DE4104485A1 - Drehwinkelsensor - Google Patents

Drehwinkelsensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor zur Verarbeitung mehrerer Umdrehungen eines relativ zu einem zweiten Bauteil drehbaren Bauteils, mit einer Meßbahn, die an wenigstens einer Stelle mit dem einen Bauteil drehfest verbunden ist, und mit einem Abgreifelement, das mit dem zweiten Bauteil drehfest verbunden ist.
Aus der WO-A1-89/00 331 ist ein Drehwinkelsensor bekannt, der als Drehwinkel-Potentiometer ausgeführt ist. Eine Ausführungsform dieses Potentiometers dient zur Messung mehrerer Umdrehungen einer Lenkspindel durch zwei gegeneinander versetzte Meßsignale. Mit einem derartigen Potentiometer kann jedoch ein Meßsignal nicht einer bestimmten Umdrehung zugeordnet werden. Für eine Zuordnung eines Meßsignals zu einer bestimmten Umdrehung ist deshalb außer der Feinmessung noch ein Grob-Potentiometer erforderlich, bei dem über den gesamten Drehwinkelbereich jedem Ausgangssignal nur ein Drehwinkel zugeordnet ist.
Andere bekannte Drehwinkelsensoren für die Verarbeitung von mehreren Umdrehungen benötigen deshalb ein Getriebe. Dabei wird der eingeleitete Drehwinkel beispielsweise durch ein Schraubgetriebe in eine axiale Bewegung umgewandelt, die von einem Sensor erfaßt wird.
Bei allen Drehwinkelsensoren mit Getriebe ergeben sich durch Fertigungstoleranzen des Getriebes Ungenauigkeiten in der Übersetzung des eingeleiteten Drehwinkels in die von dem Sensor erfaßte Bewegung. Das Getriebespiel, das sich nur mit hohem Aufwand verringern läßt, verursacht eine Hysterese, in der von dem Sensor erfaßten Bewegung bei Umkehr der Drehrichtung. Bei der Verwendung eines Schraubgetriebes ergibt sich zusätzlich noch eine große Baulänge.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelsensor zur Verarbeitung mehrerer Umdrehungen eines relativ zu einem zweiten Bauteil drehbaren Bauteils zu schaffen, der kein Getriebe benötigt. Dadurch soll der Drehwinkelsensor trotz geringem Bauaufwand genauere und mit weniger Hysterese behaftete Meßwerte liefern als bekannte Drehwinkelsensoren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den in Anspruch 1 gekennzeichneten Drehwinkelsensor gelöst. Die Lösung erfolgt vor allem dadurch, daß die Meßbahn auf einer Folie angeordnet ist, die radial innerhalb oder außerhalb von einem der beiden Bauteile spiralförmig angeordnet ist. Zwischen den Windungen der Folie ist ein Trennelement derart angeordnet, daß ein Teil der Windungen der Folie radial innerhalb und ein anderer Teil der Windungen radial außerhalb des Trennelements liegt. Mit der Drehung eines der Bauteile ändert sich die Anzahl der Windungen, die innerhalb bzw. außerhalb des Trennelements liegen.
Da die Folie in mehreren Windungen spiralförmig aufgewickelt ist, können mit dem Drehwinkelsensor Meßwerte für mehrere Umdrehungen genau und hysteresefrei ermittelt werden. Eine eindeutige Zuordnung des Meßergebnisses zu den einzelnen Umdrehungen der Bauteile ist ohne zwischengeschaltetes Getriebe möglich. Die Kosten für ein Getriebe entfallen. Der Drehwinkelsensor benötigt nur einen geringen Bauraum. Eine Änderung der Genauigkeit, die durch einen Verschleiß eines Getriebes entstehen könnte, tritt nicht auf.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Folie ist an einem Ende mit dem einen Bauteil verbunden. Die Windungen der Folie, die zwischen diesem Bauteil und dem Trennelement liegen, werden durch das Trennelement in Richtung auf dieses Bauteil federnd angelegt. Meßgenauigkeiten, beispielsweise durch eine sich wellende Folie, werden dadurch vermieden.
