DE4211615C2 - Meßeinrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einem derar­ tigen zum Beispiel aus der DE 39 16 864 A1 bekannten Meßein­ richtung ist der Spulenkörper stirnseitig geschlitzt, so daß zwei halbkreisförmige Kerne entstehen. Auf diese Kerne ist je eine Sen­ sorspule aufgewickelt, die in Wirkverbindung mit einem Hülsenkörper stehen. Der Hülsenkörper weist einen Schlitz auf oder hat eine Zone aus elektrisch nicht leitendem Material. Da der Sensor nach dem sog. Wirbelstromprinzip arbeitet, können eventuelle Taumelbewegungen, die den Abstand zwischen der Spule und der Innenseite des Hülsenkörpers verändern, das Meßsignal verfälschen. Dadurch wird die Genauigkeit des Meßsignals und somit die Erfassung des Drehwinkels negativ be­ einflußt.

Auch aus der DE 38 24 535 A1 ist eine nach dem Wirbelstromprinzip arbeitende Meßeinrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels bekannt. Dort wird zwar erwähnt, den Hülsenkörper auf den Spulenkörper anzu­ ordnen, aber die dadurch entstehenden Reibungsverluste können wiede­ rum das Meßsignal verfälschen.

In der Schrift DE 90 12 353 U1 ist eine berührungsfreie Meßvorrich­ tung für ein Drehmoment und/oder einen Drehwinkel beschrieben, der nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet. Hierbei werden zwei Schlitz­ hülsen relativ zueinander bewegt, wodurch in einer ortsfesten Meß­ spule ein Meßsignal erzeugt wird. Mit Hilfe jeweils einer Spannvor­ richtung sind die Meßhülsen und somit die gesamte Meßvorrichtung in einem Gehäuse verspannt. Die Spannvorrichtung weist Spannelemente auf, so daß ein Baukastensystem für unterschiedliche Drehmoment­ systeme möglich ist. Auch hier kann aber der Abstand zwischen den beiden Meßhülsen und auch von den Meßhülsen zu den Meßspulen durch Fremdeinflüsse verändert werden, so daß das Meßsignal verfälscht wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß man ein Meß­ signal mit relativ hoher Genauigkeit erhält. Der Abstand zwischen dem Drehteil und der Spule kann das Meßsignal nicht mehr beein­ flussen. Der Meßring schnappt direkt auf die Spule oder auf den Spulenkörper spielfrei auf, so daß Taumelbewegungen des Drehteils nicht mehr auf das Meßsignal einwirken können. Das Meßsignal ist völlig unabhängig vom Lagerspiel des die Drehbewegung der zu über­ wachenden Welle übertragenden Mitnehmers. Der Meßring benötigt keine besonderen Lager und kann direkt in oder auf dem Spulenkörper ge­ führt werden. Da der Meßring nur aufzuschnappen braucht, ist die Montage sehr einfach. Ferner können auch die Bauteile dadurch zu vormontierbaren Einheiten zusammengestellt werden, so daß eine End­ montage sehr einfach und schnell möglich ist. Bei Betrieb der Meß­ einrichtung wird der Abstand zwischen der Spule bzw. dem Spulen­ träger und dem Meßteil automatisch auf einen konstanten Wert nachge­ stellt. Es ergibt sich bezüglich des Abstands kein Alterungsprozeß. Selbst bei Temperaturschwankungen liegt immer ein konstanter Abstand vor.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der in den unabhängigen Ansprüchen angege­ benen Meßeinrichtung möglich.

Zeichnung

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßeinrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Meßeinrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Längs­ schnitt durch eine Abwandlung und

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist als Beispiel für eine Meßeinrichtung zur Be­ stimmung eines Drehwinkels ein Drosselklappenstellungsgeber 10 dar­ gestellt. Ein Drosselklappenstellungsgeber mißt die Schwenkstellung der im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine angeordneten Drossel­ klappe, die verdrehfest auf einer Stellwelle sitzt und gibt somit ein dem Dreh- oder Schwenkwinkel der Drosselklappe aus ihrer Ruhe­ stellung entsprechendes elektrisches Ausgangssignal ab.

