Bodenwand des zweiten Gehäuseteils 5 gelagert ist Die Drehwelle 8 hat einen mittigen Gewindebereich 12, an den ein sektorförmiges Teil 14 (siehe Fig.2) aus ferromagnetischem Material mit Hilfe einer Mutter 13 festgelegt ist, die an dem Gewindebereich 12 so angreift, daß das Teil 14 fest eingestellt wird. Die Drehwelle 8 und das Teil 14 bilden gemeinsam einen bewegbaren Körper. Demzufolge dreht das Teil 14 mit einer Drehung der Drehwelle 8.

Die Bodenwand des zweiten Gehäuseteils 5 trägt einen im wesentlichen sektorförmigen Metallsockel 15 (Fig.2), der an dem Gehäuseteil mit Hilfe einer Schraube 16 angebracht ist. Der Metallsockel 15 trägt einen Permanentmagneten 18, der von einem Halter 17 aus Kunstharzmaterial gehalten ist und in einer im wesentlichen zu der Drehwelle 8 parallelen Lage angeordnet ist Wie aus F i g. 2 deutlich ersichtlich ist, sind ein erstes Teil 19 und ein zweites Teil 20, die beide aus weichmagnetischem Material bestehen und Kerne der Auswerteschaltung bilden, einander in Radialrichtung zu der Drehwelle 8 gegenübergesetzt, die diametral zwischen den einander gegenüberliegenden Teilen 19 und 20 liegt Das erste weichmagnetische Teil 19 durchragt einen Spulenkörper 21, der eine elektrische Spule 22 trägt (Fi g. 3). Der Spulenkörper 21 ragt durch den Metallsockel 15 hindurch und wird in einer Ausnehmung im Boden des Gehäuseteils 5 festgehalten, so daß damit das in dem Spulenkörper aufgenommene weichmagnetische Teil 19 festgelegt ist. Die einander entgegengesetzten Windungsenden der Spule 22 sind über jeweilige Anschlüsse mit einem Paar jeweiliger Zuleitungsdrähte 23 und 24 verbunden. Das zweite weichmagnetische Teil 20 ist gleichermaßen von einem Spulenkörper umgeben, auf den eine (nicht gezeigte) Spule 3t gewickelt ist Die Spule 31 ist mit einem zweiten Paar jeweiliger Zuleitungsdrähte 25 und 26 verbunden. Die Zuleitungsdrähte 23 bis 26 sind in einem Rohr 27 aufgenommen, das in die exzentrische Öffnung 4 in dem Gehäuseteil 5 eingesetzt ist und aus dem Fühlergehäuse herausragt Das Rohr 27 ist in seiner Lage mit Hilfe eines Gummistopfenhalters 28 festgelegt, der in der Öffnung 4 mittels eines Metalldeckels 30 festgehalten ist, welcher mit Schrauben 29 an dem Gehäuseteil 5 angebracht ist

Eine in Fig.4a gezeigte, als Auswerteschaltung dienende elektrische Verarbeitungsschaiiung 180 gibt eine analoge Ausgangsspannung V« ab, die der Winkelstellung des Teils 14 des in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Drehwinkelmeßfühlers entspricht. Bei der Schaltung 180 ist ein NPN-Transistor 103 während der Dauer positiven Pegels einer Eingangsimpulsspannung Wan einem Eingangsanschluß 102 durchgeschaltet und