Für die Anordnung des Abgreifelementes sind verschiedene Stellen an dem Trennelement möglich: Das Abgreifelement liegt an der Außen- bzw. Innenumfangsfläche des Trennelements und steht mit der an der jeweiligen Fläche anliegenden Windung der Folie in Kontakt. Außerdem kann das Abgreifelement im Inneren des Trennelements angeordnet sein, wobei die Folie durch einen Schlitz des Trennelements und durch das Abgreifelement hindurchgeführt wird. Diese Anordnung ist besonders dann vorteilhaft, wenn als Abgreifelement ein induktiver oder ein im Durchlichtverfahren arbeitender optischer Sensor verwendet wird.
Eine weitere Maßnahme, um die einzelnen Windungen der Folie in der gewünschten stetigen Lage zu halten, besteht darin, daß die Reibung zwischen der Folie und dem einen Bauteil, mit dem das eine Ende der Folie verbunden ist, bzw. zwischen den einzelnen Windungen der Folie höher ist als die Reibung zwischen der Folie und dem Trennelement. Zweckmäßigerweise weist das Trennelement an seiner an die Folie angelegten Umfangsfläche eine reibungsarme Oberfläche auf, während die Folie an ihrer dem anliegenden Trennelement abgewandten Fläche eine Oberfläche mit hohem Reibungskoeffizient aufweist.
Eine andere Möglichkeit, die Windungen der Folie in der gewünschten stetigen Stellung zu halten, besteht darin, daß die einzelnen Windungen der Folie zwischen dem Trennelement und dem einen Bauteil, mit dem das eine Ende der Folie verbunden ist, mit diesem Bauteil formschlüssig unverschiebbar verbunden sind. Dies wird beispielsweise durch eine Verzahnung erreicht, die an dem Bauteil angeordnet ist, und die in Aussparungen der Folie eingreift.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombinationen der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Drehmomentsensor nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 den Längsschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Drehmomentsensor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Drehmomentsensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch einen Drehmomentsensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, in vergrößertem Maßstab;
Fig. 7 den Querschnitt durch den Drehmomentsensor nach der Linie VII-VII in Fig. 6.
Der Drehwinkelsensor enthält zwei relativ zueinander drehbare Bauteile 1 und 2. In dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist das eine Bauteil 1 ein Gehäuse, das zweite Bauteil 2 eine Welle. Dabei ist es ohne Bedeutung, welches der Bauteile 1 oder 2 drehbar und welches festgehalten ist. In dem Gehäuse ist eine Folie 3 spiralförmig angeordnet. Das radial äußere Ende der Folie 3 ist mit dem einen Bauteil 1, dem Gehäuse, drehfest verbunden. Die Folie 3 weist eine Meßbahn auf.
Im Inneren des Gehäuses ist zwischen den Windungen der Folie 3 ein Trennelement 4 angeordnet, das im Querschnitt sichelförmig ausgebildet ist. Das Trennelement 4 ist mit dem zweiten Bauteil 2, der Welle, drehfest verbunden.
Die drehfeste Verbindung des Trennelements 4 mit dem zweiten Bauteil 2 wird beispielsweise durch einen in der Stirnseite des Trennelements 4 befestigten Stift 5 erreicht, der in einem Radialschlitz 6 des Bauteils 2 geführt ist.
Das Trennelement 4 ist derart angeordnet, daß ein Teil der Windungen der Folie 3 radial innerhalb und ein anderer Teil der Windungen radial außerhalb des Trennelements 4 liegt. Bei einer Drehung eines der Bauteile 1 oder 2 ändert sich die Anzahl der innerhalb bzw. außerhalb des Trennelements 4 liegenden Windungen der Folie 3.
Das Trennelement 4 ist radial nach außen federnd ausgebildet. Dabei kann die federnde Eigenschaft beispielsweise durch die Wahl der Form des Trennelements, d. h. mit einer bestimmten Vorspannung, erreicht werden oder auch dadurch, daß das Trennelement 4 an seiner radial äußeren Umfangsfläche mit einer federnden Schicht versehen ist. Dadurch werden die zwischen dem Trennelement 4 und dem Gehäuse liegenden Windungen der Folie 3 glatt aneinander und an das Gehäuse angelegt. Die freien, radial innerhalb des Trennelements 4 liegenden Windungen der Folie 3 müssen keine bestimmte Lage einhalten.
