DE4122478A1

DE4122478A1 - Messeinrichtung zur bestimmung eines drehwinkels

Info

Publication number: DE4122478A1
Application number: DE4122478A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Dobler; Hansjoerg Dipl Ing Hachtel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1991-07-06
Publication date: 1992-08-13
Also published as: EP0524277A1; JPH05505885A; US5263258A; WO1992014121A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer aus der DE-OS 38 24 535.3 bekannten Meßeinrichtung ist in einem zylinderför migen Spulenkörper von einer Stirnseite her eine mittige Längsnut ausgebildet. Dadurch entstehen zwei im Querschnitt halbkreisförmige Kerne, auf die je eine Spule gewickelt ist. Ein zur Dämpfung dienen des Meßteil besteht aus elektrisch leitendem und/oder ferromagneti schem Stoff. Es umschließt wenigstens teilweise in axialer Länge die außen liegenden Spulenbereiche. Die Spulen werden von einem Wechsel strom durchflossen. Durch die relative Verdrehung des Meßteils wird das Überdeckungsverhältnis zwischen dem Meßteil und den Spulen je weils gegensinnig verändert, wodurch der Wechselstromwiderstand der Spulen entsprechend variiert wird. Bei der Montage des Sensors müssen die Spulen exakt zur Meßhülse positioniert werden, was relativ aufwendig ist.

Ferner ist aus der nachveröffentlichten DE-OS 40 01 544.0 eine Meß einrichtung zur berührungslosen Messung einer Weg- und/oder Winkel änderung bekannt, wobei die Spulenkörper in axialer Richtung der Meßeinrichtung versetzt sind und in radialer Richtung entsprechend der Anzahl der Spulenkörper um einen Winkel zueinander versetzt an geordnet sind. Die Spulen sind hierbei Drahtspulen und werden eben falls von einem Wechselstrom durchflossen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkma len des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Spulenkör per in axialer Richtung ein relativ lang ausgebildetes Lager für die Drehwelle mit dem daran drehfest angeordneten Dämpfungsteil bildet. Dadurch ist die Ausnehmung eines Gleitlagers oder von zwei nebenein ander angeordneten Kugellagern möglich. Die Lagerung der Welle ist im Spulenkörper selbst, so daß der komplette Sensor zum Beispiel in einer Haltevorrichtung, in einem Gehäuse oder auf einer Leiterplatte montierbar ist. Dadurch entfällt das aufwendige Justieren der Sen sorspulen bei der Applikation, das heißt, bei der Endmontage. Durch eine einfache konstruktive Anordnung ist eine möglichst lange axiale Lagerung möglich die in einfacher Weise bei Serienprodukten ver wendbar ist. Aufgrund des langen axialen Lagers ist ein Verkanten oder eine Taumelbewegung nicht mehr möglich. Der Abstand zwischen der Spulenoberfläche und dem Dämpfungsteil ist im Betrieb der Meß einrichtung konstant. Dadurch erhält man ein relativ genaues, und nicht durch konstruktive Baumaßnahmen verfälschbares Meßsignal. Durch die axiale Versetzung der beiden Kerne der Spulenkörper können beide Wicklungen mit Hilfe einer einzigen Wickelmaschine gleichzei tig ausgeführt werden. Wenn das Meßteil den Spulenkörper über einen Winkelbereich von mehr als 180°, insbesondere in einem Bereich von 200-220° überdeckt, erhöht sich die Meßempfindlichkeit des Sensors. Die Formstabilität des Meßteils wird verbessert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen der in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Meßeinrichtungen möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Meßeinrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt in Richtung II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht in Richtung A in Fig. 1,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 einen Schnitt in Richtung V-V nach Fig. 4 und

Fig. 6 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der einen aus vor zugsweise elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Spulenkör per 11 aufweist. Dieser besteht aus zwei in axialer Richtung ver setzt angeordneten Kernen 12, 13, wobei der eine Kern 13 einen Befe stigungsflansch 14 aufweist. Mit Hilfe dieses Befestigungsflansches 14 ist der Spulenkörper 11 an einer ortsfesten Leiterplatte 15 an geordnet. Im Bereich der Rotationsachse des Spulenkörpers 12 ist eine durchgehende Bohrung 16 ausgebildet, als Lager für eine Welle 17, deren Drehbewegung bestimmt werden soll. Die Welle 11 kann aber auch mit einem nicht dargestellten Bauteil verbunden sein, so daß die Drehbewegung dieses Bauteils ermittelt wird.