während der Dauer des Massepegels der Eingangsimpulsspannung gesperrt. Die Kollektorspannung des Transistors 103 wird einem Paar invertierender Verstärker IN 3 und IN 4 zugeführt, das eine verstärkte und geformte Ausgangskurvenform abgibt, die an der Basis eines NPN-Transistors 121 anliegt. Auf diese Weise ist während des Anlegens der Eingangsimpulsspannung IN mit positivem Pegel der Transistor 103 durchgeschaltet, wodurch der Transistor 121 und in der Folge ein PNP-Transistor 104 gesperrt sind. Durch das Anlegen einer Eingangsimpulsspannung IN mit Massepegel wird der Transistor 103 gesperrt, wodurch die Transistoren 121 und 104 durchgeschaltet werden. Das heißt, es wird eine Impulsspannung an die Spule 22 angelegt; dadurch tritt an einem Widerstand 105 ein Spannungsimpuls auf, der mit einer Verzögerungszeit td\ nach dem Abfallen der Eingangsimpulsspannung IN anzusteigen beginnt; der Spannungsimpuls bzw. die Zeitverzögerung entspricht einem Abstand ^₁ = /(Θ) des Teils 14 von dem weichmagnetischen Teil 19. An die andere Spule 31 wird eine Impulsspannung konstanter Amplitude über einen PNP-Transistor 181 angelegt. Dieser Transistor 181 wird dadurch durchgeschaltet, daß bei positivem Pegel der Eingangsimpulsspannung IN der Transistor 103 durchgeschaltet wird, dadurch das Ausgangssignal eines invertierenden Verstärkers IN 5 positiven Pegel annimmt und durch diesen ein NPN-Transistor 182 durchgeschaltet wird. Während der Dauer des Massepegels der Eingangsimpulsspannung IN ist der Transistor 181 gesperrt. Demzufolge wird eine konstante Spannung an die zweite Spule 31 angelegt, solange keine Spannung an die erste Spule 22 angelegt wird. Im Gegensatz dazu wird an die zweite Spule 31 keine Spannung angelegt, solange eine konstante Spannung an die erste Spule 22 angelegt wird. Das heißt, das Anlegen der konstanten Spannung wechselt in Abhängigkeit von dem Zustand der angelegten Eingangsimpulsspannung IN zwischen der ersten und der zweiten Spule. Die zweite Spule 31 ist mit einem Widerstand 183 verbunden, an dem eine Spannung auftritt, die nach dem Anstieg der Eingangsimpulsspannung IN mit einer Verzögerungszeit td₂ anzusteigen beginnt, welche einem Abstand X₂ = ί(Θ) des Teils 14 von dem weichmagnetischen Teil 20 entspricht Eine an dem Widerstand 105 auftretende Spannung Vx\ wird an einen Anschluß eines Kondensators 187 angelegt, an dessen anderen Anschluß über einen Widerstand 185 eine an dem Widerstand 183 auftretende Spannung Vx₂ angelegt wird. Die Abstände des sektorförmigen Teils 14 von dem ersten bzw. dem zweiten weichmagnetischen Teil 19 bzw. 20 sind mit X\ bzw. X₂ bezeichnet, wobei x\+x₂ = K (Konstante) gilt und wobei Vx\ zu x\ proportional ist und Vx₂ zu X₂ proportional ist. Demzufolge entspricht die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen des Kondensators 184 der Größe (x\-x₂). Der Kondensator 184 und der Widerstand 185 bilden eine Integratorschaltung. Daher entspricht die an dem Kondensator 184 gespeicherte Spannung der Größe (Xi-X₂). Da X₂ = K-X] und damit Χ] -X₂ = Ix₁ — /<Γ gilt, entspricht die an dem Kondensator 184 gespeicherte Spannung der Größe 2X[. Damit wird eine Anälogspannung erzielt, die gleich dem doppelten der Winkelversetzung x\ des Teils 14 in bezug auf das erste weichmagnetische Teil 19 ist, das als Bezugspunkt dient. Die beiden Anschlüsse des Kondensators 184 sind jeweils mit Eingängen eines Rechenverstärkers 186 verbunden, der als Differenzverstärker arbeitet. Daher entspricht eine analoge Ausgangsspannung Vg des Verstärkers 186 der Größe 2x\. Bei einer in Fig.4b gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung 200 geben zwei Schaltungen 120 jeweils

ίο Impulse ab, die in bezug auf die Anstiegsflanke eines an einen Eingangsanschluß 102 angelegten Eingangsimpulses um Zeitintervalle td\ bzw. td₂ verzögert sind und die jeweils einer Zählerschaltung 140 zugeführt werden. Im Ansprechen auf die zugeführten Impulse bilden die Zählerschaltungen 140 jeweils Signale 519 bzw. S 20, die die Größen der Zeitintervalle tdi bzw. td₂ darstellen, wobei die Code-Signale weiter in einen Subtrahierer 201 eingegeben werden. Der Subtrahierer 201 benutzt die Code-Signale S19 und 520 für einen Subtraktions-Vorgang (td\ — td₂) und gibt ein digitales Code-Ausgangssignal Sx=S 19-520 ab. das die Größe (td\ - td₂) bzw. 2x\ darstellt. Die Schaltungen 120 und 140 sind in den Fig. 11a bzw. 12 dargestellt und werden später in Einzelheiten erläutert.