Der Drosselklappenstellungsgeber 10 hat ein Gehäuse 11, das auf einer Seite ein integriertes Steckergehäuse 12 für die elektrischen Steckkontakte 13 aufweist. Im Gehäuse 11 eingesetzt ist ein Spulen­ körper 14, auf dem zwei Spulen 15, 16 aufgewickelt sind. Beide Spu­ len 15, 16 sind in nicht näher dargestellter Weise mit Hilfe von elektrisch isoliert verlaufenden elektrischen Leitungen 18 mit den elektrischen Bauteilen einer elektrischen Schaltungsplatte 19 ver­ bunden, die wiederum mit den Steckkontakten 13 kontaktiert ist. Die Schaltungsplatte 19 stellt ferner einen Zwischenboden im Gehäuse 11 dar, unter dem sich als Abschluß des Gehäuses 11 eine Dichtungs- und Dämpfungsplatte 20 befindet. Zum Schutz gegen elektromagnetische Strahlung ist das Gehäuse 11 von einem Abschirmtopf 21 zum Beispiel aus Stahl, Aluminium, Bronze umgeben.

Der Spulenkörper 14 hat eine etwa mittige, durchgehende Bohrung 25, in der ein Mitnehmer 26 angeordnet ist. Der Mitnehmer 26 hat die Funktion eines Adapters, um die Stellwelle, deren Drehbewegung be­ stimmt werden soll, an die Meßeinrichtung, hier an den Drossel­ klappenstellungsgeber 10, anzuschließen. Ferner weist der Mitnehmer 26 einen Fortsatz 27 auf, der zwischen den Spulenkörper 14 und der Schaltungsplatte 19 ragt. Im Fortsatz 27 ist eine Nut 28 ausgebildet, in die ein Meßring 30 drehfest eingesetzt ist. Der Meß­ ring 30 umspannt den Umfang des Spulenkörpers 14 über einen Winkel­ bereich von ca. 110 Grad und hat mindestens eine Höhe mit der er beide Spulen 15, 16 überdeckt. Der Meßring 30 besteht aus elektrisch leitendem Material und/oder ferromagnetischem Material. Ferner liegt der Meßring 30 an einem Einsetzkörper 31 aus Kunststoff, insbeson­ dere aus elektrisch nicht leitendem Material, an, in dem auch die Enden des Meßrings 30 zu dessen Fixierung eingesetzt sind. Der Meß­ ring 30 weist erfindungsgemäß eine mechanische Vorspannung auf, so daß er bei der Montage auf den Spulenkörper 14 aufschnappen kann und anschließend auf diesen gleitend aufsitzt. Bei der Auswahl der me­ chanischen Vorspannung des Meßrings 30 ist aber darauf zu achten, daß die Reibung des Spulenkörpers 14 an dem Meßring 30 möglichst ge­ ring ist. Es wäre aber auch möglich, den Meßring 30 nicht auf den Spulenkörper 14, sondern direkt auf die Spulen 15, 16 aufzusetzen.

Der Spulenkörper 14 besteht vorzugsweise aus elektrisch nicht lei­ tendem Material und ist in zwei Abschnitte 35, 36 aufgeteilt, die in axialer Richtung versetzt sind. Die Abschnitte 35, 36 weisen im Querschnitt gesehen annähernd halbmondförmige oder D-förmige Form auf. Ferner sind die beiden Abschnitte 35, 36 um 180 Grad in radia­ ler Richtung zueinander versetzt angeordnet, so daß bei der an­ nähernd D-förmigen Ausgestaltung der Abschnitte 35, 36 die nahezu ebenen Flächen bzw. Flächen mit dem größeren Radius einander zuge­ wandt sind. Auf jeden Fall sollen aber die Abschnitte 35, 36 jeweils die Achse, d. h. den Mitnehmer 26 umgreifen. Auf jedem Abschnitt 35, 36 ist eine der Spulen 15, 16, zum Beispiel als Drahtspule, in Um­ fangsrichtung des Spulenkörpers 14 gewickelt. Durch die axial ver­ setzten Abschnitte 35, 36 ist es möglich, in einer fertigungstech­ nisch sehr einfachen Weise beide Spulen mit einer Wickelmaschine ohne nennenswerten, zusätzlichen Umbau aufwickeln zu können. Insbe­ sondere können beide Spulen 15, 16 gleichzeitig gewickelt werden, so daß nur ein einziger Arbeitsvorgang notwendig ist. Durch die in ra­ dialer Richtung um 180 Grad zueinander versetzt angeordneten Ab­ schnitte weist die eine Spule 15 ihren maximalen Abstand zum Meßring 30 auf, während gleichzeitig die andere Spule 16 ihren minimalen Ab­ stand zum Meßring 30 hat. Bei der Drehung des Meßrings 30 relativ zum Spulenkörper ändert sich somit der Abstand der beiden Spulen 15, 16 gegenüber dem Meßring 30 gegensinnig.