Die beiden in axialer Richtung versetzt angeordneten Kerne 12, 13 weisen im Querschnitt gesehen annähernd halbkreisförmige Form oder ungefähr D-förmige Form auf. Es sind aber auch andere Kernformen denkbar. Bedingt durch die Bohrung 16 mit der dort angeordneten Wel le 17 müssen die Kerne 12, 13 jeweils die Welle 17 mit umgreifen.

Ferner sind die Kerne 12, 13 um 180° in radialer Richtung zueinander versetzt angeordnet, so daß bei der D-förmigen Ausgestaltung der Kerne 12, 13 die jeweils nur gering gebogene Wand die Achse des Spulenkörpers 11 mit umgreift. Auf jeden Kern 12, 13 ist jeweils eine Drahtspule 20, 21 in Umfangsrichtung des Spulenkörpers 11 ge wickelt. Durch die axial versetzten Kerne 12, 13 ist es möglich, in einer fertigungstechnisch sehr einfachen Weise beide Spulen 20, 21 mit einer einzigen Wickelmaschine ohne nennenswerten, zusätzlichen Umbau aufwickeln zu können. Insbesondere können beide Spulen 20, 21 gleichzeitig gewickelt werden, so daß nur ein einziger Arbeitsvor gang notwendig ist.

Um den Spulenkörper 11 herum ist mit einem geringen Abstand ein aus elektrisch leitendem (ferromagnetisch und/oder nicht ferromagneti schem Stoff) oder aus ferromagnetischem Stoff bestehendes Meßteil 22 angeordnet, das als Hülsensegment ausgebildet ist und etwa in Um fangsrichtung gesehen den halben Umfang des Spulenkörpers 11 über deckt. Die axiale Länge d des Meßteils 22 sollte vorzugsweise minde stens die Breite e der Spulen 20, 21 und des sich zwischen den Spu len befindlichen Bereichs 24 des Spulenkörpers 11 aufweisen. Ist die Länge d größer als die Länge e, so können keine bzw. nur geringe axiale Justierfehler des Meßteils 22 auftreten. Das Meßteil 22 ist über einen scheibenförmigen, oder, wie in der Fig. 3 näher darge stellt, mit Hilfe eines stabförmigen Trägers 23 mit der Welle 17 verbunden. Durch diese Anordnung ist es möglich, das Meßteil 22 über den Träger 23 mit der Welle 17 zu verbinden, wobei in besonders vor teilhafter Weise die Welle 17 über eine relativ lange Strecke im Spulenkörper 11 gelagert ist. Bedingt durch diesen konstruktiven Aufbau sind kaum Schwankungen des Abstandes zwischen der Innenseite des Meßteils 22 und der Oberfläche der Drahtspulen 20, 21 möglich.

Die Verwendung eines stabförmigen Trägers 23 hat den Vorteil, daß, wie aus der späteren Erläuterung der Funktionsweise ersichtlich wird, durch axiale Bewegungen des Trägers 23 das Meßsignal nicht oder nur unwesentlich beeinflußt wird. Ferner ist dabei deshalb auch darauf zu achten, daß der Träger 23 eine relativ geringe Breite auf weist. Bei einem scheibenförmigen Träger können zur Verringerung des durch die axiale Bewegung der Scheibe verursachten Meßfehlers auch Fenster in der Scheibe ausgebildet sein. Die Scheibenlösung hat den Vorteil, daß sie mit dem Meßteil 22 in einfacher Weise aus einem Stück herstellbar ist. Außerdem ist es möglich, den Träger 23 aus elektrischem Isoliermaterial herzustellen. Die Spulen 20, 21 sind mit Hilfe von Anschlußstiften 25, 26 mit der nicht näher dargestell ten Leiterplatte 15 und der Auswerteelektronik verbunden. Mit Hilfe eines Sicherungsrings 27 ist der Spulenkörper 11 auf der Welle 17 fixiert.

