DE4335594C2 - 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.

Aus GB 14 82 705 ist eine elektrische Rotationsmeßvorrichtung mit einem drehbaren magnetischen Kern und einem fest stehen­ den magnetischen Kern bekannt, wobei der drehbare und der feststehende magnetische Kern so angeordnet sind, daß an wenigstens zwei Stellen Spalten zwischen ihnen ausgebildet sind, wobei der überlappungsbereich der Kerne bei jedem Spalt im wesentlichen in gebogener Form ausgebildet ist und die magnetischen Kerne im wesentlichen zwei geschlossene Magnetkreise bilden, von denen jeder einen der Spalte und einen zentralen zylindrischen magnetischen Abschnitt ent­ hält, der beiden Magnetkreisen gemeinsam ist und entfernt der Spalten angeordnet ist. Wenn bei dieser Vorrichtung der drehbare Magnetkern bezüglich dem feststehenden Magnetkern gedreht wird, erhöht sich der überlappungsbereich des Spal­ tes zwischen den magnetischen Kernen in einem der Magnet­ kreise, wohingegen der überlappungsbereich bei dem Spalt zwischen den Magnetkernen in dem anderen Magnetkreis um den gleichen Betrag abnimmt. Des weiteren ist eine Primärspu­ lenwicklung um den zylindrischen magnetischen Kern und we­ nigstens eine Sekundärspulenwicklung um einen Teil eines der Magnetkreise vorgesehen, der nicht Teil des anderen Ma­ gnetkreises ist. Diese Spulen sind als Primär- bzw. Sekun­ därwicklung eines Transformators anzusehen, wobei der Kopp­ lungskoeffizient zwischen diesen Spulen aufgrund der Dreh­ bewegung des drehbaren magnetischen Kernes verändert wird.

Aus DE 39 31 423 A1 ist ein Lagesensor mit Mitteln zur Be­ stimmung der relativen Lage eines Körpers zum Schwerpunkt der Erde bekannt, der eine exakte Lagebestimmung frei von Umwelteinflüssen unter Vermeidung von mechanischen Teilen dadurch ermöglicht, daß der Körper des Lagesensors einen Hohlraum aufweist, der zum Teil mit einer ferromagnetischen oder dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist, und daß Reak­ tanzen dem Hohlraum benachbart angebracht sind. Dabei wird die Verlagerung der ferromagnetischen oder der dielektri­ schen Flüssigkeit in dem Hohlraum bei Veränderung der Lage des Lagesensors aufgrund der Wirkung der Gravitation der Erde ausgenutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehwinkelsensor für die Ermittlung der Induktivitätsänderung einer Spule be­ reitzustellen, der mit einer anspruchslosen Konstruktion und einem einfachen Herstellungsverfahren hergestellt wer­ den kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Drehwin­ kelsensor gemäß Anspruch 1 und 4 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor wird durch das Merkmal, daß der Spulenkern eine zylindrische Form besitzt, bewirkt, daß die beiden Spulen besonders einfach zu wickeln sind und ein sicherer Betrieb gewährleistet ist, da der be­ treffende Draht, aus dem sie gewickelt sind, um keinerlei Kanten gelegt werden muß, wodurch das Risiko seiner Be­ schädigung und damit das Risiko des Kurzschlusses einzelner Spulenwindungen minimal ist. Des weiteren wird durch das Merkmal, daß das drehbare magnetische Element im Inneren des Spulenkernes angeordnet ist, bewirkt, daß der wirksame magnetische Fluß in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage des magnetischen Elements im Inneren des Spulenkernes ver­ ändert wird. Dies hat zum einen den Vorteil, daß an der äußeren Peripherie der Spule keine störenden beweglichen mechanischen Teile notwendig sind, so daß der erfindungsge­ mäße Drehwinkelsensor nicht noch durch zusätzliche mechani­ sche Schutzeinrichtungen von seiner Umgebung abgeschirmt werden muß, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährlei­ sten. Zum anderen wird dadurch erreicht, daß der erfin­ dungsgemäße Drehwinkelsensor besonders klein und leicht ausgeführt werden kann und das magnetische Element eine einfache und kleine geometrische Form annehmen kann und so­ mit eine nur geringe Masse und geringes Gewicht aufweisen kann. Da das magnetische Element direkt auf den ma­ gnetischen Fluß innerhalb des Spulenkernes wirkt, ist es auch nicht erforderlich, das magnetische Element selbst als Spule bzw. als verlängerten magnetischen Pol einer Spule auszubilden. Auch hierdurch wird wiederum der Vorteil be­ wirkt, daß das magnetische Element und somit der Drehwin­ kelsensor insgesamt sehr klein und leicht ausgeführt werden kann.

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 dein 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 l 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, welches 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 wic­ keln, 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 Gesamt­ anordnung 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.

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 (6)

1. Drehwinkelsensor aufweisend: einen Spulenkern (1); eine frei drehbare 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 Spulenkernes (1) zwischen seiner Längsmitte und der anderen Endfläche gewickelt sind; und ein magnetisches Element (7), welches so an der Welle (3) befestigt ist, daß sich der Grad der Auslenkung des magne­ tischen Elementes (7) zur einen oder anderen Spule (5A, 5B) entsprechend dem Drehwinkel der Welle (3) verändert und so­ mit der Drehwinkel der Welle (3) in eine Änderung des In­ duktivitätsverhältnisses der zwei Spulen (5A, 5B) umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (1) eine zylindrische Form besitzt und das drehbare magnetische Element (7) im Inneren des Spulen­ kernes angeordnet ist.

2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er ferner eine Einrichtung (9, 11) zur Umwandlung der Änderung des Induktivitätsver­ hältnisses der zwei Spulen (5A, 5B) in Spannungssignale enthält, um den Drehwinkel auf Basis der Ausgangsspannungs­ signale zu ermitteln.

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

4. Drehwinkelsensor aufweisend: einen Spulenkern (1); eine frei drehbare 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. an­ deren Endfläche gewickelt sind; gekennzeich­ net durch eine magnetische 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 Auslenkung des nichtmagnetischen Elements (27) zur einen oder anderen Spule (5A, 5B) entsprechend dem Drehwin­ kel der Welle (3) verändert, wobei die Drehung des nichtma­ gnetischen Elementes (27) eine ungleichförmige Verteilung der magnetischen Flüssigkeit im Spulenkern verursacht und somit der Drehwinkel der Welle in eine Änderung des Induk­ tivitätsverhältnisses der zwei Spulen (5A, 5B) umgesetzt wird, wobei der Spulenkern (1) eine zylindrische Form be­ sitzt und das drehbare nichtmagnetische Element (27) im In­ neren des Spulenkerns angeordnet ist.

5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er ferner eine Einrichtung (9, 11) zur Umwandlung der Änderung des Induktivitätsver­ hältnisses der zwei Spulen (5A, 5B) in Spannungssignale enthält, um den Drehwinkel auf Basis der Ausgangsspannungs­ signale zu ermitteln.

6. Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das nichtmagnetische Element (27) halbzylindrisch oder halbkugelförmig gestaltet ist.