An der Außenumfangsfläche des Trennelements 4 ist ein Abgreifelement 7 angeordnet, das mit der außen an dem Trennelement 4 anliegenden Windung der Folie 3 in Kontakt steht. Das Abgreifelement 7 kann nahezu auf der gesamten Länge der Folie 3 Meßwerte von der Meßbahn abgreifen, da sich das Trennelement 4 durch die von der Folie 3 gebildete Spirale bewegt und dadurch das Abgreifelement 7 jede Windung der Folie 3 erreicht.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 gleicht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2. Die Unterschiede liegen darin, daß in Fig. 3 das radial innere Ende der Folie 3 mit der Welle, die hier das eine Bauteil 1 bildet, verbunden ist, daß das Trennelement 4 radial nach innen federnd ausgebildet ist und daß das Abgreifelement 7 an der Innenumfangsfläche des Trennelements 4 liegt. Das Trennelement 4 ist - analog zu Fig. 2 - mit dem Gehäuse drehfest verbunden, das hier das zweite Bauteil 2 bildet.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ebenfalls ähnlich dem der Fig. 1 und 2. Hier liegt jedoch das Abgreifelement 7 im Inneren des Trennelements 4. Dabei ist die Folie 3 durch einen Schlitz 8 des Trennelements 4 und durch das Abgreifelement 7 hindurchgeführt.
Für eine gute Funktion des Drehwinkelsensors dürfen diejenigen Windungen der Folie 3, die jeweils zwischen dem Trennelement 4 und dem einen Bauteil 1 liegen, mit dem das eine Ende der Folie 3 verbunden ist, nicht in ihrer Lage gegenüber dem Bauteil 1 verschoben werden. Um dies zu erreichen, werden die zusammenwirkenden Teile derart ausgebildet, daß die Reibung zwischen der Folie 3 und dem einen Bauteil 1 bzw. zwischen den einzelnen Windungen der Folie 3 höher ist als die Reibung zwischen der Folie 3 und dem Trennelement 4. Dazu wird das Trennelement 4 an seiner entsprechenden Umfangsfläche mit einer reibungsarmen Oberfläche versehen. Die Folie 3 weist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 auf ihrer radial äußeren Fläche, in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 auf ihrer radial inneren Fläche eine Oberfläche mit hohem Reibungskoeffizient auf. Dazu kann beispielsweise die Oberfläche als solche aufgerauht sein oder mit einer Haftbeschichtung 9 versehen sein, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
Eine andere Möglichkeit, ein Verschieben der Folie 4 zu verhindern, ist in Fig. 6 und 7 dargestellt. Hier sind die einzelnen Windungen der Folie 3 zwischen dem Trennelement 4 und dem Gehäuse mit dem Gehäuse, dem Bauteil 1, formschlüssig unverschiebbar verbunden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß an dem Gehäuse eine Verzahnung mit Zähnen 10 angeordnet ist, die in Aussparungen 11 der Folie 3 eingreifen.
Für das Abgreifelement 7 sind verschiedene Systeme im Zusammenwirken mit unterschiedlichen, auf der Folie 3 angeordneten Meßbahnen möglich:
  • 1. Das Abgreifelement 7 ist ein optischer Sensor, der einen oder mehrere Sender und mehrere Empfänger enthält. Dabei kann der Sensor im Auflichtverfahren arbeiten, wobei auf der Folie 3 die Meßbahn als reflektierende und nicht reflektierende Bereiche aufgebracht ist. Der Sensor kann auch im Durchlichtverfahren arbeiten. Dabei weist die Folie 3 lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche auf.
  • 2. Das Abgreifelement 7 ist ein induktiver Sensor, bei dem die Folie 3 durch eine Spule hindurchgeführt wird. Dazu weist die Folie 3 beispielsweise eine Meßbahn aus Metall auf, bei der sich die Menge des Metalls über der Länge der Folie 3 ändert. Die Meßbahn weist beispielsweise eine unterschiedliche Breite über ihre Länge auf. Dieses Verfahren läßt sich besonders günstig einsetzen bei einer Ausführungsform nach Fig. 4.