Bei einer in Fig. 4c gezeigten elektronischen logischen Verarbeitungseinheit 220 gibt ein Einzelbaustein-Mikrocomputer 221 einen Anfangsimpuls an eine mit der elektrischen Spule 22 verbundene Schaltung 120 ab, und beginnt zugleich mit der Anstiegsflanke dieses Impulses eine Zeitzählung, wobei er einen ic/i-Zählungs-Datenwert S19 erzeugt und speichert. Danach gibt der Mikrocomputer einen weiteren Anfangsimpuls an eine mit der elektrischen Spule 31 verbundene Schaltung 120 ab und beginnt mit der Anstiegsflanke dieses Impulses eine Zeitzählung zur Erzeugung eines fJ₂-ZähIungs-Datenwertes 520. Danach führt der Mikrocomputer einen Subtraktionsvorgang (td\ — td₂) aus und bildet ein sich ergebendes Code-Signal Sx=S 19-520 ab, wobei der Mikrocomputer diese Betriebsablauffolge fortsetzt, solange ein Meßbefehl-Steuersignal vorliegt. Die Schaltung 120 wird im folgenden anhand der Fig. 11a erläutert.

Zur Bestimmung der Werte von Ausgangsspannungen VaIs Funktion von Winkelstellungen α des Teils 14 in Form einer sektorförmigen Weicheisenplatte wurde der in den F i g. 5a und 5b gezeigte Aufbau unter den folgenden Voraussetzungen verwendet: die Messungen wurden dadurch vorgenommen, daß weichmagnetische Teile 19 und 20 parallel zueinander angeordnet wurden und zwischen den Teilen ein Permanentmagnet 18 zu den Teilen parallel angeordnet wurde. Das Teil 14 wurde oberhalb der weichmagnetischen Teile 19 und 20 sowie des Permanentmagneten 18 verschwenkt.

Es wurde vorausgesetzt, daß die Lage der Mitte der Weicheisenplatte 14 direkt oberhalb des Permanentmagneten 18, d. h., in der Mitte zwischen den beiden weichmagnetischen Teilen 19 und 20, einem Drehwinkel « = 0 entspricht.

Die Tabelle 1 gibt die Zusammenhänge zwischen den Parametern wie der Form, den Abmessungen und den Arten des Materials der weichmagnetischen Teile und den sich ergebenden Versuchsdaten an.

9

31

Weichmagnetische Teile 15 und 20

Länge

Breite

33 061

f

Blatt

g

10

R

β

Span-

Spulen 22

Daten

mm

anzahl

mm

O

nungs-

und 31

Tabelle 1

Material

30

1,8

2

5

2

40

60

polung

Windungs

Fall

Atom Gew.-%

anzahl

Nr.

Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆

30

1,8

2

5

2

40

60

1000

amorph

Dicke

Meßvorrichtung

N-N

Fig. 6a

Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆

mm

und Eingangs-

1000

1

Permanentmagnet 18

1,8

Impulsfrequenz

N-N

Fig. 6b

Dicke

2

mm

1,8

Fall

Länge Breite

5

Weicheisenplatte 14

Schaltung 180

Nr.

mm mm

5 kHz

30 5

5

Schaltung 200

J ^d

5 kHz

30 5

mm °

1

45 40

2

45 40

Wie aus den Daten in der F i g. 6a deutlich ersichtlich ist, hat die <x- V-Kennlinie gute Linearität, wenn der Drehwinkel α der Weicheisenplatte 14 in dem Bereich von —15^:^aS+15- liegt. Wie gleichermaßen deutlich aus der Fig.6b ersichtlich ist, hat die x-td- bzw. .x-Zeitdifferenz-Kennltnie gute Linearität, wenn der Drehwin-cel λ in dem Bereich von —15°S£xS+15° liegt. Dies beweist, daß durch Winkelverschwenkung des Teils 14. d. h. der Weicheisenplatte, innerhalb eines Bereiches von ± 15^: aus der in der Zeichnung gezeigten Stellung eine gute Linearität erzielbar ist. Es ist ferner festzustellen, daß bei einer Winkelverstellung der Weicheisenplatte innerhalb des vorstehend genannten Bereiches der an dem weichmagnetischen Teil wirkende, vom Permanentmagneten 18 erzeugte Magnetfluß gesteigert wird, während sich bei einer Winkelverstellung der Weicheisenplatte außerhalb des genannten Bereiches der Fluß verringert. Da aus dem vorstehenden offe-sichtlich ist. daß die x- V-Kennlinie nicht nur durch der; Winkelabstand β zwischen den weichmagnetischen Teilen 19 und 20, sondern auch durch die Form des Permanentmagneten 18 und der von ihm abgegebenen Magnetfeldstärke abhängt, ist es verhältnismäßig einfach, eine x- V-Kennlinie nach Wunsch zu wählen.

