DE3935261A1 - Mehrfachumdrehungswellen-positionssensor mit spielkompensation - Google Patents
Mehrfachumdrehungswellen-positionssensor mit spielkompensationInfo
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit Wellenpositionssensoren und betrifft insbesondere
einen Positionssensor zum Erfassen der Position einer Anordnung, die eine Dre
hung von mehr als 360° ausführen kann, beispielsweise dem Lenkrad eines Fahr
zeuges.
Es ist technisch möglich, ein unzweideutiges Signal von einem Drehgeber zum
Erfassen der Position einer Welle zu erhalten, die nur eine Umdrehung, d.h. eine
Drehung von höchstens 360°, ausführen kann. Dies ist jedoch nicht bei einer
Welle der Fall, die in der Lage ist, eine Drehung von mehr als 360° auszuführen.
Eine solche Welle wird vorliegend kurz als Mehrfachumdrehungswelle bezeich
net.
In der Praxis ist es häufig erwünscht, ein eindeutiges Drehstellungssignal auch für
eine Mehrfachumdrehungswelle bereitzustellen. Dies gilt beispielsweise für die
Erfassung der Position des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges. Typischerweise läßt
sich ein Lenkrad zwischen vollem Linkseinschlag und vollem Rechtseinschlag um
mehrere Umdrehungen drehen. Eine Erfassung der Wellenposition mit Unsi
cherheitsfaktoren entsprechend jeweils einer vollen Umdrehung, würde es nicht
erlauben, die Position der gelenkten Räder eindeutig zu ermitteln. Ein solches
System wäre infolgedessen ohne zusätzliche Maßnahmen für die Anzeige der
Kurvenfahrt des Fahrzeuges ungeeignet.
Dieses Problem läßt sich lösen, wenn als Teil der Sensorvorrichtung zweckent
sprechende Hilfseinrichtungen vorgesehen werden. Beispielsweise kann ein me
chanisches Untersetzungsgetriebe benutzt werden, um die Mehrfachumdrehungs
bewegung in eine Bewegung einer Hilfswelle von weniger als 360° umzusetzen.
Ein auf dieser Hilfswelle angeordneter Drehgeber kann auf diese Weise Mehr
deutigkeiten vermeiden. Stattdessen ist es auch möglich, einen auf der Haupt
welle sitzenden Drehgeber an ein elektronisches System anzuschließen, das die
Drehungen sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn zählt,
um auf diese Weise Mehrdeutigkeiten zu vermeiden. Wegen der Mängel, mit
denen solche Systeme behaftet sind, beispielsweise dem mechanischen Spiel im
Falle eines mechanischen Untersetzungsgetriebes und dem Bedarf an komplizier
ten Zusatzschaltungen bei elektronischen Systemen, besteht in der einschlägigen
Technik ein Bedürfnis nach einem einfachen System zur eindeutigen Erfassung
der Position einer Mehrfachumdrehungswelle.
Bei typischen mechanisch gekoppelten Sensoren, die nicht toleranzfrei aufgebaut
sind, tritt ein Spiel auf, welches das Betriebsverhalten, die Genauigkeit und die
Wiederholbarkeit der Sensoreinrichtung beeinträchtigt. Im Langzeiteinsatz hat
das Spiel aufgrund von Verschleißerscheinungen die Tendenz, noch größer zu
werden, wodurch das Betriebsverhalten weiter verschlechtert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionssensor zum Erfassen
der Position einer Mehrfachumdrehungswelle zu schaffen, der trotz hoher Ge
nauigkeit und guter Reproduzierbarkeit relativ einfach aufgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen der unabhängigen Patentansprüche
gelöst.
Der erfindungsgemäße Positionssensor zum Erfassen der Position einer Mehr
fachumdrehungswelle, wie sie beispielsweise in Verbindung mit einem Fahr
zeuglenkrad vorgesehen ist, arbeitet in zwei Stufen.
Zunächst wird die Drehbewegung der Mehrfachumdrehungswelle in eine lineare
Bewegung umgesetzt. Dies erfolgt durch die Verwendung einer Mehrfachumdre
hungsspindel und einer nichtdrehbaren Mutter. Die nichtdrehbare Mutter sitzt
auf der Mehrfachumdrehungsspindel, die sich in der gleichen Weise wie die
Welle dreht, deren Position erfaßt werden soll. Die Mehrfachumdrehungsspindel
bewirkt eine lineare Bewegung der nichtdrehbaren Mutter. Eine Feder spannt die
nichtdrehbare Mutter ständig in einer Axialrichtung vor, um Spiel an den Gewin
deeingriffsflächen von Mutter und Spindel zu beseitigen.
Sodann wird diese lineare Bewegung in ein elektrisches Wellenpositionssignal
umgewandelt. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung geschieht dies aufgrund der Änderung eines magnetischen Flusses. Ein
Magnet, bei dem es sich vorzugsweise um einen Dauermagneten handelt, ist auf
der nichtdrehbaren Mutter montiert, und er wird entsprechend der Linearbewe
gung der nichtdrehbaren Mutter verstellt. Die lineare Bewegung des Magneten
wird unter Verwendung einer Magnetowiderstandsanordnung in ein elektrisches
Signal umgewandelt.
Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform wird eine einzige Magnetowi
derstandsanordnung vorgesehen. Zwei Flußplatten werden auf beiden Seiten der
linearen Bewegungsstrecke des Magneten angeordnet. Diese Flußplatten begren
zen gegenüber dem einen Ende der linearen Bewegungsstrecke des Magneten
einen engen Spalt. Die einzige Magnetowiderstandsanordnung wird in diesen en
gen Spalt gesetzt. Der von dem Magneten ausgehende magnetische Fluß, der von
der Magnetowiderstandsanordnung in dem engen Spalt zwischen den Flußplatten
erfaßt wird, ändert sich in Abhängigkeit von der Position des Magneten entlang
der linearen Bewegungsstrecke. Ein Stromkreis mißt den sich in Abhängigkeit
von dem Magnetfluß ändernden Widerstand der Magnetowiderstandsanordnung
und erzeugt ein elektrisches Positionssignal, das kennzeichnend für die Drehstel
lung der Mehrfachumdrehungswelle ist.
Eine Linearität des Ansprechverhaltens kann auf mehrerlei Weise sichergestellt
werden. Vorzugsweise wird ein Flußshunt zwischen dem Ort einer Magnetowi
derstandsanordnung und der Bewegungsstrecke des Magneten vorgesehen.
Dadurch wird sichergestellt, daß der die Magnetowiderstandsanordnung
durchsetzende magnetische Fluß in erster Linie auf den Fluß über die beiden
Flußplatten und nicht auf das Nahfeld des Magneten zurückzuführen ist. Der
Abstand der Flußplatten von der linearen Bewegungsstrecke des Magneten wird
so eingestellt, daß für eine lineare Widerstandsänderung der
Magnetowiderstandsanordnung oder -anordnungen gesorgt ist. Dies führt zu
einem stärkeren oder schwächeren magnetischen Fluß von dem Magneten in den
Flußplatten, wenn der Abstand größer oder kleiner wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine zweite nichtdrehbare Mutter
auf die Mehrfachumdrehungsspindel an einer von der ersten Mutter axial in Ab
stand liegenden Stelle gesetzt. Eine Feder wird zwischen den beiden Muttern an
geordnet und axial zusammengedrückt, um auf die beiden nichtdrehbaren Mut
tern ständig in entgegengesetzten Richtungen weisende Kräfte aufzubringen.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine im wesentlichen konstante axiale
Vorspannkraft auf die den Magneten tragende, nichtdrehbare Mutter über den
vollen Bereich ihrer Linearbewegung aufgebracht wird, wodurch jedes mechani
sche Spiel an den Eingriffsflächen zwischen der Mehrfachumdrehungsspindel
oder -welle und der einen Dauermagneten tragenden, nichtdrehbaren Mutter im
wesentlichen eliminiert wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der
beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Art der Umsetzung der Drehbewegung der Mehrfachum
drehungswelle in eine lineare Bewegung;
Fig. 2 die magnetischen Komponenten der bevorzugten Ausführungs
form des Positionssensors bei Verwendung einer Magnetowi
derstandsanordnung;
Fig. 3 den elektrischen Stromkreis der bevorzugten Ausführungsform
des Positionssensors;
Fig. 4 eine Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform eines Posi
tionssensors für eine Mehrfachumdrehungswelle;
Fig. 5 einen Schnitt entlang den Linien V-V der Fig. 4, der Einzelhei
ten des Innenaufbaus des Sensors erkennen läßt;
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI der Fig. 5;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Sensormontageblockes der
Sensoranordnung nach Fig. 4;
Fig. 8 in verkleinertem Maßstab eine Stirnansicht des Sensormonta
geblockes nach Fig. 7;
Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX der Fig. 8;
Fig. 10 eine Ansicht des Sensormontageblockes der Fig. 8 von unten;
Fig. 11 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht zweier
nichtdrehbarer Muttern zur Montage mit zwei innenliegenden
Vorspannfedern; und
Fig. 12 eine aufgebrochene Seitenansicht einer Mehrfachumdrehungs
welle zur Verwendung bei dem Sensor nach Fig. 4 zusammen
mit den nichtdrehbaren Muttern der Fig. 11.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form den mechanischen Teil des vorliegenden Posi
tionssensors, welcher die Mehrfachumdrehungsbewegung der Welle in eine li
neare Bewegung umsetzt. Die Mehrfachumdrehungswelle 10 ist mit der Welle,
deren Position ermittelt werden soll, mechanisch gekoppelt. Diese Verbindung ist
in einer solchen Weise ausgeführt, daß eine Korrespondenz zwischen der Dreh
bewegung der Welle, deren Position zu erfassen ist, und der Mehrfachumdre
hungswelle oder -spindel 10 besteht. Es ist möglich, die Mehrfachumdrehungs
welle 10 als Teil der Welle auszubilden, deren Position erfaßt werden soll. Statt
dessen kann die Mehrfachumdrehungswelle 10 mit einer solchen Welle auch über
ein Getriebe oder über ein Riemensystem gekoppelt sein.
Die Mehrfachumdrehungswelle 10 weist ein Gewinde 15 auf. Auf der Welle 10
sitzen an den betreffenden Enden des Gewindes 15 Endanschläge 20 und 25. Die
Endanschläge 20 und 25 hindern eine nichtdrehbare Mutter 30 daran, von den
Enden des Gewindes 15 abzurutschen. Bei der bevorzugten Ausführungsform
entsprechen die Endanschläge 20 und 25 dem zulässigen Bewegungsbereich der
Welle, deren Position erfaßt werden soll. Ein Magnet 40 ist mit der nichtdrehba
ren Mutter 30 über einen Schaft 35 gekoppelt. Bei dem Magneten 40 handelt es
sich vorzugsweise um einen Dauermagneten.