In Ausgangsstellung ist der Meßring 30 so ausgerichtet, daß er beide Spulen 15, 16 mit annähernd gleichgroßen Umfangsflächen überdeckt. Die Meßeinrichtung kann nach dem induktiven und/oder nach dem Wir­ belstromprinzip arbeiten, wobei in beiden Fällen die Spulen 15, 16 von einem Wechselstrom durchflossen werden. Zur Messung wird der Meßring 30 um den Spulenkörper 14 herum gedreht bzw. um einen ge­ wünschten Winkelbereich bewegt, was bedeutet, daß die Stellung des Meßrings 30 und der Spulen 15, 16 zueinander verändert wird. Hierzu wird die Drehung der Drosselklappe mit Hilfe der Stellwelle auf den Mitnehmer 26 übertragen. Dieser Mitnehmer 26 bewegt sich somit pro­ portional zur Drehung der Drosselklappe, während der Spulenkörper ortsfest verbleibt. Da der Meßring 30 drehfest im Fortsatz 27 des Mitnehmers 26 angeordnet ist, führt auch dieser eine proportional zur Drosselklappe verlaufende Drehbewegung aus. Im folgenden sei nun die weitere Meßsignalerzeugung mit Hilfe des Wirbelstromprinzips er­ läutert. Sind die Spulen 15, 16 von einem Wechselstrom, insbesondere einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen, so entsteht an den Spulen 15, 16 ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metallischen Oberfläche des Meßrings 30 Wirbelströme bewirkt. Je größer dabei die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche des Meßrings 30 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt. Ferner ist die Größe der erzeugten Wir­ belströme abhängig vom verwendeten Material des Meßrings 30, sowie vom Abstand der einzelnen Spulen 15 bzw. 16 zu der Oberfläche des Meßrings 30. Durch die auf dem Meßring 30 erzeugten Wirbelströme wird der Spulen-Wechselstromwiderstand der beiden Spulen 15, 16 ver­ ändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenützt wird. Da sich eben­ falls die Spuleninduktivität verringert, kann auch diese Induktivi­ tätsänderung zur Meßsignalgewinnung ausgenutzt werden (Spuleninduk­ tivität-Auswerteverfahren). Bei der Drehbewegung des Meßrings 30 wird die der jeweiligen Spule 15 bzw. 16 zugeordnete Oberfläche des Meßrings 30 gegensinnig verändert. Dadurch wird die der einen Spule 15 zugeordnete Oberfläche des Meßrings 30 zum Beispiel um denselben Betrag erhöht, wie sie gegenüber der anderen Spule 16 verringert wird. Die beiden Spulen 15, 16 sind zum Beispiel bei dem den Spulen­ wechselstromwiderstand auswertenden Verfahren in einer Wheat­ stone′schen Halbbrückenschaltung verschaltet. Dadurch kompensieren sich die in den Spulen 15, 16 gleichzeitig auftretenden und gegen­ sinnig wirkenden Meßfehler. Insbesondere können durch diese Ver­ schaltung der Spulen 15, 16 zum Beispiel Fehler durch Temperatur­ schwankungen kompensiert werden.

Anstelle des bisher beschriebenen Wirbelstromprinzips kann, wie er­ wähnt, auch das induktive Meßverfahren sinngemäß angewandt werden. Es muß lediglich der Meßring 30 auf der den Spulen 15, 16 zuge­ wandten Oberfläche aus ferromagnetischem Material bestehen. Hierzu kann der Meßring 30 aus ferromagnetischem Material hergestellt sein oder eine ferromagnetische Schicht aufweisen. Im Unterschied zum Wirbelstromprinzip ist die Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfelds der Spulen 15, 16 geringer. Während beim Wirbelstrom­ prinzip die Spuleninduktivität verringert wird, kann sie sich beim induktiven Verfahren, abhängig von den ferromagnetischen und elek­ trisch leitenden Eigenschaften des Materials (ferromagnetischer Ef­ fekt) erhöhen.