  • 3. Als Abgreifelement 7 wird ein Schleifkontakt verwendet, der mit einer Widerstandsbahn und einer Kollektorbahn in Kontakt steht, die beide auf der Folie 3 aufgebracht sind. Ein Drehwinkelsensor, der nach diesem Prinzip eines Potentiometers arbeitet, ist beispielsweise bekannt aus der WO-A1-89/00 331.
Die von der Meßbahn abgegriffenen Meßwerte werden über nicht dargestellte elektrische Leitungen an elektronische Steuereinheiten, Anzeigeinstrumente o. ä. weitergeleitet. Dabei sind die elektrischen Leitungen beispielsweise an dem Abgreifelement 7 oder an der Befestigungsstelle der Folie 3 an dem einen Bauteil 1 angeschlossen.
Bezugszeichen
 1 Bauteil
 2 Bauteil
 3 Folie
 4 Trennelement
 5 Stift
 6 Radialschlitz
 7 Abgreifelement
 8 Schlitz
 9 Haftbeschichtung
10 Zahn
11 Aussparung

Claims (11)

1. Drehwinkelsensor zur Verarbeitung mehrerer Umdrehungen eines relativ zu einem zweiten Bauteil (2) drehbaren Bauteils (1), mit einer Meßbahn, die an wenigstens einer Stelle mit dem einen Bauteil (1) drehfest verbunden ist, und mit einem Abgreifelement (5), das mit dem zweiten Bauteil (2) drehfest verbunden ist, wobei das Abgreifelement (5) Meßwerte von der Meßbahn abgreift, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Meßbahn auf einer Folie (3) angeordnet ist,
  • - daß die Folie (3) radial innerhalb oder außerhalb von einem der beiden Bauteile (1, 2) sprialförmig angeordnet ist und
  • - daß zwischen den Windungen der Folie (3) ein Trennelement (4) derart angeordnet ist, daß ein Teil der Windungen der Folie (3) radial innerhalb und ein anderer Teil der Windungen radial außerhalb des Trennelements (4) liegt, wobei die Anzahl der innerhalb bzw. außerhalb des Trennelements (4) liegenden Windungen mit der Drehung wenigstens eines der Bauteile (1, 2) veränderbar ist.
2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein Ende der Folie (3) mit dem einen Bauteil (1) verbunden ist und
  • - daß das Trennelement (4) radial in Richtung auf das eine Bauteil (1) federnd ausgebildet ist,
3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgreifelement (5) in dem Trennelement (4) angeordnet ist.
4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgreifelement (7) an der Außen- bzw. Innenumfangsfläche des Trennelements (4) angeordnet ist und mit der radial außen bzw. innen an dem Trennelement (4) anliegenden Windung der Folie (3) in Wirk­ kontakt steht.
5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgreifelement (7) im Wirkkontakt mit der Folie (3) ein Sensor ist, der nach dem Prinzip eines Potentiometers oder optisch im Auflichtverfahren arbeitet.
6. Drehwinkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Abgreifelement (7) im Inneren des Trennelements (4) angeordnet ist und
  • - daß die Folie (3) durch einen Schlitz (8) des Trennelements (4) und durch das Abgreifelement (7) hindurchgeführt ist.
7. Drehwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgreifelement (7) ein induktiver oder ein im Durchlichtverfahren arbeitender optischer Sensor ist.
8. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibung zwischen der Folie (3) und dem einen Bauteil (1), bzw. zwischen den einzelnen Windungen der Folie (3) höher ist als die Reibung zwischen der Folie (3) und dem Trennelement (4).
9. Drehwinkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Trennelement (4) an seiner dem einen Bauteil (1) zugewandten Umfangfläche eine reibungsarme Oberfläche aufweist und
  • - daß die Folie (3) auf ihrer dem einen Bauteil (1) zugewandten Fläche eine Oberfläche mit hohem Reibungskoeffizient aufweist.
10. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Windungen der Folie (3) zwischen dem Trennelement (4) und dem einen Bauteil (1) mit diesem Bauteil (1) formschlüssig unverschiebbar verbunden sind.
11. Drehwinkelsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Bauteil (1) mit einer Verzahnung versehen ist, deren Zähne (10) in Aussparungen (11) der Folie (3) eingreifen.
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