DE9421682U1

DE9421682U1 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE9421682U1
Application number: DE9421682U
Authority: DE
Original assignee: ELOBAU ELEKTROBAUELEMENTE GmbH
Current assignee: ELOBAU ELEKTROBAUELEMENTE GmbH
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2004-11-01

Description

&Lgr;."

-1 -

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor mit einem Gehäuse und einem in diesem drehbar gelagerten oder in dieses relativ drehbar eingreifenden Drehorgan, wobei zwischen diesen und einem elektrischen Gehäuseeinbau eine elektrische Kopplung besteht.

Solche Drehwinkelsensoren werden ganz allgemein zur Messung und Anzeige einer Drehposition eines Drehgüedes eingesetzt. Einsatzgebiete sind beispielsweise Neigungsmessung und Niveauanzeige. Die Kopplung bei herkömmlichen Drehwinkelsensoren erfolgt überwiegend mechanisch mittels eines Schleifers auf eine Widerstandsspule. Der Schleifer des Potentiometers ist bei einem Neigungswinkelmesser nachteilig, da er sich auf die Meßgenauigkeit ungünstig auswirkt. Erfolgen die Neigungswinkelmessungen in entgegengesetzten Richtungen, so ergibt sich eine Hysterese. Zwar sind auch elektronische Drehwinkelsensoren bekannt, denen aber der Nachteil eines nur begrenzten Drehwinkeis anhaftet. Für den Einsatz von Niveauanzeigen, hat die Kopplung des Drehorgans mit dem elektrischen Gehäuseeinbau über das Potentiometer den Nachteil der Korrosionsanfälligkeät. Der Einbau eines Niveauregiers in einen Tank mit aggressiver Flüssigkeit verbietet sich daher.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehwinkeisensor zu schaffen, der neben einer einfachen und kostengünstigen Herstellung korrosionsunempfindlich ist und aufgrund verminderter Reibung zwischen Drehorgan und elektrischem Einbau eine höhere Meßgenauigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Drehorgan an seinem Umfang ein Magnetelement trägt und daß eine Anzahl dicht benachbart zueinander

2-

im Gehäuse fest angeordneter Reedschalter aufweist, deren Kontaktbrücken wenigstens angenähert auf einem Kreisbogen liegen, der zur Umlaufbahn des Magnetelementes wenigstens angenähert konzentrisch und benachbart verläuft, wobei die Reedschalter über je einen Widerstand in einem Stromkreis einer Auswerteschaltung liegen, die eine Anzeige ansteuert.

Positionswertgeber zur Bestimmung der Längsposition eines hin- und herbewegiichen Elementes unter Verwendung von magnetbetätigten Reedschaltern sind bekannt. Für Drehwinkelsensoren hat man dagegen dieses Prinzip noch nicht eingesetzt, obwohl gerade hier die berührungslose Kopplung des Drehorgans mit dem elektrischen Gehäuseeinbau große Vorteile bietet. Der erste Vorteil ist die hohe Meßgenauigkeit, die aus der reibungsfreien Kopplung resultiert. Die Reedschalter, die bezüglich ihrer störungsfreien Schalthäufigkeit mechanischen Schaltern bekanntermaßen weit überlegen sind, können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung luftdicht vergossen werden, sodaß der Drehwinkelsensor wenigstens hinsichtlich seiner elektrischen Bauteile völlig korrosionsfrei ist und somit problemlos für Niveauanzeigen und Niveauregelungen von aggressiven Flüssigkeiten verwendet werden kann.

Die Reedschaltampullen haben nur einen Durchmesser von wenigen Millimetern und können dicht aneinanderliegend oder -stehend auf einer Leiterplatte befestigt werden. Die Drehwinkelpositionswertbestimmung erfolgt quasi-analog. Tatsächlich jedoch digital, da ein Schalter nach dem anderen aktiviert wird. Schon mit kleineren Gehäusedimensionen läßt sich eine hohe Auflösung erreichen. Dabei jst der Winkelmeßbereich nicht beschränkt, sodaß eine 360°-Winkelmessung möglich ist.

Zwar ist es erfindungsgemäß möglich, ein punktförmiges Magnetelement am Drehorgan vorzusehen, dessen Bewegung die einzelnen Reedschalter vorübergehend aktiviert, jedoch besteht eine besonders vorteilhafte Variante der Er-

3-

findung darin, daß das Magnetelement teiiring- oder sektorförmig ausgebildet ist und sich längs eines Umfangsteils des Drehorgans erstreckt und der zugehörige Umfangswinkel so bemessen ist, daß in einer Drehstellung des Drehorgans alle Reedschalter oder wenigstens alle Reedschalter einer Reedschaltergruppe gleichzeitig betätigt sind. Für einen Meßbereich von 180° wird also ein halbkreisförmiges Magnetelement verwendet. Die Meßfunktion ist dadurch sicherer, da sich kein "Loch" in der Anzeigenkette ergeben kann. Alle vom Magnetelement überfahrenen Reedschaiter bleiben aktiviert. Damit wird auch der magnetische Widerstand reduziert, weil die Überwindung des bei Einzelansteuerung der Reedschalter vorhandenen Abreiß- und Anzugsmomentes entfällt.

