DE4335594A1 - Drehwinkelsensor zur Ermittlung eines Drehwinkels - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor zur Ermitt­ lung eines Drehwinkels.

Gewöhnlich werden Widerstandssensoren sehr häufig als Dreh­ winkelsensoren verwendet. Dieser Sensor vom Widerstands-Typ enthält einen Widerstand und eine Bürste, welche im Kontakt mit dem Widerstand drehbar ist. Dieser Widerstandstyp zeichnet sich durch eine anspruchslose Konstruktion und niedrige Kosten aus, er besitzt jedoch eine kurze Lebens­ dauer, weil er durch den Kontaktwiderstand der Bürste einen Abrieb erfährt. Dieses Abriebproblem ist besonders kritisch bei einem Fahrzeug oder dergleichen, welches unter starken Vibrationsbedingungen betrieben wird, weil sich der Abrieb unter solchen Bedingungen verstärkt.

In Anbetracht dessen werden seit kurzem verschiedene Arten von kontaktlosen Drehwinkelsensoren verwendet. Bei einem dieser Sensoren wird zur Ermittlung des Drehwinkels das In­ duktivitätsverhältnis zwischen zwei Spulen gemessen. Dieser Sensortyp wird in der japanischen Offenlegungsschrift (In­ nere Offenlegung) Nr. 3-5 06 071 offenbart. Diese Schrift veröffentlicht zwei Typen von Sensoren. Der eine Sensortyp wurde so gestaltet, daß sich zwei Spulen, von denen jede einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzt, einander ge­ genüberliegen, wobei sie ein säulenförmiges Spulenelement bilden, und entlang der Außenwand des säulenförmigen Spu­ lenelementes ist ein magnetisches Element mit einem halbbo­ genförmigen Querschnitt so angeordnet, daß es um das Dreh­ zentrum des säulenförmigen Spulenelementes frei drehbar ist. Andererseits ist der andere Sensor so gestaltet, daß sich zwei Spulen, von denen jede einen halbbogenförmigen Querschnitt besitzt, einander gegenüberliegen, wobei sie ein zylindrisches (hohlzylindrisches) Element bilden, und in dem inneren Hohlraum des zylindrischen Elementes ist ein magnetisches Element, das einen halbbogenförmigen Quer­ schnitt besitzt, so eingesetzt, daß es um das Rotationszen­ trum des zylindrischen Körpers frei drehbar ist. Beide Sen­ sortypen benutzen das Prinzip der Ermittlung des Drehwin­ kels auf der Basis des Phänomens, daß sich das Induktivi­ tätsverhältnis zwischen den beiden Spulen entsprechend dem Drehwinkel des magnetischen Körpers verändert.

Ein Problem dieser bekannten Vorrichtung zur Ermittlung des Induktivitätsverhältnisses ist, daß die Herstellung eines Erzeugnisses beschwerlich ist. Das heißt, der Herstellungs­ prozeß der Spulen, die einen halbkreisförmigen oder halbbo­ genförmigen Querschnitt besitzen, und die Anordnung der beiden so ausgebildeten Spulen zur Herstellung eines säu­ lenförmigen oder zylindrischen (hohlzylindrischen) Elemen­ tes ist beschwerlicher und teurer im Vergleich mit dem Her­ stellungsprozeß einer normalen zylindrischen Spule. Ferner geht bei dieser Anordnung, wenn die Zentrierung zwischen dem säulenförmigen oder zylindrischen Teil und dem sich drehenden magnetischen Element nicht exakt durchgeführt wird, die Luftspaltkonstanz zwischen diesen Elementen in Drehrichtung verloren, und dies verursacht eine Verringe­ rung der Ausgangsgenauigkeit, wie etwa die Verschlechterung der Linearität des Ausgangssignals und das Auftreten von Nullpunktabweichungen.

