DE3919749C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Drehwinkelsensor mit einer Primärspule und wenigstens einer vom Magnetfluß der Primärspule durchsetzten Sekundärspule. Derartige Sensoren finden auf den unterschiedlichen Gebieten der Technik Anwendung zur Erfassung von Drehwinkeln und deren Umsetzung in ein elektrisches Ausgangssignal.

Die DE 38 33 243 A1 zeigt eine Regeleinrichtung zum Regeln einer gewünschten Winkellage der Ausgangsachse eines Steuermotors. Zu diesem Zweck wird die Drehbewegung einer Koppelachse zunächst mechanisch in eine lineare Axialbewegung eines Kerns umgesetzt. Die Umsetzung geschieht über eine mit der Koppelachse verbundene Mitnehmerscheibe, die in einem Zylindermantel drehfest, aber axial beweglich angeordnet ist. Der Zylindermantel ist mit einem Gewinde in einem feststehenden zylindrischen Gehäuse eingeschraubt. An dem Zylindermantel ist eine Plastikstange angeformt, die einen Kern trägt, der von einer Primärwicklung und zwei in Reihe geschalteten beidseits der Primärspule angeordneten Sekundärspulen umschlossen ist. Die Primärspule wird mit Wechselspannung gespeist und die Ausgangsspannung der Sekundärwicklungen wird einem Differentialverstärker zugeführt. Die Spulen sind innerhalb des Gehäuses fest und die magnetische Kopplung wird lediglich durch Axialverschiebung des Kerns innerhalb der Wicklung geändert.

Die DE 32 18 508 A1 betrifft ein Meßspulensystem für einen induktiven Drehwinkelaufnehmer. Das Meßspulensystem wird hierbei aus zwei die gleiche Anzahl Spulen enthaltenden Wicklungssträngen gebildet, von denen jeder einlagig und derart auf einem zylindrischen Wicklungsträger aufgebracht ist, daß die aufeinanderfolgenden Spulen jedes Wicklungsstranges jeweils im entgegengesetzten Sinn gewickelt sind, wobei die beiden Wicklungsträger konzentrisch zueinander angeordnet und relativ zueinander verdrehbar sind. In der Nullage des Meßspulensystems sind die Träger so gegeneinander versetzt, daß die Längsseiten der Spulen des einen Wicklungsstranges jeweils der Mitte des anderen Wicklungsstranges zugeordnet sind.

Die DE 37 29 230 A1 beschreibt eine Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels bzw. Drehmoments durch Messung des Torsionswinkels zwischen zwei relativ zueinander verdrehten Wellenabschnitten. Jeder Wellenabschnitt trägt eine Hülse, die an ihren Umfangsflächen in eine gleiche Anzahl mehrerer zur Wellenachse paralleler segmentartiger Mantelflächen unterteilt sind, die in Umfangsrichtung abwechselnd hohe und niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Hülsen sind von jeweils zwei Spulen umschlossen, die in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet sind. Der die Spulen durchfließende hochfrequente Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, welches in den Mantelflächen der beiden Hülsen um so mehr Wirbelströme erzeugt, je größer die von dem magnetischen Wechselfeld durchsetzte Fläche der beiden Hülsen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach und reproduzierbar genau herstellbaren Drehwinkelsensor zu schaffen, der bei kleiner Baugröße eine hohe Empfindlichkeit und eine gute Linearität besitzt.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Das Wesen der Erfindung besteht demgemäß darin, daß zusätzlich zu Primär- und Sekundärspulen auf dem Magnetkern eine Koppelspule vorgesehen ist. Diese Koppelspule, die als geschlossene flächenhafte Schleife ausgebildet sein kann, wirkt als kurzgeschlossene Sekundärspule vorzugsweise mit der Windungszahl 1, und diese Koppelspule wird ebenfalls vom primärerzeugten Magnetfluß durchsetzt, und der dadurch induzierte Kurzschlußstrom erzeugt ein Magnetfeld, welches dem primären Magnetfeld entgegengesetzt überlagert ist.

Bei symmetrischem Aufbau mit zwei beidseitig der Primärspule angeordneten Sekundärspulen wird die Nullstellung dann erreicht, wenn die Koppelspule beide Sekundärspulenflächen gleich überdeckt. Dann sind die durch das Magnetfeld der Koppelspule erzeugten Sekundärspannungen gleich. Bei einer Relativverdrehung vergrößert sich in der einen Sekundärspule die von der Koppelspule überdeckte Fläche der einen Sekundärspule, während in der anderen Sekundärspule die überdeckte Fläche reduziert wird.

Die Änderung der Flächenüberdeckung ist linear proportional zum Drehwinkel. Da die induzierte Spannung über die Beziehung

proportional zur Fläche ist, ergibt sich bei linearer Flächenänderung eine proportionale Spannungsänderung.