Die F i g. 7 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des Drehwinkelmeßfühlers, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß bei derr. Ausführungsbeispiel gemäß den Fig.7 bis 9 anstelle zweier weichmagnetischer Teile nur ein weichmagnetisches Teil vorgesehen ist Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der allgemein mit 50 bezeichnete Drehwinkelmeßfühler einen ersten Gehäuseteil 51 und einen zweiten Gehäuseteil 52, die beide aus Kunstharz hergestellt und durch Ultraschall-Schweißen miteinander verbunden sind. Der erste Gehäuseteil 51 hat eine Mittelöffnung 53, in der eine Drehwelle 54 aufgenommen ist. Die Drehwelle 54 ist mit einem Ende an einem sektorförmigen Teil 55 aus ferromagnetischem Material befestigt Der zweite Gehäuseteil 52 hat einen ersten Vorsprung 56 und einen zweiten Vorsprang 57, die an dem Umfang des zweiten Gehäuseteils 52 in Abstand zueinander angeordnet sind. Der erste Vorsprung nimmt in seinem Inneren ein weichmagnetisches Teil 59 auf, das eine elektrische Spule 58 trägt Die entgegengesetzten Windungsenden der Spule 58 sind an Zuleitungsdrähte 60 bzw. 61 angeschlossen, die aus dem Gehäuse des Fühlers 50 herausführen. Der zweite Vorsprung 57 nimmt einen darin fest angebrachten Permanentmagneten 62 auf. Dabei bewirkt eine Winkelverstellung des sektorförmigen Teils 55 eine entsprechende Änderung des an dem weichmagnetischen Teil 59 wirkenden magnetischen Flusses des Permanentmagneten 62. Die Änderung kann mittels einer elektrischen Verarbeitungsschaltung oder einer elektronischen logischen Verarbeitungseinheit erfaßt werden, die nachstehend in Einzelheiten beschrieben werden.

Fig. 10a zeigt ein sch&matisches Schaltbild einer Auswerteschaltung in Form einer elektrischen Verarbeitungsschaltung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Schaltung 100 hat einen mit einer (nicht gezeigten) stabilisierten Stromversorgungsquelle verbundenen Anschluß 101, an dem eine Stromversorgungsquellen-Gleichspannung mit konstantem Pegel (von beispielsweise +5V) anliegt Ferner ist ein

so Eingangsanschluß 102 vorgesehen. Bei Anlegen einer Eingangsimpulsspannung IN mit einer Frequenz von 5 bis 25 kHz an den Eingangsanschluß 102 wird ein NPN-Transistor 103 während des positiven Pegels der Impulsspannung durchgeschaltet, während er bei Massepegel der Impulsspannung gesperrt wird. Ein an den Transistor 103 angeschlossener PNP-Transistor 104 bleibt während der Dauer des Durchschaltens des Transistors 103 durchgeschaltet und während der Dauer des Sperrens des Transistors 103 gesperrt Demnach wird während des positiven Pegels am Eingangsanschluß 102 eine an dem Anschluß 101 anliegende konstante Versorgungsspannung Vcc an die Spule 58 angelegt während bei Massepegel der Eingangsimpulsspannung keine Spannung an die Spule angelegt wird.

An einem Widerstand 105 entsteht eine zu einem durch die Spule 58 fließenden Strom proportionale Spannung, die an eine Integratorschaltung aus einem Widerstand 106 und einem Kondensator 107 angelegt wird. Die

Integratorschaltung gibt eine integrierte Ausgangsspannung ab, die an einem Ausgangsanschluß 108 auftritt.