In Ausgangsstellung ist das Meßteil 22 so ausgerichtet, daß es beide Spulen 20, 21 mit gleich großen Umfangflächen überdeckt. Der Sensor 10 kann nach dem induktiven und/oder nach dem Wirbelstromprinzip arbeiten, wobei in beiden Fällen die Spulen 20, 21 von einem Wech selstrom durchflossen werden. Zur Messung wird das Meßteil 22 um den Spulenkörper 11 herum gedreht, bzw. um einen gewünschten Winkelbe reich bewegt. Im folgenden sei das Wirbelstrommeßprinzip erläutert. An den Spulen 20, 21 entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metallischen Oberfläche des Meßteils 22 Wirbelströme bewirkt. Je größer dabei die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche des Meßteils 22 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt. Ferner ist die Größe der erzeugten Wirbelströme abhängig vom verwendeten Material des Meßteils 22, sowie vom Abstand der Spule 20, bzw. 21 zu der Innen seite des Meßteils 22. Durch die auf dem Meßteil 22 erzeugten Wir belströme wird der Spulen-Wechselstromwiderstand verändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenützt wird. Da sich ebenfalls die Spulenin duktivität mit größer werdender Wirbelstromausbildung verringert, kann auch diese Induktivitätsänderung zur Meßsignalgewinnung ausge nutzt werden (Spuleninduktivität-Auswerteverfahren). Bei der Drehbe wegung des Meßteils 22 wird die der jeweiligen Spule 20 bzw. 21 zu geordnete Oberfläche des Meßteils 22 gegensinnig verändert. Dadurch wird die der Spule 20 zugeordnete Oberfläche des Meßteils 22 zum Beispiel um denselben Betrag erhöht, wie sie gegenüber der anderen Spule 21 verringert wird. Die beiden Spulen 20, 21 sind - bei dem Spulenwechselstromwiderstand-Auswerteverfahren - in einer Wheat stone′schen Halbbrückenschaltung verschaltet. Dadurch kompensieren sich die in den Spulen 20, 21 gleichzeitig auftretenden und gleich sinnig wirkenden Meßfehler. Sind die Spulen 20, 21 aus Draht aufge wickelt, so können die Spulen 20, 21 in einem weiten Frequenzbereich des Wechselstroms betrieben werden. Dieser Bereich kann zum Beispiel ungefähr von 5 kHz bis 5 MHz reichen. Es genügt hierzu, den Durch messer der Spulen 20, 21 und/oder die Windungsanzahl der Windungen der Spulen 20, 21 zu verändern (z. B. durch Variieren der Anzahl der Spulenlagen).

Werden die Spulen 20, 21 mit einer hohen Trägerfrequenz f_T (Fre quenz des Wirbelstromes, der die Spule durchfließt) von zum Beispiel 1 MHz gespeist so wird die Ausbreitung der Wirbelströme stark durch den Skineffekt bestimmt. Dies bedeutet, daß das erzeugte elektro magnetische Wechselfeld der Spulen 20, 21 nur auf der äußeren Schicht der den Spulen zugewandten Oberfläche des Meßteils 22 Wir belströme ausbildet. Werden hingegen die Spulen 20, 21 mit einem Wechselstrom mit sehr tiefer Trägerfrequenz f_T von zum Beispiel < 5 kHz gespeist, so dringt das von den Spulen erzeugte magnetische Wechselfeld tiefer in die den Spulen zugewandte Oberfläche des Meß teils 22 ein. Die Größe der Eindringtiefe der Wirbelströme hängt auch vom Material des Meßteils 22 ab. Aufgrund der unterschiedlichen Trägerfrequenzen kann die Wandstärke des Meßteils 22 variiert werden.