Eine besonders flachbauende Ausführung eines Drehwinkelsensors wird erreicht, indem die Längsachsen der parallel zueinander liegenden Reedschalter in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die von der Drehachse des Drehorgans rechtwinklig durchsetzt wird. Vorzugsweise sind die einzelnen Reedschalter bei dieser Anordnung von Schalter zu Schalter längsversetzt, sodaß die Kontaktbrücken aller Reedschalter wenigstens angenähert auf einer Kreisbahn liegen.

Eine alternative Lösung der Erfindung besteht darin, daß die Reedschalter mit ihren Längserstreckungen achsparalle! zur Drehachse des Drehorgans angordnet sind. Sie stehen dabei auf einer Leiterplatte oder sind zwischen zwei parallelen Leiterplatten aufgehängt.

Sowohl bei der liegenden wie auch bei der stehenden Ausführung der Reedschalter, kann eine 360°-Winkelabtastung erfolgen.

Eine Erhöhung der Auflösung wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, daß die Reedschalter einer ersten Reedschaltergruppe mit ihren Achsen auf einer Kreiszy-

■4-

linderfiäche liegen und einer weiteren Reedschaltergruppe in gleicher Weise eine dazu konzentrische zweite Kreiszyiinderfläche zugeordnet ist, wobei beide Kreiszylinderiflächen unterschiedliche Durchmesser aufweisen, die Reedschalter beider Reedschaitergruppen dieselben Winkelabstände haben und die Reedschaitergruppen um eine halbe Winkelteilung gegeneinander umfangsversetzt sind. Das vorzugsweise teilringförmige Magnetelement kann entweder zwischen den beiden Reedschaitergruppen bewegt werden, sodaß abwechselnd ein äußerer Schalter und ein innerer Schalter aktiviert werden, die beiden Reedschaitergruppen können aber auch in gegenüberliegenden Gehäusehälften angeordnet werden, wobei dann jeder Reedschaltergruppe ein eigenes teilringförmiges Magnetelement zugeordnet ist.

Auch bei der liegenden Ausführung der Reedschalter läßt sich eine Verdoppelung oder Vervielfachung der Schaltpunkte erreichen, indem mehrere Reedschaitergruppen mit Teilungsversatz in parallelen Ebenen angeordnet werden.

Eine weitere Erhöhung der Auflösung des Drehwinkelsensors ist mittels eines einfachen Zahnradgetriebes möglich, in dem das Drehorgan relativ drehbar auf einer es durchsetzenden Antriebswelle gelagert ist und ein Antriebsritzel aufweist, das mittels eines Übersetzungsgetriebes mit der Antriebswelle gekuppelt ist. Für ein Winkelmeßgerät mit einem Drehwinkelbereich von 60°, wie es für übliche Niveauregler ausreicht und einer sich über 180° erstreckenden Reedschaltergruppe, beträgt das Übersetzungsverhältnis des mechanischen Getriebes 3:1. Die Auflösung der Winkelbewegung des Drehwinkelgebers wird somit verdreifacht.

Anhand der Zeichnung, die einige Ausführungsbeispiele zeigt, wird die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigt:

-5-

FIG. 1 eine axiale Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines Drehwinkelsensors,

FlG. 2 eine Querschnittansicht des Drehwinkelsensors nach Figur 1,

FlG. 3 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform eines Drehwinkelsensors,

FlG. 4 eine axiale Schnittansicht des Sensors gemäß Figur 3,

FIG. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Abwandlung eines Drehwinkelsensors,

FIG. 6 eine Schnittansicht des Sensors gemäß Figur 5,

FIG. 7 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Drehwinkelsensors in Flachbauweise, und

FIG. 8 eine Schnittansicht des Sensors gemäß Figur 7.