Die Fig. 10b zeigt die Kurvenformen der Eingangsund der Ausgangsspannung der in Fig. 10a gezeigten Schaltung. Ein Zeitintervall td von dem Ansteigen der Eingangsimpulsspannung IN zu Beginn des positiven Pegels bis zu dem Ansteigen der Spannung an dem Widerstand 105 über einen vorgegebenen Pegel sowie die aus der Spannung an dem Widerstand 105 integrierte Spannung Vx entsprechen einer Winkelstellung des sektorförmigen Teils 55.

Die Fig. 11a ist ein schematisches Schaltbild einer Auswerteschaltung in Form einer elektrischen Verarbeitungsschaltung 120 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bei der Schaltung 120 ist ein NPN-Transistor 103 während des Massepegels einer Eingangsspannung IN gesperrt, wodurch ein PNP-Transistor 104 gesperrt ist. Daher wird keine Spannung an die Spule 58 angelegt. Andererseits ist während des Massepegels der Eingangsspannung IN der Transistor 103 durchgeschaltet, wodurch der Transistor 104 durchgeschaltet ist. Ein Spulenstrom fließt über ein Paar von N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren FETi und FET2, die einen Strom mit konstanter Stärke liefern. Die Stärke des über den Feldeffekttransistor FET! fließenden Stroms wird mittels eines veränderbaren Widerstandes 122 bestimmt. Eine Spannung an dem mit den Feldeffekttransistoren FjETI und FET2 verbundenen Spulenanschluß wird an ein Paar von in Kaskade geschalteten invertierenden Verstärkern IN 1 und IN 2 angelegt, die eine verstärkte und geformte Ausgangsspannung abgeben.

Die Fig. Ub-zeigt die Kurvenformen der Eingangsund der Ausgangsspannung der in F i g. 11 a gezeigten Schaltung. Wie aus diesen Kurvenformen ersichtlich ist, stellt das Ausgangssignal OUT der Schaltung 120 Spannungsimpulse dar, die jeweils mit einem Verzögerungszeitintervall tdm bezug auf einen Eingangsimpuls IN ansteigen. Das Zeitintervall td entspricht der von dem ferromagnetischen Teil 55 eingenommenen Winkelstellung. Das Zeitintervall bzw. die Verzögerungszeit td wird mittels einer in F i g. 12 gezeigten Zählerschaltung 140 verarbeitet, die ein digitales Codesignal abgibt, das die eingegebene Zeitintervall-Information darstellt. In der Zählerschaltung 140 wird von der Anstiegsflanke der Eingangsimpulsspannung IN ein Flip-Flop Fl gesetzt, wodurch dessen (j-Ausgangssignal hohen Pegel »1« annimmt und damit ein UND-Glied A 1 durchschaltet, so daß von einem Taktimpulsgenerator 141 abgegebene Impulse an einen Zählimpulseingang CK eines Zählers 142 angelegt werden. Ein Ausgangsimpuls OUT und das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops Fi werden an ein UND-Glied A 2 angelegt. Bei der Anstiegsflanke des Ausgangsimpulses OUT wird das UND-Glied A 2 auf einen Zustand hohen Pegels »1« geschaltet. Durch den Anstieg des Ausgangssignals des UND-Gliedes A 2 wird das Flip-Flop F1 rückgesetzt, so daß dessen Q-Ausgangssignal den Zustand niedrigen Pegels »0« einnimmt. Dadurch wird das UND-Glied A 1 gesperrt, so daß die Taktimpulse nicht langer dem Zähler 145 zugeführt werden. Wenn das Ausgangssignal des UND-Gliedes A2 auf »1« wechselt, wird ein Zählstand-Codeausgangssignal des Zählers 142 in einen Zwischenspeicher 143 eingespeichert. Das Rücksetzen des Flip-Flops Fl und das Einspeichern des Zählstand-Codeausgangssignals in dem Zwischenspeicher 143 bewirken, daß ein UND-Glied A 3 ein Taktimpuls-Ausgangssignal abgibt, das den Zähler 142 löscht. Das Code-Ausgangssignal des Zwischenspeichers 143 stellt die Anzahl der während des Zeitintervalls td aufgetretenen Taktimpulse und dementsprechend das Zeitintervall td dar.