Anstelle des bisher beschriebenen Wirbelstromprinzips kann auch das induktive Meßverfahren sinngemäß angewandt werden. Hierzu muß ledig lich das Meßteil 22 aus ferromagnetischem Material bestehen. Hierzu kann das Meßteil 22 aus ferromagnetischem Material hergestellt sein, oder eine ferromagnetische Schicht aufweisen.

Bei entsprechender Abstimmung der wichtigsten Parameter (Höhe der Trägerfrequenz, Material des Meßteiles 22) kann erreicht werden, daß mit großer Überdeckung der Spulenoberfläche der Sensorspule beim induktiven Verfahren sich der Wechselstrom-Widerstand erhöht, wäh rend er sich beim Wirbelstromverfahren erniedrigt.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 besteht der Spulen körper 30 aus einem becherförmigen Teil 31, dessen Öffnung 32 von einem Deckel 34 verschlossen ist. Wiederum im Bereich der Drehachse des aus elektrischem Isoliermaterial zum Beispiel Kunststoff herge stellten Spulenkörpers 30 ist im Boden des Teils 31 bzw. im Deckel 33 eine Bohrung 35 ausgebildet, in der die Welle 17 gelagert ist. Der Spulenkörper 30 ist mit Hilfe zweier Sicherungen 36 in axialer Richtung auf der Welle 17 fixiert. Am Außenumfang des Spulenkörpers 30 sind zwei Ringnuten 37 ausgebildet, in denen die Drahtspulen 20a, 21a angeordnet sind. Mit Hilfe eines in den Spulenkörper 30 inte grierten Abschirmblechs 38 sind die Spulen 20a, 21a über einen Be reich von ca. 180° zur Welle 17 hin abgeschirmt. Im Inneren des Spulenkörpers 30 ist drehfest auf der Welle 17 ein Dämpfungselement 39 befestigt, das aus zwei in axialer Richtung versetzt angeordneten Kernen 40, 41 besteht, die im Querschnitt gesehen annähernd halb kreisförmige Form oder D-förmige Form aufweisen. Ferner sind die Kerne 40, 41 um 180° in radialer Richtung zueinander versetzt ange ordnet, so daß jeweils der Bereich mit dem kleinsten Abstand zwi schen Sensorspulen 30 und dem Umfang des Dämpfungselements 37 quer gegenüberliegt und somit, jeweils einer anderen Spule zugeordnet ist.

Ferner wird dadurch bewirkt, daß z. B. wie in der in Fig. 4 darge stellten Stellung der Kern 41 in Wirkverbindung mit der Spule 20a steht, während eine Meßsignalerzeugung durch den Kern 40 in der Spu le 21a durch das Abschirmelement 38 verhindert wird. Die Funktions weise des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 4 stimmt sinngemäß mit der oben beschriebenen Wirkungsweise überein. In der Fig. 8 über deckt das Meßteil 22a einen Winkelbereich von größer als 180°. Das Meßteil 22a kann einen Winkelbereich von 180°-260° überdecken, wo bei sich als besonders vorteilhaft ein Bereich von 200-220° erge ben hat. Diese Ausbildung des Meßteils 22a gilt analog auch für das Abschirmblech 38, nach den Fig. 4 und 5.

Selbstverständlich ist es auch möglich, statt zwei Spulen bei allen Ausführungsbeispielen z. B. vier oder eine andere größere Anzahl von Spulen zu verwenden, wodurch kleinere Meßwinkel bestimmt werden kön nen. Hierzu ist eine entsprechende Anzahl jeweils in axialer Rich tung versetzt angeordneter Kerne zu verwenden. Bei vier Kernen sind diese dann in radialer Richtung um 90° zueinander versetzt anzuord nen. Auf jeden der Kerne ist dann eine Spule aufgewickelt, die zum Beispiel in einer Wheatstone′schen Brückenschaltung verschaltet wer den können.