Aus Fig. 1 ist zu erkennen, wie die drehende Bewegung in eine lineare Bewegung
umgesetzt wird. Wenn sich die Mehrfachumdrehungswelle 10 dreht, bewirkt das
Gewinde 15, daß sich die nichtdrehbare Mutter 30 linear zwischen den Endan
schlägen 20 und 25 verlagert. Dies hat seinerseits zur Folge, daß sich der Magnet
40 entlang einer linearen Bahn oder Strecke 45 zwischen einem ersten Ende 43
und einem zweiten Ende 47 bewegt. Die lineare Bewegung des Magneten 40 wird
genutzt, um in der weiter unten näher erläuterten Weise ein elektrisches Posi
tionssignal zu erzeugen. Es sind Mittel vorgesehen, welche auf die Mutter 30 eine
konstante axiale Vorspannkraft - angedeutet durch Pfeile 41 - aufbringen, um
Spiel zu beseitigen, während die Mutter innerhalb ihres Bewegungsbereichs zwi
schen den Endanschlägen 20 und 25 verschoben wird.
Fig. 2 zeigt die magnetischen Komponenten entsprechend der bevorzugten Aus
führungsform des vorliegenden Positionssensors. Zu beiden Seiten der Bahn 45
des Magneten 40 befindet sich jeweils eine von zwei Flußplatten 50 und 55. Diese
Flußplatten 50 und 55 umgreifen die Bahn 45 des Magneten 40 von deren erstem
Ende 43 bis zum zweiten Ende 47. Die Welle 10, das Gewinde 15, die Endan
schläge 20 und 25 sowie die Mutter 30 sind in Fig. 2 der besseren Übersicht hal
ber nicht dargestellt. Diese Teile befinden sich unterhalb der in Fig. 2 veran
schaulichten Flußplatten 50 und 55. Jenseits des ersten Endes 43 begrenzen die
Flußplatten 50 und 55 zwischen sich einen engen Spalt 53. Eine Magnetowider
standsanordnung 70 sitzt in diesem engen Spalt 53. Ein Flußshunt 60 ist jenseits
des ersten Endes 43 der Bahn 45 zwischen der Magnetowiderstandsanordnung 70
und dem Magneten 40 vorgesehen.
Die Position der Mehrfachumdrehungswelle 10 wird anhand des magnetischen
Flusses in dem engen Spalt 53 erfaßt. Die Flußplatten 50 und 55 sowie der
Flußshunt 60 bestehen aus einem Werkstoff mit hoher magnetischer Permeabli
tät, beispielsweise Stahl. Daher suchen die Flußplatten 50 und 55 sowie der
Flußshunt 60 die von dem Magneten 40 erzeugten magnetischen Feldlinien zu
veranlassen, diesen Bauteilen zu folgen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ändert sich
der Abstand 57 zwischen der Bahn 45 und der Flußplatte 55 in Abhängigkeit von
der Position entlang der Bahn 45. Der Abstand der Flußplatte 50 von der Bahn 45
variiert in ähnlicher Weise. Infolgedessen berührt eine größere Anzahl von
magnetischen Flußlinien des Magneten 40 die Flußplatten 50 und 55, wenn der
Magnet 40 näher dem ersten Ende 43 der Bahn 45 steht. Weil die Flußplatten 50
und 55 aus einem Werkstoff von hoher magnetischer Permeabilität bestehen, fol
gen im wesentlichen alle Flußlinien, welche die Flußplatten 50 und 55 berühren,
diesen Flußplatten; sie erscheinen dementsprechend in dem engen Spalt 53. Die
Magnetowiderstandsanordnung 70 sitzt in dem engen Spalt 53, um die Größe des
magnetischen Flusses zu ermitteln. Der elektrische Widerstand der Magnetowi
derstandsanordnung 70 nimmt in der Gegenwart von unterschiedlichen magneti
schen Feldstärken unterschiedliche Werte an. Der Widerstand der Magnetowi
derstandsanordnung 70 ist infolgedessen ein Maß für die Position des Magneten
40 entlang der Bahn 50 und damit für die Position der Mehrfachumdrehungswelle
10. Der Flußshunt 60 ist vorgesehen, um die Linearität der Beziehung zwischen
dem Widerstand der Magnetowiderstandsanordnung 70 und der Position des
Magneten 40 zu steigern. Der Flußshunt 60 verhindert, daß der von dem Magne
ten 40 ausgehende Nahfeld-Magnetismus die Magnetowiderstandsanordnung 70
unmittelbar erreicht, d.h. ohne den Flußplatten 50 und 55 zu folgen. In Abwesen
heit des Flußshunts 60 würde von dem Magneten 40 ausgehender Magnetfluß die
Magnetowiderstandsanordnung 70 unmittelbar von dem Magneten 40 aus errei
chen, insbesondere wenn der Magnet 40 nahe dem ersten Ende 43 steht. Dieses
unmittelbare Auftreffen von magnetischem Fluß würde zu einer nichtlinearen
Beziehung zwischen dem Widerstand der Magnetowiderstandsanordnung 70 und
der Position des Magneten 40 führen.