Ferner läuft in dem Fall, wenn zum Abhalten äußerer Störun­ gen eine magnetische Abschirmung um die äußere Peripherie der Vorrichtung vorgesehen ist, besonders bei der letztge­ nannten Anordnung, der größte Teil des von der Spule ausge­ henden wirksamen magnetischen Flusses durch die magnetische Abschirmung, ohne daß er durch das sich drehende magneti­ sche Element hindurchgeht, wenn der Abstand zwischen der Spule und der magnetischen Abschirmung nicht größer gewählt wurde, als mindestens der Abstand von der Spule zum sich drehenden magnetischen Element, und dieser Teil des wirksa­ men magnetischen Flusses trägt nicht zur Ermittlung des Drehwinkels bei. Demgemäß muß die magnetische Abschirmung entfernt von der Spule angeordnet werden, und es entsteht ein Gerät mit großen Abmessungen.

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen verbesserten Drehwinkelsensor für die Ermittlung der Induktivitätsände­ rung einer Spule bereitzustellen, welcher im Vergleich zur konventionellen Anordnung mit einer anspruchsloseren Kon­ struktion und einem einfacheren Herstellungsverfahren her­ gestellt werden kann, und welcher eine hinreichend gute Ausgangsgenauigkeit besitzt.

Um die obige Aufgabe zu erfüllen, enthält der Drehwinkel­ sensor gemäß dieser Erfindung einen zylindrischen Spulen­ kern, eine frei drehbare Welle, die so an dem Mittelteil des Spulenkernes angeordnet ist, daß sie sich in Richtung vertikal zur Mittelachse des Spulenkernes erstreckt, zwei Spulen, welche zwischen dem Mittelteil des Spulenkernes und dem einen Seitenteil desselben beziehungsweise zwischen dem Mittelteil des Spulenkernes und dem anderen Seitenteil des­ selben gewickelt sind, und ein magnetisches Element, wel­ ches an der Welle so befestigt ist, daß sie frei in dem Spulenkern drehbar ist, so daß sich der Grad der Auslenkung des magnetischen Elementes auf eine Seite der beiden Spulen entsprechend dem Drehwinkel verändert, und somit die Dre­ hung der Welle in eine Änderung des Induktivitätsverhält­ nisses der beiden Spulen umgesetzt wird.

Bei dem Drehwinkelsensors gemäß der Erfindung kann bei der oben beschriebenen Konstruktion auch eine magnetische Flüs­ sigkeit in den Spulenkern eingefüllt werden, und anstelle des magnetischen Elementes kann ein nichtmagnetisches Ele­ ment an der Welle befestigt werden.

Durch die Drehung der Welle verändert sich der Grad, in dem das magnetische Element oder die magnetische Flüssigkeit auf eine Seite der Spule ausgelenkt wird, und damit wird auch das Induktivitätsverhältnis der beiden Spulen verän­ dert. Der Drehwinkel kann durch Erfassung des Induktivi­ tätsverhältnisses gemessen werden. Dieser Sensor besitzt eine relativ anspruchslose Konstruktion und kann leicht hergestellt werden. Insbesondere wird die Spule lediglich um den zylindrischen Spulenkern gewickelt und dadurch kann sie leichter hergestellt werden als die bekannten Spulen, die eine spezielle Form besitzen. Ferner wird dann, wenn eine magnetische Abschirmung vorhanden ist, der wirksame magnetische Fluß durch die magnetische Abschirmung und das magnetische Element (oder die magnetische Flüssigkeit) in den Spulenkern geführt, so daß im Unterschied zur konven­ tionellen Anordnung der wirksame magnetische Fluß nicht durch die magnetische Abschirmung in Anspruch genommen wird.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Drehwinkelsensors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels entlang der Linie A-A;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels entlang der Linie B-B;

Fig. 4 ist ein Schaltbild der elektrischen Schaltung des Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 ist ein Diagramm, der Ausgangskennlinie des Ausfüh­ rungsbeispiels;

Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Weg des magnetischen Flus­ ses zeigt, wenn in dem Ausführungsbeispiel eine mag­ netische Abschirmung vorgesehen ist;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines anderen Ausführungs­ beispiels gemäß der Erfindung entlang derselben Linie wie in Fig. 2;

Fig. 8 ist eine Schnittansicht des in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiels entlang derselben Linie wie in Fig. 3; und

Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines anderen Ausführungs­ beispiels gemäß der Erfindung.