Eine in Fig. 13 gezeigte Auswerteschaltung in Form einer elektronischen logischen Verarbeiiungseinheit 160 hat einen Einzelbaustein-Mikrocomputer 161 (integrierte Halbleitervorrichtung hohen Integrationsgrades LSI), einen Verstärker 162, einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor FETi, der als Konsiantstromquelle wirkt, einen Widerstand 163, einen Kondensator 164, einen Verstärker 165 und einen Takümpulsgeneraior 166. Der Widerstand 163 und der Kondensator 164 bilden eine Filterschaltung, die Spannungen mit Frequenzen oberhalb der Eingangs- und Ausgangsimpuls-Frequenz unterdrückt. Der Mikrocomputer 161 arbeitet auf den Taktimpulsen beruhend und bildet Impulse mit einer konstanten Frequenz in dem Frequenzbereich zwischen 5 kHz und 30 kHz, die auch an den Verstärker 162 angelegt werden. Der Mikrocomputer 161 überwacht (über die Ausgangsspannung des Verstärkers 165) die an dem Verbindungspunkt zwischen dem N-Kanal-Feldeffekttransistor FETi und einem Windungsende der Spule 58 auftretende Spannung und zählt die Anzahl der Taktimpulse während eines Zeitintervalls td von dem Anstieg des abgegebenen Impulses bis zu dem Anstieg der Ausgangsspannung des Verstärkers 165; dadurch bildet der Mikrocomputer ein Zählungs-Codeausgangssignal, das den Datenwert des Zeitintervalls fc/darstellt.

Gemäß den vorstehenden Ausführungen wird der in F i g. 7 gezeigte Drehwinkelmeßfühler 50 an verschiedenartige elektrische Verarbeitungsscnaltungen oder elektronische logische Verarbeitungseinheiten angeschlossen, um ein elektrisches Signal zu bilden, das eine von dem sektorförmigen Teil 55 in dem Fühler 50 eingenommene Winkelstellung darstelh

Aus der vorstehenden Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele und den bei den Ausführungsbeispielen erzielten Versuchsdaten ist ersichtlich, daß der Drehwinkelmeßfühler keine mechanischen S:hleifkontakuei-Ie hat und auf eine Winkelverstellung e:nes bewegbaren Teils anspricht. Durch den Drehwinkemeßfühler wird die Winkelstellung des bewegbarer. Teils in eine Zeitdifferenz inzwischen einem an die elektrische Spule angelegten Eingangsimpuls und einem Spulenerregungs-Stromimpuls umgesetzt, wobei cie Zeitdifferenz td elektrisch so verarbeitet werden kann, daß ein Winkelstellungs-Meßsignal in Form ener Analogspannung oder eines Zeitzählungs-Dater.wertes gebildet wird. Damit ist der Fühleraufbau aufgrund seiner hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen und Abrieb bzw. Abnutzung besonders vorteilhaft. Der Umstand, daß zwischen dem oewegbaren Teil und dem zugeordneten Wandler kein mechanisches Verbindungsglied notwendig ist, ergib; eine gleichmäßige Dreh winkelmessung, die nicht %on irgendeinem mechanischen Spiel beeinträchtigt ist, das sonst hervorgerufen werden könnte. Besonders hervorzuhebende Vorteile sind ferner der einfache Aufbau de: an den Drehwinkelfühler anzuschließenden elektrischen Verarbeitungsschaltungen und insbesondere die Möglichkeit der Verwendung einer integrierten Halbleitervorrichtung mit hohem Integrationsgrad (LSI) wie eines Einzelbaustein-Mikrocomputers, der Drehwinkel-Meßimpulse bildet und eine einfache Einrichtung zum Umsetzen einer Zeitdifferenz zwischen diesen Impulsen und entsprechenden Spulenerregungs-Stromimpulsen

in einen geeigneten digitalen Code bietet.

Das ferromagnetische Teil ist oberhalb des Permanentmagneten und des weichmagnetischen Teils ohne Berührung mit diesen drehbar. Das oder die weichmagnetischen Teile bestehen aus amorphem magnetischem Material.

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche!