Eine weitere Linearisierung kann über den Abstand 57 zwischen der Bahn 45 und
den Flußplatten 50 und 55 erfolgen. Die Form des Verlaufs der Flußplatten 50
und 55 bestimmt die Beziehung zwischen der Position des Magneten 40 entlang
der Bahn 45 und dem Fluß, der in dem engen Spalt 53 erscheint. Es ist möglich,
einen nichtlinearen Verlauf der Flußplatten 50 und 55 vorzusehen, um Nichtli
nearitäten in dem Ansprechverhalten der Magnetowiderstandsanordnung 70 auf
den magnetischen Fluß zu kompensieren.
Fig. 3 zeigt in schematischer Form den Stromkreis zum Ermitteln des Widerstan
des der Magnetowiderstandsanordnung 70. Entsprechend der bevorzugten Aus
führungsform ist die Magnetowiderstandsanordnung als eine Wheatstone-Brücke
ausgelegt. Dies erlaubt eine größere Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des
Widerstandes, die von sich ändernden Magnetfeldern verursacht werden. Zur
Speisung der gegenüberliegenden Anschlüsse 2 und 4 der Wheatstone-Brücke der
Magnetowiderstandsanordnung 70 ist eine Konstantstromquelle 72 vorgesehen.
Die an den beiden anderen Anschlüssen 1 und 3 der Brücke auftretende Span
nungsdifferenz wird gemessen. Die Spannung am Anschluß 1 wird dem invertie
renden Eingang eines Operationsverstärkers 74 zugeführt, während die Spannung
am Anschluß 3 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 74
geht. Das an dem Ausgangsanschluß 76 des Operationsverstärkers 74 auftretende
Ausgangssignal ist daher ein Maß für die Widerstandsdifferenz innerhalb der
Magnetowiderstandsanordnung 70.
Die Fig. 4 bis 12 zeigen zusammen bauliche Einzelheiten der bevorzugten Aus
führungsform des Positionssensors, die im wesentlichen in der oben anhand der
Fig. 1 bis 3 erläuterten Weise arbeitet. In den Fig. 4 und 5 ist ein Positionssen
sor 80 im zusammengebauten Zustand dargestellt; er weist ein im wesentlichen
kubisches Gehäuse 82 auf, das einen Innenraum 84 bildet, der mittels eines
Deckels 86 verschlossen wird. Das Gehäuse 82 und der Deckel 86 werden über
zweckentsprechende Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben 88, zusam
mengehalten. In dem Gehäuse 82 und dem Deckel 86 sind miteinander
fluchtende Durchlässe 90 und 91 zur Aufnahme von Montage-Hardware (nicht
dargestellt) ausgebildet. Das Gehäuse 82 und der Deckel 86 bestehen aus einem
Werkstoff, beispielsweise Stahl, der für einen der beabsichtigten Anwendung ent
sprechenden robusten Aufbau und für eine Isolierung gegenüber externen Quel
len von magnetischer Strahlung und Hochfrequenzstrahlung sorgt. In dem Ge
häuse 82 und dem Deckel 86 sind ferner miteinander fluchtende abgestufte Öff
nungen 92 bzw. 94 ausgebildet. Eine Welle oder Spindel 96 erstreckt sich durch
die Öffnungen 92 und 94 sowie durch den Innenraum 84 hindurch. Wie aus Fig. 5
hervorgeht, ist nahe dem unteren Ende der Welle 96 ein nach außen vorsprin
gender Ringflansch 98 ausgebildet, der sich in eine Abstufung der Öffnung 92
einlegt und als Axiallager dient, das eine Verlagerung der Welle 96 gegenüber
dem Gehäuse 82 nach oben begrenzt. In ähnlicher Weise ist am oberen Ende der
Welle 96 ein Ringflansch 100 vorgesehen, der an einem geteilten Axiallager 102
in der abgestuften Öffnung 94 anliegt. Das Axiallager 102 wird von einem Posi
tionierring 104 gehalten, der seinerseits in Axialrichtung von einem Schnappring
108 abgestützt wird, der in eine sich radial nach innen öffnende Nut 109 in der
Öffnung 94 des Deckels 86 eingreift. Im montierten Zustand wird daher die
Welle 96 in Axialrichtung in der veranschaulichten Position mit Bezug auf das
Gehäuse 82 und den Deckel 86 gehalten, während sie sich um ihre Achse drehen
kann. In der Öffnung 94 sitzt ein Axiallagerring 106. Eine gewellte Feder 111 ist
zwischen dem Axiallagerring 106 und dem Deckel 86 angeordnet, um die Welle
96 nach unten vorzuspannen und dadurch Positionsänderungen des Magneten 134
aufgrund von notwendigen Toleranzen zu eliminieren. Das obere und das untere
Ende der Welle 96 sind mit zweckentsprechenden Verzahnungen 110 und 112 zur
Ankupplung an andere Teile eines Hostsystems (beispielsweise einer Lenkvor
richtung) versehen.
Der mittlere Teil der Welle 96 bildet ein Spindelgewinde 114, das in Axialrich
tung durch den Innenraum 84 hindurchreicht. Wie am besten aus den Fig. 11
und 12 hervorgeht, stehen mit dem Gewinde 114 zwei Muttern 116 und 118 in
nerhalb des Hohlraums 84 in Gewindeeingriff. Die Muttern 116 und 118 sind mit
untereinander fluchtenden Gruppen von Sacklöchern 120 bzw. 122 zur Aufnahme
von Schraubenfedern 124 versehen. Die Muttern 116 und 118 tragen jeweils zwei
einander diagonal gegenüberliegende, nach außen vorstehende Führungsstifte
126 bzw. 128, die mit Preßpassung in Sacklöchern 130 bzw. 132 sitzen. Ein in Um
fangsrichtung polarisierter, im wesentlichen zylindrischer Dauermagnet 134 sitzt
mit Preßsitz in einer Magnethalterung 136, die von der Mutter 116 getragen wird
und mit dieser über zweckentsprechende Mittel, beispielsweise Schrauben 138,
verbunden ist.