Die in den Sekundärspulen induzierten Spannungen werden gleichgerichtet und die Differenz dieser Spannungen ergibt ein drehwinkelproportionales Ausgangssignal.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung ergeben sich die folgenden Vorteile:

Durch das Differenzprinzip ergibt sich ein symmetrischer Aufbau, der eine Gleichtaktfehlerkompensation bewirkt. Der Sensor ist magnetisch abgeschirmt und gegen Fremdsignale gesichert.

Durch den Ferritschalenkern sind hohe Oszilatorfrequenzen im Bereich vom ca. 1 MHz möglich. Dadurch ergibt sich eine hohe Dynamik bei geringem Siebaufwand und geringer Windungszahl.

Das für die Erfindung wesentliche Koppelelement kann auf einfache Weise aus flexiblem kupferkaschiertem Leiterplattenmaterial reproduzierbar genau hergestellt werden. Durch Wahl des Spulenquerschnitts ist eine einfache stabile Kennlinienanpassung möglich und es ergibt sich eine einfache Verstärkungsanpassung an die Drehwinkel. Eine relative Axialverschiebung des Koppelelementes ergibt eine geringe Beeinflussung des Anzeigewertes. Bei hoher Empfindlichkeit kann der Sensor mit kleinen Abmessungen hergestellt werden, beispielsweise mit einem Ferritkern von einem Durchmesser von 14 mm. Trotzdem ist die Herstellung einfach und preisgünstig.

Der erfindungsgemäße Sensor ist in erster Linie zur exakten Messung von Drehwinkeln geeignet, es ist jedoch auch möglich, das angegebene Koppelprinzip zur Messung linearer Verschiebungen anzuwenden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt und einen Radialschnitt eines Drehwinkelsensors;

Fig. 2 eine Abwicklung der relativ zur Koppelspule verdrehbaren Primär- und Sekundärspulen;

Fig. 3 eine Abwicklung der Innenseite des Koppelelementes;

Fig. 4 einen Axialschnitt und einen Radialschnitt eines Drehwinkelsensors mit umfangsmäßig überlappenden Sekundärspulen;

Fig. 5 eine Abwicklung der Spulen des Drehwinkelsensors gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine Abwicklung des Koppelelementes.

Der Drehwinkelsensor weist einen einen Kern (10) umgebenden Spulenkörper (12) auf, der drei Abschnitte (12A, 12B, 12C) besitzt. Der mittlere Abschnitt (12A) erstreckt sich über einen möglichst kleinen Teil des Umfangs und trägt die Primärspule (14). Die beiden symmetrisch hierzu angeordneten Seitenabschnitte (12B und 12C) erstrecken sich jeweils über ca. 120 Grad und tragen die Sekundärspulen (16B bzw. 16C). Dieses Spulenkörpersystem ist demgemäß zylinderrohrförmig ausgebildet und weist rahmenförmige Wickelkanäle für die Primärspule (14) bzw. die Sekundärspulen (16B, 16C) auf.

Bei einer Ausführungsform als Differentialdrossel mit zwei fremderregten Spulen könnten diese sich jeweils über knapp die Hälfte des Umfanges erstrecken.

Dieses Spulenkörpersystem wird von einem topfkernförmigen Leitelement (18) aus ferritischem Material umschlossen, welches die innerhalb des Leitelementes befindlichen Spulen abschirmt und den magnetischen Rückschluß bewirkt. Im Luftspalt zwischen dem Spulenkörper und dem zylindrischen Leitelement befindet sich ein Koppelelement, welches aus einer kupferkaschierten flexiblen Platte (20) besteht, auf der eine Koppelspule (22) aufkaschiert ist. Diese Leiterplattenfolie (20) ist auf der Innenseite des Leitelementes (18) festgelegt und die Koppelspule in Gestalt einer einzigen kurzgeschlossenen Windung (22) (vgl. Fig. 2 und 3) erstreckt sich über einen Teil des Umfanges. In der in Fig. 1 dargestellten Mittelstellung werden gleiche Flächenabschnitte der Koppelspule (22) von den Sekundärspulen (16B, 16C) bedeckt. Der ausnutzbare Drehwinkel umfaßt jenen Bereich, in welchem sich die Primärspule (14) innerhalb des von der Koppelspule (22) umschlossenen Bereichs bewegt, d. h. solange der von der Primärspule (14) erzeugte Magnetfluß die Koppelspule (22) vollständig durchsetzt.