Der mit 10 bezeichnete Drehwinkelsensor ist Teil eines Drehwinkelmeßgerates oder eines Drehwinkelansteuergerätes, jedoch sind in den Figuren die elektrische Auswerteschaltung und das Anzeigedisplay nicht dargestellt. Der Sensor 10 hat ein Gehäuse 12, in das ein Drehorgan 14 hineinragt, das auf seinem Umfang ein teilringförmiges Magneteiement 16 trägt. Im Ausführungsbeispiel kann das Drehorgan 14 der Achsschenkelbolzen eines Kraftfahrzeuges sein. Der Sensor 10 dient dann zur Positionsanzeige der Stellung der Vorderräder des Fahrzeuges und ggf. zur Überwachung des Radeinschlages. Im Inneren des Gehäuses 10 befindet sich eine scheibenförmige Leiterplatte 18, auf deren Umfangsrand eine Anzahl Reedschalter 20 parallel zur Drehachse des Drehorgans 14 in stehender Bauweise dicht aneinander

6-

montiert ist. Die Reedschaitergruppe erstreckt sich über einen Umfangswinkel von 90°. Das Magneteiement 16 reicht über denselben Umfangswinkel oder ist sogar geringfügig größer. Ein gewisser axialer Versatz der axialen Mitte des Magnetelementes 16 zur Kontaktbrücke der Reedschalter 20 stört nicht. Der Abstand zwischen Magnetelement 16 und Reedschaltern 20 beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 5 mm. Die topfartig nach innen gezogene Wandung verläuft zwischen Magnetelement und Reedschaltergruppe. Das Gehäuse besteht aus Kunststoff. Das Magnetelement 16 hat eine ausreichende Feldstärke, um die Reedschalter 20 sicher zu betätigen.

In der Darstellung gemäß Figur 2 sind alle Reedschalter 20 der Schaltergruppe aktiviert und da jedem der Reedschalter 20 ein Widerstand 22 zugordnet ist, sind je nach gewählter Schaltungsanordnung alle Widerstände im Stromkreis eingestaltet oder liegen auf Masse. Die Widerstände bilden eine in einem Stromkreis liegende Widerstandskette. Dreht sich nun das Drehorgan, so werden die Reedschalter nacheinander inaktiviert, was jedesmal mit einer Spannungsänderung der elektrischen Schaltung verbunden ist. Die jeweilige Spannung wird in einer elektronischen Auswerteschaltung in ein korrespondierendes Anzeigesignal umgesetzt. Die Leiterplatte 18 mit den Reedschaltern 20 und den elektrischen Bauteilen 22 ist vorzugsweise gasdicht vergossen.

Die Ausführung gemäß Figuren 3 und 4 zeigt einen Drehwinkelsensor 10, in dessen Gehäuse ein Drehorgan 14 in Form einer Drehscheibe leichtgängig mittels Kugellagern drehbar gelagert ist. Am äußeren Umfang des Drehorgans 14 ist das ringförmig gebogene Magnetelement 16 angeordnet, und diametral gegenüberliegend ist ebenfalls umfangsbenachbart eine Masse 24 mit hohem spezifischen Gewicht befestigt. Dieser Drehwinkelsensor ist als Neigungsmesser konzipiert. In das Gehäuse 12 ist eine aus zwei parallelen Leiterplatten 18 bestehende Halterung eingesetzt, die

-7-

zwei Gruppen 26, 28 stehender Reedkontakte 20 trägt. Die Reedkontakte 20 sind mit ihren Längsachsen parallel zur Drehachse des Drehorgans 14 und auf einem Halbkreisbogen angeordnet. Die Reedschalter 20 liegen also auf einer Kreiszylinderfiäche, deren Durchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Laufbahn des Magnetelementes 16 ist. Die beiden Reedschaitergruppen 26, 28 erstrecken sich je über einen Umfangswinkel von 90°. Der Abstand der Reedschalter 20 in jeder Gruppe ist derselbe, jedoch sind beide Gruppen relativ zueinander um eine halbe Teilung, d.h. um die Hälfte des Umfangsabstandes der Reedschalter 20 versetzt. Im Ausführungsbeispiel sind ca. zwanzig Reedschaltampullen vorgesehen, verdoppelt sich die Auflösung dadurch, daß mittels einer Brückenschaltung jeweils die beiden durch das Magnetelement 16 aktivierten Schalter in beiden Richtungen ausgewertet werden, ergibt sich dank des Umfangsversatzes der beiden Schaltergruppen um ein halbes Raster eine Auswertung von 40 Schaltpunkten.

Die Ausführung gemäß Figuren 5 und 6, ist derjenigen gemäß Figuren 3 und 4 im Grundsatz ähnlich, jedoch erstrecken sich beide Reedschaltergruppen 26, 28 zusammen über eine volle Kreiszylinderfiäche von 360°. Beide Schaltergruppen 26, 28 liegen in gegenüberliegenden Gehäusehälften. Die Reedschalter 20 beider Reedschaltergruppen 26, 28 sind ebenfalls in gleichen Winkelabständen angeordnet.