Entsprechend den Fig. 5 und 6 sind in dem den Innenraum 84 umschließenden
inneren Teil des Gehäuses 82 zwei in lotrechter Richtung verlaufende, einander
gegenüberliegende, nach innen reichende Führungsschlitze 140 ausgebildet, die
so bemessen sind, daß sie die Führungsstifte 126 und 128 der Muttern 116 bzw.
118 lose aufnehmen. Im montierten Zustand werden die Muttern 116 und 118
dadurch an einer Drehung gegenüber dem Gehäuse 82 gehindert, während sie in
lotrechter Richtung zwischen einer oberen Endstellung, in welcher sich die
Oberseite der Mutter 118 gegen die Unterseite des Deckels 86 anlegt, und einer
unteren Endstellung, in welcher die Unterseite der Mutter 116 mit dem den Bo
den des Hohlraums 84 bildenden Teil des Gehäuses 82 in Kontakt kommt, linear
verstellbar sind.
Wie am besten aus den Fig. 5 und 12 hervorgeht, sind die Muttern 116 und 118
in Axialrichtung um einen festen Abstand geringfügig gegeneinander versetzt und
so angeordnet, daß die Sacklöcher 120 und 122 zur Aufnahme der Federn 124
miteinander ausgerichtet sind. Die Federn 124 sind unter Druckbeanspruchung
vorgespannt, und sie suchen infolgedessen die Mutter 116 nach unten sowie
gleichzeitig die Mutter 118 nach oben zu drücken. Diese Vorspannwirkung ist un
abhängig von der Relativlage der Muttern 116 und 118 auf der Welle 96. Das be
deutet, daß die Vorspannwirkung innerhalb des linearen Arbeitsbereiches der
Muttern 116 und 118 als kontinuierlich und konstant angesehen werden kann.
Durch das Vorspannen der Muttern 116 und 118 in entgegengesetzten Richtun
gen wird praktisch jedes Spiel an den Gewindeeingriffsflächen zwischen den Mut
tern 116 und 118 sowie dem Gewinde 114 der Welle 96 eliminiert. Wenn daher
der Sensor 80 Vibrationen, mechanischer Abnutzung und anderen Arbeitsbean
spruchungen ausgesetzt wird, bleibt eine verläßliche und wiederholbare Positio
nierung des Magneten 134 sichergestellt.
Entsprechend den Fig. 5 und 6 ist der Hohlraum 84 so ausgebildet, daß er einen
Sensormontageblock 142 und einen Schaltungsmontageblock 144 aufnimmt. Die
Montageblöcke 142 und 144 werden in den veranschaulichten Stellungen vorläu
fig, beispielsweise mittels Kleber, so gehalten, daß sie die Bewegung der Muttern
116 und 118 in dem Hohlraum 84 nicht behindern. Die Blöcke 142 und 144 sind
aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, gefertigt,
und sie werden im fertigmontierten Zustand in den veranschaulichten Stellungen
durch ein System von Führungsspitzen 146 gehalten, die sich in entsprechende
konische Ausnehmungen 148 einlegen, welche in der Unterseite des Deckels 86
und in dem die Unterseite des Hohlraumes 84 bildenden unteren Teil des Ge
häuses 82 ausgebildet sind.
In den Fig. 7 bis 10 sind Einzelheiten des Sensormontageblockes 142 veran
schaulicht. Bei dem Block 142 handelt es sich um eine im wesentlichen recht
eckige Anordnung, in welcher eine in Axialrichtung langgestreckte Montageauf
nahmeöffnung 150 ausgebildet ist, die sich über nahezu die gesamte Länge des
Blockes 142 erstreckt. Die Öffnung 150 ist an der Unterseite und an der den Mut
tern 116 und 118 zugewendeten Innenwand des Blockes 142 offen, so daß sich
(entsprechend Fig. 5) die Magnethalterung 136 und der Magnet 134 in die Öff
nung 150 hineinerstrecken können, ohne die Wandungen der Öffnung zu berüh
ren. Zwei symmetrische, nach oben zusammenlaufende Flußplatten-Aufnahme
schlitze 152 und 154 stehen mit dem oberen Ende der Magnetaufnahmeöffnung
150 in Verbindung und enden dort, wo sie sich am weitesten gegenseitig an
nähern, benachbart einer Aufnahmeöffnung 156 für die Magnetowiderstandsan
ordnung 70. Ein gekrümmter Flußshunt-Aufnahmeschlitz 158 verbindet die obe
ren Enden der Flußplatten-Aufnahmeschlitze 152 und 154 an einer Stelle, die in
lotrechter Richtung zwischen der Stelle, wo die Schlitze 152 und 154 mit der
Magnetaufnahmeöffnung 150 in Verbindung stehen, und der Aufnahmeöffnung
156 für die Magnetowiderstandsanordnung liegt. Die Schlitze 152, 154 und 158
sowie die Öffnung 156 sind zu der Innenseite des Blockes 142 hin offen, welche
im montierten Zustand den Muttern 116 und 118 am nächsten liegt. Der Sensor
montageblock 142 weist ein abgewinkeltes Führungsteil 160 auf, in welchem ein
Drahtdurchführungskanal 162 ausgebildet ist.