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend mit Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Drehwinkelsensors gemäß der Erfindung, und die Fig. 2 und 3 sind Schnittansichten des in Fig. 1 gezeigten Dreh­ winkelsensors entlang der Linien A-A beziehungsweise B-B.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Welle 3 im Mittelteil eines zylindrischen Spulenkernes 1 so angeordnet, daß sie sich in eine Richtung vertikal zur zentralen Achse des Spulenkernes 1 erstreckt. Die Welle 3 ist in dem Spulenkern 1 frei dreh­ bar gelagert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Welle 3 so dargestellt, daß sie vollständig durch den Spulenkern 1 hindurchdringt und ihre beiden Enden aus dem Spulenkern 1 herausragen. Es kann jedoch anstelle der obigen Konstruk­ tion eine andere Konstruktion angewendet werden, bei der das eine Ende der Welle 3 aus dem Spulenkern 1 herausragt und das andere Ende in dem Spulenkern 1 angeordnet ist.

Sowohl der Spulenkern 1 als auch die Welle 3 sind aus magnetischem Material hergestellt, und um den Außenumfang des Spulenkerns 1 sind zwei zylindrische Spulen 5A und 5B gewickelt.

Die eine der beiden Spulen, die Spule 5A ist um die eine Hälfte des Spulenkerns 1 gewickelt, welche sich von dem Mittelteil des Spulenkerns zur einen Seite desselben er­ streckt (um den linken Seitenteil des Spulenkerns 1 in den Fig. 1 und 2) und die andere Spule 5B ist um die andere Hälfte des Spulenkerns 1 gewickelt, welche sich von dem Mittelteil des Spulenkerns zur anderen Seite desselben er­ streckt (um den rechten Seitenteil des Spulenkerns 1 in den Fig. 1 und 2). Diese Spulen 5A und 5B sind bezüglich der Mittelachse der Welle 3 symmetrisch angeordnet. Ein halbzy­ lindrischer Kern 7 aus ferromagnetischem Material ist an dem Mittelteil der Welle 3 befestigt, und der Kern 7 wird zusammen mit der Welle 3 in die durch einen Pfeil ange­ zeigte Richtung gedreht.

Der Radius d des Kerns 7 (der Abstand vom Mittelteil der Welle zum Außenumfang des Kerns) ist annähernd gleich der Länge I der Spulen 5A und 5B (dem Abstand vom Mittelteil der Welle zur Kante der Spule).

Die Welle 3 ist mit einem Beobachtungsobjekt verbunden (einem zu messenden Objekt), und der Kern 7 wird synchron mit der Drehung des Beobachtungsobjektes in dem Spulenkern 1 gedreht.

Entsprechend dem Drehwinkel des Kerns 7 wird der wirksame Anteil des Kerns 7, welcher als Kern der Spule 5A in dem durch die Spule 5A definierten Raum wirkt, und der wirksame Anteil des Kerns 7, welcher als Kern der Spule 5B in dem durch die Spule 5B definierten Raum wirkt, verändert. Da­ durch wird auch das Induktivitätserhältnis der Spulen 5A und 5B verändert.

Fig. 4 ist ein Schaltbild, die Beschaltung eines so aufge­ bauten Drehwinkelsensors zeigt. Die Spulen 5A und 5B sind in Serie miteinander verbunden, und eine konstante hochfre­ quente Wechselspannung Vin ist beidseitig über die in Serie geschalteten Spulen angelegt. Eine Spannung VB, die über der Spule 5B entsteht, wird abgegriffen und dann durch einen Gleichrichter 9 und einen Verstärker 11 geschickt und in eine Ausgangsgleichspannung Vout gewandelt.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung Vout und dem Drehwinkel des Kerns 7 zeigt. In diesem Diagramm entspricht der Drehwinkel a einem Win­ kel, bei welchem der Kern 7 sich vollständig auf der Seite der Spule 5A befindet, wie in Fig. 1 gezeigt, und der Dreh­ winkel b entspricht einem Winkel, bei welchem der in Fig. 1 gezeigte Kern 7 um 180° gedreht ist und sich vollständig auf der Seite der Spule 5B befindet, welche der Seite der Spule 5A gegenüberliegt.