Da das Meßsignal jeweils abhängig ist vom Abstand der Spulen 15, 16 zur Oberfläche des Meßrings 30 kann durch die erfindungsgemäße An­ ordnung eine nahezu vollständige Unterdrückung eines zum Beispiel durch Taumelbewegungen der Stellwelle hervorgerufenen Fehlers be­ wirkt werden. Ferner ist der Winkelbereich des Meßrings 30 nicht auf 210 Grad begrenzt. Dieser Winkelbereich hat sich vielmehr in der Praxis als besonders günstig erwiesen, wobei ein möglichst großer, näherungsweise linearer Bereich der Eichkurve bei einem möglichst großen Meßwinkel erreicht wird.

Während bei den Ausführungsbeispielen nach der Fig. 1 und 2 der Meßring 30 auf den Spulenkörper 14 bzw. auf die Spulen 15, 16 aufge­ setzt wird, und diese somit von außen umgreift, liegt der Meßring bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel von innen am Spulenkörper bzw. an den Spulen an. Das Gehäuse 10a hat wieder ein integriertes Steckergehäuse 12a für die elektrischen Steckerkontakte 13a. Im Unterschied zum anderen Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsplatte 19a nicht als Zwischenplatte ausgebildet, sondern in einem Raum 40 des Gehäuses 10a angeordnet. Der Spulen­ körper 41 hat eine topfförmige Gestalt und befindet sich ortsfest im Gehäuse 10a. An seiner Außenwand sind zwei Spulen 42, 43 angeordnet, die einen Winkelbereich von jeweils ca. 120 Grad überdecken. Die beiden Spulen 42, 43 haben rechteckförmige Gestalt, was bedeutet, daß bei Verwendung von Drahtspulen der Draht um zwei Haken 44 ge­ wickelt wird. Dadurch ergeben sich zwei über den oben erwähnten Wickelbereich von 120 Grad verlaufende Spulenstrecken, von denen eine in der Fig. 4 sichtbar ist. Besonders günstig erweisen sich hierbei Flachspulen, die auf der Wand des Spulenkörpers 41 aufge­ klebt sind oder zum Beispiel in Dickschichttechnik aufgebracht wer­ den können.

In die Öffnung des Spulenkörpers 41 ragt der Mitnehmer 47 in welchem die Stellwelle, deren Drehbewegung gemessen werden soll, eingesteckt ist. Der Mitnehmer 47 hat eine Ringnut 48 und eine Nase 49 mit welcher er in die Gehäuseöffnung 50 eingreift und einschnappen kann. Das eine Ende einer Feder 51 liegt am Boden 52 des Spulenkörpers 41 an, während das andere Ende der Feder 51 sich in einer am Mitnehmer 47 ausgebildeten Ausnehmung 53 befindet. Das Ende dieser Feder 51 liegt an einer Faltung 55 des Gleitrings 46 an. Diese Faltung 55 und somit der Anlagebereich der Feder 51 an dem Gleitring 46 befindet sich etwa diamtetral gegenüber dem Bereich, in dem die beiden Spulen 42, 43 fast aneinander stoßen, bzw. in Umfangsrichtung gesehen den geringsten Abstand voneinander aufweisen. Durch diese Anordnung ist es möglich, daß der Gleitring 46 in Ausgangsstellung wieder beide Spulen 42, 43 um denselben Betrag überdeckt. Die Feder 51 selbst hat die Aufgabe, den Gleitring 46 nach der Auslenkung wieder in seine Ausgangsstellung zurückzubewegen. Ferner bewirkt die Feder 51 eine Spielfreiheit des Mitnehmers 47 im Spulenkörper 41 während der Dreh­ bewegung. Die Drehbewegung des Mitnehmers 47 wird mit Hilfe eines ringförmigen Antriebs 57 auf den Gleitring 46 übertragen. Der An­ trieb 57 ist durch einen Fortsatz 58 kraftschlüssig mit dem Mit­ nehmer 47 verbunden, während er mit einem Ende an der Faltung 55 des Gleitrings 46 an der der Feder 51 gegenüberliegenden Seite anliegt. Um einen gleichmäßigen, spielfreien Antrieb des Gleitrings 46 zu er­ möglichen, ist der Antrieb 57 gleitend an einem Fortsatz 60 des Spulenkörpers 41 gelagert. Der Fortsatz 60 liegt am Antrieb 57 an und ragt zwischen dem Antrieb 57 und der Feder 51 in den Spulen­ körper 41 hinein. Der Fortsatz 60 dient gleichzeitig auch als Dreh­ winkelbegrenzer, um ein Überspannen der Feder 51 zu verhindern. Der Fortsatz 60 dient auch als Abschirmblech zwischen Feder und Spulen.