Die Primärspule (14) wird mit Wechselspannung gespeist und die beiden Sekundärspulen (16B und 16C) werden von dem durch die Primärspule erzeugten konstanten Magnetfeld durchflutet, und in ihnen wird eine sekundäre Wechselspannung erzeugt. Der in der Koppelspule (22) durch den Magnetfluß induzierte Kurzschlußstrom erzeugt seinerseits in den Sekundärspulen eine Spannung, die sich der induzierten Spannung überlagert. In der in Fig. 1 dargestellten Stellung überdeckt die Koppelspule (22) beide Sekundärspulen (16B, 16C) flächengleich, und daher sind auch die Ausgangsspannungen der Sekundärspulen einander gleich, d. h. die Differenz wird Null. Die Änderung der Flächenüberdeckung ist linear proportional zum Drehwinkel, und da die induzierte Spannung proportional zur Fläche ist, ergibt sich bei linearer Flächenänderung eine lineare Spannungsdifferenzänderung. Die in den Sekundärspulen (16B und 16C) induzierten Spannungen werden gleichgerichtet und die Differenz der beiden Spannungen ergibt ein drehwinkelproportionales Ausgangssignal.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten rechtwinklig ausgeführten Spulensystem können Drehwinkel bis +/- 45 Grad mit Linearitätsabweichungen mit nur 1% bis 2% erreicht werden. Zur Vergrößerung des Drehwinkelbereiches kann eine Anordnung gemäß Fig. 4-6 vorgesehen werden, wobei die Sekundärspulen (116B und 116C) dreieckförmig (Fig. 5) ausgebildet sind und sich in Umfangsrichtung überlappen. Diese Sekundärspulen werden über ihren vollen Bereich von einer rechteckig ausgeführten Primärspule (114) überdeckt, und hierbei können Drehwinkel bis zu ca. 240 Grad mit einem Linearitätsfehler von nur ca. 2% erfaßt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Koppelspule (122) des Koppelelementes nur über einen relativ schmalen Winkelbereich, und der Drehwinkel wird durch die Breite der Primärspule (114) bestimmt. Hier ist jener Winkelbereich ausnutzbar, bei dem die Koppelspule (122) innerhalb der Primärspule (114) befindlich ist und immer die gleiche Spannung in der Koppelspule induziert wird. Durch eine vorbestimmte Formgebung der Koppelschleife können Linearitätsabweichungen verringert und die Linearität verbessert werden.

Für kleine Drehwinkel kann durch Anpassung von Schleifenlänge, Schleifenbreite und Schleifendicke eine optimale Empfindlichkeit eingestellt werden. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor mit einer Frequenz von ca. 1 MHz gespeist.

Claims (12)

1. Induktiver Drehwinkelsensor mit einer Primärspule und wenigstens einer vom Magnetfluß der Primärspule durchsetzten Sekundärspule, mit den Merkmalen:

• - die Primärspule (14) ist mit der oder den Sekundärspule(n) (16) drehfest verbunden,
• - es ist eine relativ zu Primär- und Sekundärspulen drehbare, kurzgeschlossene Koppelspule (22) vorgesehen, die vom Magnetfluß der Primärspule in jeder auswertbaren Winkelstellung durchsetzt wird,
• - die Primärspule (14) und die Sekundärspule(n) (16) umgeben einen zentralen Magnetkern (10) und sind von einem ringförmigen, den magnetischen Rückschluß bewirkenden Leitelement (18) umschlossen,
• - die magnetische Kopplung zwischen Koppelspule (22) und Sekundärspule(n) (16) und Primärspule (14) ist drehwinkelabhängig veränderbar, so daß die Ausgangsspannung der Sekundärspule(n) (16) ein Maß für die Winkelversetzung darstellt.

2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (18) auf seiner Innenseite die Koppelspule (22) trägt.

3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (14) im gesamten auswertbaren Winkelbereich innerhalb der Koppelspule (22) liegt.

4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelspule (122) im gesamten auswertbaren Winkelbereich zwischen den seitlichen Begrenzungen der Primärspule (114) liegt.

5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sekundärspulen (16B, 16C) symmetrisch gegenüber der Primärspule (14) und der Koppelspule (22) derart angeordnet sind, daß bei Relativdrehung die Kopplung zwischen Koppelspule (22) und der einen Sekundärspule (16B) fester und der anderen Sekundärspule (16C) loser wird.

6. Drehwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspulen (116B, 116C) sich gegenseitig in Umfangsrichtung überlappen.

7. Drehwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspulen (116B, 116C) dreieckförmig ausgebildet sind.

8. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelspule (22) aus einer einzigen kurzgeschlossenen Windung besteht.

9. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement aus einem topfförmigen Ferritkörper (18) besteht.

10. Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelspule auf einer flexiblen Leiterplattenfolie (20) aufkaschiert ist.

11. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Sekundärspulen (16B, 16C) induzierten Spannungen gleichgerichtet werden und die Differenz dieser beiden Spannungen ein drehwinkelproportionales Ausgangssignal liefert.

12. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch geometrische Formgebung der Koppelspule (22, 122) eine Linearisierungskorrektur erfolgt.