Der Schaltungsmontageblock 144 ist in Fig. 6 nur im Umriß dargestellt, und er
hat die Aufgabe, die in Fig. 3 schematisch veranschaulichte elektrische Schaltung
innerhalb des Gehäuses 82 zu isolieren und aufzunehmen. Bei dem Block 144
kann es sich um einen Hohlkörper handeln, der die betreffenden Schaltungskom
ponenten aufnimmt, wobei letztere durch Vergießen oder auf andere zweckent
sprechende Weise an Ort und Stelle gehalten sind. Der Einfachheit halber sind
diesbezügliche weitere Einzelheiten vorliegend weggelassen.
Wie am besten aus Fig. 6 hervorgeht, sitzen im montierten Zustand die Blöcke
142 und 144 benachbart innerhalb des Hohlraums 84. Die Flußplatten 50 und 55
sind in die betreffenden Aufnahmeschlitze 152 bzw. 154 mit Preßsitz eingesetzt.
In entsprechender Weise wird der Flußshunt 60 von dem Schlitz 158 mit Preßsitz
derart aufgenommen, daß seine Endteile in der oben erläuterten Weise in klei
nem Abstand von den Flußplatten 50 und 55 liegen. Die Magnetowiderstandsan
ordnung 70 ist innerhalb der Ausnehmung 156 angeordnet und wird mit den
obersten Enden der Flußplatten 50 und 55 durch Vergußwerkstoff oder derglei
chen in symmetrischer Ausrichtung gehalten. Die von der Magnetowider
standsanordnung 70 abgehenden Drähte sind durch den Kanal 162 hindurch in
einen benachbarten, ähnlich ausgebildeten Führungsabschnitt 164 geführt, der in
dem Schaltungsmontageblock 144 ausgebildet ist.
Ein Ausgangssignal wird, wie oben erläutert, an dem Anschluß 76 (Fig. 3) abge
geben. Entsprechend der in Fig. 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsform er
folgt die Herausleitung des Ausgangssignals über ein Verbindungsteil 166, das in
eine Seitenwand des Gehäuses 82 eingebettet ist, wobei für entsprechende elek
trische Verbindungen (nicht veranschaulicht) mit den übrigen Schaltungskompo
nenten gesorgt ist, die innerhalb des Schaltungsmontageblockes 144 unterge
bracht sind. Falls erwünscht, kann ein unabhängiges zweites Ausgangssignal be
reitgestellt werden, wenn ein zweiter Sensormontageblock 142′ und ein zweiter
Schaltungsmontageblock 144′ vorgesehen werden, wie dies in Fig. 6 mit strich
punktierten Linien angedeutet ist. Bei einer solchen Anordnung sind ein zweiter
Magnet mit zugehöriger Magnethalterung, Flußplatten, Flußshunt und Magneto
widerstandsanordnung vorzusehen, wobei die Ausbildung und die Anordnung in
der vorstehend erläuterten Weise getroffen werden.
Claims (11)
1. Positionssensor zum Erfassen der Position einer Mehrfachumdrehungswelle,
mit:
einer Mehrfachumdrehungs-Gewindespindel (96), die sich zusammen mit der Mehrfachumdrehungswelle drehen kann;
einer ersten und einer zweiten nichtdrehbaren Mutter (116, 118), die axial in Abstand voneinander auf der Mehrfachumdrehungs-Gewindespindel (96) für eine lineare Bewegung in Abhängigkeit von einer Drehbewegung der Mehr fachumdrehungs-Gewindespindel gelagert sind,
einer Vorspanneinrichtung (124), die zwischen den nichtdrehbaren Muttern (116, 118) Vorspannkraft in axial entgegengesetzten Richtungen aufbringt;
einem auf der ersten nichtdrehbaren Mutter (116) sitzenden Magneten (134), der bei der linearen Verstellung der ersten nichtdrehbaren Mutter eine li neare Bewegung entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn zwischen ei nem ersten und einem zweiten Ende ausführen kann;
zwei Flußplatten (50, 55) aus einem Werkstoff von hoher magnetischer Per meabilität, die auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsbahn des Magneten (134) angeordnet sind und gegenüber dem ersten Ende der Bewe gungsbahn zwischen sich einen engen Spalt (53) begrenzen;
einer in dem engen Spalt (53) zwischen den beiden Flußplatten (50, 55) sitz enden Magnetowiderstandsanordnung (70), die einen elektrischen Wider stand hat, der von dem durch diese Anordnung hindurchtretenden magneti schen Fluß abhängt; und
einem an die Magnetowiderstandsanordnung (70) angeschlossenen Strom kreis (72, 74) zum Messen des elektrischen Widerstandes der Magnetowider standsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehrfachum drehungswelle kennzeichnenden Positionssignals, das proportional dem elek trischen Widerstand der Magnetowiderstandsanordnung ist.