Die Meßsignalgewinnung entspricht wieder der bei den Fig. 1 und 2 beschriebenen Wirkungsweise. Mit Hilfe des Mitnehmers 47 und des An­ triebs 57 wird eine zu bestimmende Drehbewegung auf den Gleitring 46 übertragen. Dabei wird der Gleitring 46 entgegen der Kraft der Feder 51 bewegt, wobei sich die Überlappung des Gleitrings 46 mit der einen Spule 42 um den Betrag verringert, um den die Überlappung des Gleitrings 46 mit der anderen Spule 43 vergrößert wird. Zur weiteren Meßsignalerzeugung sei auf die obige Beschreibung verwiesen, die sinngemäß auch hier zutrifft. Selbstverständlich können die ver­ schiedenen Formen der Spulen auch auf die beiden Ausführungsbei­ spiele übertragen werden.

Wird der Mitnehmer 47 wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, so wird aufgrund der Kraft der Feder 51 der Gleitring 46 ebenfalls in seine Ausgangsstellung zurückbewegt und der Gleitring 46 weist mit den beiden Spulen 42, 43 z. B. wieder gleich große Überlappungs­ bereiche auf. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann durch seine mechanische Vorspannung der Gleitring bei der Montage in sehr ein­ facher Weise in den Schutzmantel 44 einschnappen, so daß der Abstand zwischen dem Gleitring 46 und den Spulen 42, 43 unabhängig von Taumelbewegungen oder sonstigen Fehlereinflüssen ist.

Claims (6)

1. Meßeinrichtung zur berührungsfreien Bestimmung eines Drehwinkels mit Hilfe zweier relativ zueinander bewegter Körper (14, 30; 41, 46) und mit mindestens einer von Wechselstrom durchflossenen Sensorspule (15, 16; 42, 43), deren Induktivitäts- und Wechselstromwiderstands­ werte durch die relative Veränderung der Größe der der Spule bzw. den Spulen zugeordneten Bereiche des aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material bestehenden ersten Körpers (30, 46) variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper (30, 46) mit mechanischer Vorspannung auf oder an dem zweiten Körper (14, 41) angeordnet ist.

2. Meßeinrichtung zur berührungsfreien Bestimmung eines Drehwinkels mit Hilfe zweier relativ zueinander bewegter Körper (14, 30; 41, 46) und mit mindestens einer von Wechselstrom durchflossenen Sensorspule (15, 16; 42, 43), deren Induktivitäts- und Wechselstromwiderstands­ werte durch die relative Veränderung der Größe der der Spule bzw. den Spulen zugeordneten Bereiche des aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material bestehenden ersten Körpers (30, 46) variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper (30, 46) mit mechanischer Vorspannung direkt auf oder an der bzw. den Spule(n) (15, 16, 42, 43) angeordnet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(n) (15, 16; 42, 43) auf dem als Spulenkörper dienenden zweiten Körper (14, 41) angeordnet ist bzw. sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulen­ körper (14) aus mindestens zwei in axialer Richtung und um 180 Grad in radialer Richtung versetzt angeordneten Abschnitten (35, 36) be­ steht, auf denen die Spulen (15, 16) aufgebracht sind.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper (30) drehfest an einem die Drehbewegung ein­ leitenden Mitnehmer (26) befestigt ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper (46) in Wirkverbindung mit dem die Drehbewegung einleitenden Mitnehmer (47) steht, daß der Mitnehmer (47) im zweiten Körper (41) drehbar gelagert ist, und daß eine als Rück­ stellfeder für den ersten Körper (46) dienende Feder (51) zwischen dem ersten Körper (46) und dem zweiten Körper (41) angeordnet ist.