1. Drehwinkelmeßfühler mit einem Gehäuse, in dem ein bewegbarer Körper drehbar gelagert ist, dessen jeweilige Winkelstellung der Winkelstellung eines äußeren, hinsichtlich seiner Drehlage zu ermittelnden Objektes entspricht, einem Permanentmagneten, dessen Magnetfeld eine gehäusefest angebrachte Aufnehmereinrichtung durchsetzt, und einer Auswerteschaltung zur Auswertung der Ausgangssignale der Aufnehmereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Körper (9, 10, 14; 54, 55) ein sektorförmiges, ferromagnetisches Teil (14; 55) aufweist, daß der Permanentmagnet (18; 62) gehäusefest angeordnet ist, daß die Aufnehmeretnrichtung zumindest einen Kern (19 bzw« 20; 59) aus amorphem weichmagnetischem Material aufweist, um den eine Spüle (22,31; 58) gewickelt ist, die yon einer Impulsspannungsquelle mit Spannungsimpulsen gespeist wird, und daß die Auswerteschaltung die spulenausgangsseltig auftretende, von der jeweiligen Drehwinkelstellung abhängige Impulsbreitenveränderung in ein dem Drehwinkel entsprechendes Ausgangssignal umsetzt.

2. Drehwinkelmeßfühler nach. Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmereinrichtüng einen weiteren Kern (20 bzw. 19) aufweist, der dem ersten Kern gegenüberliegend angeordnet ist und aus amorphem weichmagnetischem Material besteht, und daß der Permanentmagnet (18). in der Mitte zwischen den beiden Kernen angeordnet ist

3. Drehwinkelmeßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kerne (19,20) gleichen Abstand zur Drehachse des bewegbaren Körpers (9, 10, 14; 54, 55) besitzen und einander diametral gegenüberliegend derart angeordnet sind, daß ihre Längsachsen parallel zur Drehachse des bewegbaren Körpers verlaufen.

4. Drehwinkelmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Kern (59) und der Permanentmagnet (62) gleichen Abstand zur Drehachse des bewegbaren Körpers (54,55) haben.

5. Drehwinkelmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (18) und der zumindest eine Kern (19 bzw. 20) fest mit einem gemeinsamen Metallsokket (15) verbunden sind.

6. Drehwinkelmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Körper (9,10,14) eine Drehwelle (8) mit einem drehbar im Gehäuse (3, 5) gelagerten ersten Endberetch (9) und einem mit dem ferromagnetischen Teil (14) in Verbindung stehenden mittleren Gewindebereich (12) aufweist

7. Drehwinkelmeßfühler nach einem der Ansprüche t bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (51, 52) mehrere Vorsprungteile (56, 57) aufweist, die aus der Innenfläche des Gehäuses herausragen und jeweils einen Hohlraum umschließen, in dem der Permanentmagnet (62) bzw. der zumindest eine Kern (59) einschließlich der Spule (58) aufgenommen sind.

8. Drehwinkelmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche^ dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen des Permanentmagnets (18; 62) und des

zumindest einen Kerns (19 bzw. 20; 59) parallel orientiert sind, und daß das ferromagnetische Teil (14; 55) in einer zu den beiden Achsen senkrechten Ebene bewegbar ist

9. Drehwinkelmeßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß um den weiteren Kern (20bzvr,19) eine weitere Spule gewickelt ist

10. Drehwinkelmeßfühler nach Anspruch 9, . dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zwei Widerstände (105, 183), die mit ihrem einen Anschluß jeweils mit dem Ausgang einer der beiden Spulen (22,31) und mit ihrem anderen Anschluß mit Massepotential verbunden sind, einen zwischen die beiden Spulenausgänge geschalteten Kondensator (184) sowie einen Differenzverstärker (186) aufweist, dessen beide Eingänge mit den beiden Anschlüssen des Kondensators(184) verbunden sind.

11. Drehwinkelmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine die spulenausgangsseitig auftretenden Impulse in eine entsprechende Gleichspannung umsetzende Integrierschaltung (105 bis 107) aufweist

12. Drehwinkelmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zwei parallel zwischen den Spulenausgang und Massepötential geschaltete Feldeffekttransistoren (FETi, FET2) und zwei mit dem Spulenausgang verbundene, in Kaskade geschaltete invertierende Verstärker (IN 1, FN2) zur Verstärkung und Impulsformung aufweist

13. Drehwinkelmeßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung das Zeitintervall zwischen der Anstiegsflanke der in die Spule (58) eingespeisten Impulse und der Anstiegsflanke der von den invertierenden Verstärkern abgegebenen Impulse über die Zählung der in diesem Zeitintervall auftretenden, von einer Taktimpulsquelle (141) erzeugten Impulse ermittelt