einer Mehrfachumdrehungs-Gewindespindel (96), die sich zusammen mit der Mehrfachumdrehungswelle drehen kann;
einer ersten und einer zweiten nichtdrehbaren Mutter (116, 118), die axial in Abstand voneinander auf der Mehrfachumdrehungs-Gewindespindel (96) für eine lineare Bewegung in Abhängigkeit von einer Drehbewegung der Mehr fachumdrehungs-Gewindespindel gelagert sind,
einer Vorspanneinrichtung (124), die zwischen den nichtdrehbaren Muttern (116, 118) Vorspannkraft in axial entgegengesetzten Richtungen aufbringt;
einem auf der ersten nichtdrehbaren Mutter (116) sitzenden Magneten (134), der bei der linearen Verstellung der ersten nichtdrehbaren Mutter eine li neare Bewegung entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn zwischen ei nem ersten und einem zweiten Ende ausführen kann;
zwei Flußplatten (50, 55) aus einem Werkstoff von hoher magnetischer Per meabilität, die auf gegenüberliegenden Seiten der Bewegungsbahn des Magneten (134) angeordnet sind und gegenüber dem ersten Ende der Bewe gungsbahn zwischen sich einen engen Spalt (53) begrenzen;
einer in dem engen Spalt (53) zwischen den beiden Flußplatten (50, 55) sitz enden Magnetowiderstandsanordnung (70), die einen elektrischen Wider stand hat, der von dem durch diese Anordnung hindurchtretenden magneti schen Fluß abhängt; und
einem an die Magnetowiderstandsanordnung (70) angeschlossenen Strom kreis (72, 74) zum Messen des elektrischen Widerstandes der Magnetowider standsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehrfachum drehungswelle kennzeichnenden Positionssignals, das proportional dem elek trischen Widerstand der Magnetowiderstandsanordnung ist.
2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehr
fachumdrehungswelle mit einem Fahrzeuglenkrad verbunden ist und das Po
sitionssignal die Stellung des Lenkrades anzeigt.
3. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Magnet (134) ein Dauermagnet ist.
4. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen den beiden Flußplatten (50, 55) gegenüber dem ersten
Ende der Bewegungsbahn ein Flußshunt (60) aus einem Werkstoff von hoher
magnetischer Permeabilität angeordnet ist, welcher die Magnetowiderstand
sanordnung (70) derart gegenüber unmittelbar von dem Magneten (134) aus
gehenden Magnetfeldern abschirmt, daß der magnetische Fluß durch die
Magnetowiderstandsanordnung in erster Linie von den beiden Flußplatten
kommt.
5. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Flußplatten (50, 55) für Teile
der Flußplatten, die von dem ersten Ende der Bewegungsbahn weiter ablie
gen, derart zunimmt, daß der von dem Magneten innerhalb des engen Spaltes
(53) ausgebildete magnetische Fluß am größten ist, wenn sich der Magnet
nahe dem ersten Ende der Bewegungsbahn befindet, und für Teile der Bewe
gungsbahn abnimmt, die von dem ersten Ende der Bewegungsbahn weiter
abliegen.
6. Positionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ab
stand zwischen den beiden Flußplatten (50, 55) in Abhängigkeit von dem Ab
stand von dem ersten Ende der Bewegungsbahn derart ändert, daß der elek
trische Widerstand der Magnetowiderstandsanordnung (70) eine lineare
Funktion des Abstands des Magneten (134) von dem ersten Ende der Bewe
gungsstrecke ist.
7. Positionssensor zum Erfassen der Position einer Mehrfachumdrehungswelle,
mit:
einem Magneten (40; 134) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses;
einer mit der Mehrfachumdrehungswelle (10, 96) und mit dem Magneten verbundenen Umsetzeinrichtung (30; 116) zum Umsetzen der Mehrfachum drehungsbewegung der Mehrfachumdrehungswelle in eine lineare Bewegung des Magneten entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn (45);
einer Vorspannanordnung (41; 118, 124) zum ständigen Vorspannen der mit der Mehrfachumdrehungswelle verbundenen Einrichtung in axialer Richtung;
mindestens einer Magnetowiderstandsanordnung (70), die derart angeordnet ist, daß sie von dem Magneten einen sich in Abhängigkeit von der Position des Magneten entlang der Bewegungsbahn ändernden magnetischen Fluß aufnimmt, und deren elektrischer Widerstand von der Größe des aufgenom menen magnetischen Flusses abhängt; und
einem an die mindestens eine Magnetowiderstandsanordnung angeschlosse nen Stromkreis (72, 74) zum Messen des elektrischen Widerstandes der min destens einen Magnetowiderstandsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehrfachumdrehungswelle kennzeichnenden Positionssignals, das proportional dem elektrischen Widerstand der mindestens einen Mag netowiderstandsanordnung ist.
einem Magneten (40; 134) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses;
einer mit der Mehrfachumdrehungswelle (10, 96) und mit dem Magneten verbundenen Umsetzeinrichtung (30; 116) zum Umsetzen der Mehrfachum drehungsbewegung der Mehrfachumdrehungswelle in eine lineare Bewegung des Magneten entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn (45);
einer Vorspannanordnung (41; 118, 124) zum ständigen Vorspannen der mit der Mehrfachumdrehungswelle verbundenen Einrichtung in axialer Richtung;
mindestens einer Magnetowiderstandsanordnung (70), die derart angeordnet ist, daß sie von dem Magneten einen sich in Abhängigkeit von der Position des Magneten entlang der Bewegungsbahn ändernden magnetischen Fluß aufnimmt, und deren elektrischer Widerstand von der Größe des aufgenom menen magnetischen Flusses abhängt; und
einem an die mindestens eine Magnetowiderstandsanordnung angeschlosse nen Stromkreis (72, 74) zum Messen des elektrischen Widerstandes der min destens einen Magnetowiderstandsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehrfachumdrehungswelle kennzeichnenden Positionssignals, das proportional dem elektrischen Widerstand der mindestens einen Mag netowiderstandsanordnung ist.
8. Positionssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor
spannanordnung (41; 118, 124) eine im wesentlichen konstante axiale Kraft
komponente auf die mit der Mehrfachumdrehungswelle verbundene Umsetz
einrichtung (30; 116) unabhängig von der Axialstellung der Umsetzeinrich
tung ausübt.
9. Positionssensor zum Erfassen der Position einer Mehrfachumdrehungswelle,
mit:
einem ersten und einem zweiten Magneten zum Erzeugen von magnetischem Fluß;
einer mit der Mehrfachumdrehungswelle und dem Magneten verbundenen Umsetzeinrichtung zum Umsetzen der Mehrfachumdrehungsbewegung der Mehrfachumdrehungswelle in eine lineare Bewegung der Magneten entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn;
einer Vorspannanordnung zum ständigen Vorspannen der mit der Mehr fachumdrehungswelle verbundenen Umsetzeinrichtung in axialer Richtung;
einer ersten Magnetowiderstandsanordnung, die derart angeordnet ist, daß sie von dem ersten Magneten einen sich in Abhängigkeit von der Position des ersten Magneten entlang der Bewegungsbahn ändernden Fluß aufnimmt, und deren elektrischer Widerstand von der Größe des aufgenommenen magneti schen Flusses abhängt;
einem an die erste Magnetowiderstandsanordnung angeschlossenen ersten Stromkreis zum Messen des elektrischen Widerstandes der ersten Magneto widerstandsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehr fachumdrehungswelle kennzeichnenden ersten Positionssignals, das propor tional dem elektrischen Widerstand der ersten Magnetowiderstandsanord nung ist;
einer zweiten Magnetowiderstandsanordnung, die derart angeordnet ist, daß sie von dem zweiten Magneten einen sich in Abhängigkeit von der Position des zweiten Magneten entlang der Bewegungsbahn ändernden magnetischen Fluß aufnimmt, und deren elektrischer Widerstand von der Größe des aufge nommenen magnetischen Flusses abhängt; und
einem an die zweite Magnetowiderstandsanordnung angeschlossenen zweiten Stromkreis zum Messen des elektrischen Widerstandes der zweiten Mag netowiderstandsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehrfachumdrehungswelle kennzeichnenden Positionssignals, das proportio nal dem elektrischen Widerstand der zweiten Magnetowiderstandsanordnung ist.
einem ersten und einem zweiten Magneten zum Erzeugen von magnetischem Fluß;
einer mit der Mehrfachumdrehungswelle und dem Magneten verbundenen Umsetzeinrichtung zum Umsetzen der Mehrfachumdrehungsbewegung der Mehrfachumdrehungswelle in eine lineare Bewegung der Magneten entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn;
einer Vorspannanordnung zum ständigen Vorspannen der mit der Mehr fachumdrehungswelle verbundenen Umsetzeinrichtung in axialer Richtung;
einer ersten Magnetowiderstandsanordnung, die derart angeordnet ist, daß sie von dem ersten Magneten einen sich in Abhängigkeit von der Position des ersten Magneten entlang der Bewegungsbahn ändernden Fluß aufnimmt, und deren elektrischer Widerstand von der Größe des aufgenommenen magneti schen Flusses abhängt;
einem an die erste Magnetowiderstandsanordnung angeschlossenen ersten Stromkreis zum Messen des elektrischen Widerstandes der ersten Magneto widerstandsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehr fachumdrehungswelle kennzeichnenden ersten Positionssignals, das propor tional dem elektrischen Widerstand der ersten Magnetowiderstandsanord nung ist;
einer zweiten Magnetowiderstandsanordnung, die derart angeordnet ist, daß sie von dem zweiten Magneten einen sich in Abhängigkeit von der Position des zweiten Magneten entlang der Bewegungsbahn ändernden magnetischen Fluß aufnimmt, und deren elektrischer Widerstand von der Größe des aufge nommenen magnetischen Flusses abhängt; und
einem an die zweite Magnetowiderstandsanordnung angeschlossenen zweiten Stromkreis zum Messen des elektrischen Widerstandes der zweiten Mag netowiderstandsanordnung und zum Erzeugen eines für die Position der Mehrfachumdrehungswelle kennzeichnenden Positionssignals, das proportio nal dem elektrischen Widerstand der zweiten Magnetowiderstandsanordnung ist.
10. Positionssensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch
eine Gehäuseanordnung (82, 86), welche die Mehrfachumdrehungswelle (96)
an ihren gegenüberliegenden Enden drehbar abstützt und eine dem einen
Wellenende zugeordnete Einrichtung zum Begrenzen der axialen Bewegungs
freiheit der Welle, wenn die mit der Welle verbundene Umsetzeinrichtung
(30; 116) in ihrer einen axialen Endstellung steht, sowie eine dem anderen
Wellenende zugeordnete Einrichtung zum Begrenzen der axialen Bewegungs
freiheit der Welle aufweist, wenn die mit der Welle verbundene Umsetzein
richtung in ihrer anderen Endstellung steht, so daß die Drehung der Welle
auf einen vorbestimmten Bereich begrenzt ist, ohne daß zwischen den den
Wellenenden zugeordneten Einrichtungen Druck- oder Zugkräfte aufge
bracht werden.
11. Positionssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
eine der dem einen Wellenende zugeordneten Einrichtungen den Magneten
und die mit der Mehrfachumdrehungswelle verbundene Umsetzeinrichtung in
Abstand von der Magnetowiderstandsanordnung hält.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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