Wie oben beschrieben wird das Induktivitätsverhältnis der Spulen 5A und 5B entsprechend dem Drehwinkel des Kerns 7 verändert und die Ausgangsspannung Vout wird, wie in Fig. 5 gezeigt, verändert. Der Drehwinkelsensor dieses Ausfüh­ rungsbeispiels wird, wie in Fig. 5 gezeigt, in einem linear veränderlichen Bereich der Kennlinie verwendet, so daß in der praktischen Anwendung keine Probleme auftreten.

Ein Vorteil dieses Drehwinkelsensors ist, daß die Konstruk­ tion desselben anspruchslos ist und die Herstellung eines Gerätes im Vergleich zur oben beschriebenen konventionellen Anordnung einfacher ist.

Insbesondere reicht es für die Spulen 5A und 5B aus, ledig­ lich die Spulen um den zylindrischen Spulenkern 1 zu wickeln, und damit wird der Herstellungsprozeß dieses Ausfüh­ rungsbeispiels im Vergleich zum Herstellungsprozeß für die Ausbildung zweier Spulen, die einen halbkreisförmigen oder halbbogenförmigen Querschnitt besitzen, und die parallele Anordnung der Spulen, um die konventionelle Anordnung zu erzeugen, weiter vereinfacht. Andere Vorteile sind die fol­ genden. Wenn außen eine magnetische Abschirmung vorgesehen ist, wie in Fig. 6 gezeigt wird, wird der größte Anteil des wirksamen magnetischen Flusses, der von den Spulen 5A und 5B ausgeht, durch den Kern 7 und dann durch die magnetische Abschirmung 13 geleitet. Deshalb besitzt dieses Ausfüh­ rungsbeispiel keine Probleme, die der konventionellen An­ ordnung anhaften, bei der der größte Anteil des wirksamen Flusses nicht den Kern, sondern nur die magnetische Ab­ schirmung durchdringt und nicht zur Detektion des Drehwin­ kels beiträgt.

Folglich kann die magnetische Abschirmung näher an den Spu­ len 5A und 5B angeordnet werden und damit kann die Gesamta­ nordnung einfach miniaturisiert werden. Außerdem ist die Ausgangsgenauigkeit ausgezeichnet.

Die Fig. 7 und 8 sind Schnittansichten eines anderen Aus­ führungsbeispiels dieser Erfindung, in denselben Richtungen wie in den Fig. 2 und 3 betrachtet. Dieses Ausführungsbei­ spiel besitzt im wesentlichen denselben Aufbau wie das obige Ausführungsbeispiel, ausgenommen, daß der Kern 17 in halbkugelförmiger Form ausgebildet ist.

Da der Kern 17 bei diesem Ausführungsbeispiel halbkugelför­ mig ist, ist zu erwarten, daß er im Vergleich zum obigen Ausführungsbeispiel, das einen halbkreisförmigen Kern 7 verwendet, einen größeren Anteil des wirksamen Flusses zur Ermittlung des Drehwinkels beitragen kann.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines anderen Ausführungs­ beispiels des Drehwinkelsensors gemäß dieser Erfindung und zwar aus der gleichen Richtung zu sehen wie in Fig. 1. Die­ ses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor insgesamt in einem abgedichteten Behälter 19 unter­ gebracht ist, daß eine magnetische Flüssigkeit in den Be­ hälter 19 eingefüllt ist und daß der Kern 27 aus nichtma­ gnetischem Material besteht. Die Form des Kerns 27 kann halbzylindrisch oder halbkugelförmig sein. Der andere Auf­ bau ist identisch zum obigen Ausführungsbeispiel.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die magnetische Flüssig­ keit als Folge der Drehung des Kerns 27 verdrängt und von dem Kern 27 zur Seite der Spule 5A oder 5B bewegt, wodurch das Induktivitätsverhältnis der Spulen 5A und 5B verändert wird.

Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt und kann in verschiedenen Modifikationen gegen­ über den beschriebenen Ausführungsbeispielen angewendet werden. Zum Beispiel ist die Form des Spulenkerns 1 nicht auf eine zylindrische Form beschränkt, sondern sie kann auch prismatisch sein.

Wie beschrieben, kann gemäß der Erfindung ein kontaktloser Drehwinkelsensor mit einer ausgezeichneten Genauigkeit und einer einfachen Konstruktion in einem einfachen Herstel­ lungsverfahren bereitgestellt werden.

Claims (8)

1. Drehwinkelsensor, gekennzeichnet durch: einen Spulenkern (1); eine freidrehbare Welle (3), die so in der Mitte des Spulenkernes (1) angeordnet ist, daß sie sich rechtwinklig zur Mittelachse des Spulenkernes (1) erstreckt; zwei Spulen (5A, 5B), welche um je eine Hälfte des Spulenkernes (1) zwischen seiner Längsmitte und der einen Endfläche bzw. um die andere Hälfte des Spulen­ kernes (1) zwischen seiner Längsmitte und der anderen End­ fläche gewickelt sind; und ein magnetisches Element (7), welches so an der Welle (3) befestigt ist, daß sich der Grad der Auslenkung des magnetischen Elementes (7) zur einen oder anderen Spule (5A, 5B) entsprechend dem Drehwin­ kel der Welle (3) verändert und somit der Drehwinkel der Welle (3) in eine Änderung des Induktivitätsverhältnisses der zwei Spulen (5A, 5B) umgesetzt wird.

2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er ferner eine Einrichtung (9, 11) zur Umwandlung der Änderung des Induktivitätsverhält­ nisses der zwei Spulen (5A, 5B) in Spannungssignale ent­ hält, um den Drehwinkel auf Basis der Ausgangsspannungssi­ gnale zu ermitteln.

3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spulenkern (1) eine zylin­ drische Form besitzt.

4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetische Element (7) halbzylindrisch oder halbkugelförmig ist.

5. Drehwinkelsensor gekennzeichnet durch: einen Spulenkern (1); eine freidrehbare Welle (3), die so in der Mitte des Spulenkernes (1) angeordnet ist, daß sie sich rechtwinklig zur Mittelachse des Spulenkernes (1) er­ streckt; zwei Spulen (5A, 5B), welche um je eine Hälfte des Spulenkernes zwischen seiner Längsmitte und der einen bzw. anderen Endfläche desselben gewickelt sind; eine magneti­ sche Flüssigkeit (21), die in den Spulenkern (1) eingefüllt ist; und ein nichtmagnetisches Element (27), welches so an der Welle (3) befestigt ist, daß es im Spulenkern (1) frei drehbar ist, so daß sich der Grad der Ablenkung des nicht­ magnetischen Elementes (27) zur einen oder anderen Spule (5A, 5B) entsprechend dem Drehwinkel der Welle (3) verän­ dert, wobei die Drehung des nichtmagnetischen Elementes (27) eine ungleichförmige Verteilung der magnetischen Flüs­ sigkeit im Spulenkern verursacht und somit der Drehwinkel der Welle in eine Änderung des Induktivitätsverhältnisses der beiden Spulen (5A, 5B) umgesetzt wird.

6. Drehwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er ferner eine Einrichtung (9, 11) zur Umwandlung der Änderung des Induktivitätsverhält­ nisses der zwei Spulen (5A, 5B) in Spannungssignale ent­ hält, um den Drehwinkel auf Basis der Ausgangsspannungssi­ gnale zu ermitteln.

7. Drehwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spulenkern (1) eine zylin­ drische Form besitzt.

8. Drehwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das nichtmagnetische Element (27) halbzylindrisch oder halbkugelförmig gestaltet ist.