Das Meßteil 22 bzw. das Dämpfungselement 39 kann eine Drehbewegung um 360° ausführen. Der eigentliche Meßbereich ist zum Beispiel beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 aber ungefähr auf die tangentiale Länge der Spulen begrenzt und wiederholt sich in der Form einer Dreieckspannung abhängig von der Anzahl der Spulen immer wieder (bei vier Spulen max. ungefähr 90°).

Claims

1. Meßeinrichtung (10) zur berührungsfreien Bestimmung eines Dreh winkels einer Welle (17) mit Hilfe zweier relativ zueinander beweg ter Körper (11, 22) und mit Sensorspulen (20, 21), deren Induktivi täts- und Wechselstromwiderstandswerte durch die relative Verände rung der Größe der den Spulen (20, 21) zugeordneten Bereiche aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material bestehender Körper variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (17) in einem ersten, als Spulenkörper dienenden Körper (11) gelagert ist, daß der Spulenkörper (11) in eine die Anzahl der den Spulen (20, 21) entsprechenden Bereiche (12, 13) unterteilt ist, auf denen je min destens eine Spule (20, 21) angeordnet ist und diese Bereiche in axialer Richtung der Meßeinrichtung (10) versetzt sind, daß der zweite Körper an der Welle (17) drehfest befestigt ist und minde stens als Halbschale ausgebildetes Meßteil (22) die Mantelfläche des Spulenkörpers (11) umgreift.

2. Meßeinrichtung (10) zur berührungsfreien Bestimmung eines Dreh winkels einer Welle (17) mit Hilfe zweier relativ zueinander beweg ter Körper (40, 41) und mit Sensorspulen (20a, 21a), deren Indukti vitäts-/und Wechselstromwiderstandswerte durch die relative Verände rung der Größe der den Spulen (20a, 21a) zugeordneten Bereiche aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material bestehender Körper variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (17) in einem ersten, als Spulenkörper dienenden Körper (30, 33) gelagert ist, daß auf dem Spulenkörper (30, 33) Spulen (20, 21) angeordnet sind, die teilweise gegenüber einem zweiten Körper (39) durch ein Abschirmblech (38) abgeschirmt sind, und daß der zweite Körper (39) in eine der Anzahl der den Spulen entsprechenden Bereiche (40, 41) unterteilt ist, und diese Bereiche (40, 41) in axialer Richtung der Meßeinrichtung (10) versetzt sind.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (12, 13; 40, 41) im Querschnitt gesehen eine unge fähr D-förmige Form aufweisen und die gering gebogenen Wände die Achse des Spulenkörpers (11) umgreifen.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spulenkörper (11, 30) ortsfest an einer Haltevor richtung in einem Gehäuse oder einer Leiterplatte (15) angeordnet ist und daß die Spulen (20, 21) mit Hilfe elektrischer Anschlußstif te (25, 26) verbunden sind.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spulenkörper (11, 30) mit Hilfe mindestens eines Sicherungsrings (27, 36) auf der Welle (17) fixiert ist.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschale (22) mit Hilfe eines stabförmigen Trägers (23) an der Welle (17) befestigt ist.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschale (22) mit Hilfe eines scheibenförmigen Trägers an der Welle (17) befestigt ist.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Fenster aufweist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spulen (20a, 21a) in je einer Nut (37) in der Außenwand des Spulenkörpers (30) angeordnet sind.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spulenkörper (30) in Achsrichtung gesehen auf bei den Seiten mit Hilfe eines Sicherungsrings (36) auf der Welle befe stigt ist.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Meßteil (22) bzw. das Abschirmblech (38) den Spulenkörper (11, 30) in einem Winkelbereich von 180°-260° umfaßt.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Meßteil (22) bzw. das Abschirmblech (38) den Spulenkörper (11, 30) in einem Winkelbereich von 200°-220° umfaßt.