Die Zuordnung beider Reedschaltergruppen 26, 28 und des zugehörigen Magnetelementes 16 ist auch hier so getroffen, daß die eine Schaitergruppe zur anderen um eine halbe Teilung umfangsversetzt ist. Das Drehorgan 14 hat ein halbringförmiges Magnetelement 16, das den Durchmesser der beiden Schaltergruppen 26, 28 überlappt. Bei Drehung des Drehorgans 14 öffnen somit abwechselnd die Reedschalter 20 der beiden Schaltergruppen 26, 28. Die Auflösung wird damit verdoppelt.

-8-

Die Ausführung gemäß Figuren 7 und 8 veranschaulicht einen Drehwinkelsensor für eine Niveauanzeige. Auf einer Platine 18 mit Halbringform ist eine Reedschaltergruppe 30 befestigt, deren Reedschalter 20 liegend angeordnet sind. Alle Reedschalter 20 liegen hier dicht benachbart parallel zueinander in einer zur Drehachse des Drehorgans 14 rechtwinkligen Ebene. Die Reedschalter sind zueinander jeweils längs versetzt, sodaß die Kontaktbrücke aller Reedschalter wenigstens angenähert auf einem konzentrischen Kreis zur Drehachse des Drehorgans 14 liegen. Der wirksame Umfang der Reedschaltergruppe 30 beträgt etwa 180°. Das Drehorgan 14, das unmittelbar unterhalb (Fig. 8) der Ebene der Reedschaltergruppe 30 angeordnet ist, besteht aus einer Scheibe, die auf einer Antriebswelle 32 relativ drehbar gelagert ist und ein halbringförmiges Magneteiement 16 trägt, das in der in Fig. 7 dargestellten Ausgangsstellung alle Reedschaiter 20 der Reedschaltergruppe 30 überlappt und diese aktiviert. Das scheibenförmige Drehorgan 14 ist stirnseitig mit einem Ritzel 34 versehen, welches mit einem Zwischenzahnrad 36 kämmt, das seinerseits in eine Umfangsverzahnung eines Schwenksegmentes 38 eingreift, welches auf der Antriebswelle 32 befestigt ist. Die Antriebswelle 32 trägt einen, aus einem Schlitz 40 des Gehäuses 12 herausgeführten Radialarm 42, an dessen Ende ein Auftriebskörper 44 befestigt ist. Bei einem Schwenkwinkel des Radialarmes 42 von 60° beträgt die Getriebeübersetzung 3:1. Mit sechzehn Reedschaltern 20 beträgt der Abstand der Schaltpunkte am Drehorgan 11,25°, dem ein Schwenkwinkel des Radialarms 42 von 3,75° zugeordnet ist.

Die Reedschaltergruppe 30 an der Unterseite der Platine 18 und die nicht dargestellte elektrische Schaltung und elektronische Auswertung sind vollständig gasdicht vergossen, sodaß der Niveaugeber in aggressiver Atmosphäre oder Flüssigkeit betrieben werden kann.

J &Idigr;··

9-

Gemeinsames Merkmal aller Ausführungen ist ein sich über mindestens etwa 90° Umfangswinke! erstreckendes Magneteiement 16 in Form eines Ringbandes oder Segmentes, das gleichzeitig eine Gruppe von Reedkontakten 20 aktiviert, in einer bestimmten Stellung des Drehorgans 14 ist erfindungsgemäß mindestens die Hälfte aller Reedschalter gleichzeitig aktiviert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind sogar alle Reedschalter des Drehwinkeigebers 10 gleichzeitig aktiv.

Claims

- 1 -SCHUTZANSPRÜCHE

1. Drehwinkelsensor mit einem Gehäuse (12) und einem, in diesem drehbar gelagerten oder in dieses relativ drehbar eingreifenden Drehorgan (14), wobei zwischen Drehorgan (14) und einem elektrischen Gehäuseeinbau eine elektrische Kopplung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehorgan

(14) an seinem Umfang ein Magnetelement (16) trägt und daß eine Anzahl dicht benachbart zueinander im Gehäuse (12) fest angeordneter Reedschalter (20) vorgesehen ist, deren Kontaktbrücken wenigstens angenähert auf einem Kreisbogen liegen, der zur Umlaufbahn des Magnetelementes (16) wenigstens angenähert konzentrisch und benachbart verläuft, wobei die Reedschalter (20) über je einen Widerstand (22) in einem Stromkreis einer Auswerteschaltung liegen, die eine Anzeige ansteuert.

2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reedschalter (20) mit ihren Längserstreckungen achsparallel zur Drehachse des

5 Drehorgans (14) angeordnet sind,

3. Drehwinkeisensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reedschalter (20) zwischen zwei parallelen ringförmigen Leiterplatten (18) angeordnet sind und die beiden Kontakte jedes Reedschalters (20) ausgefluchtete Löcher der Leiterplatten (18) durchsetzen und an, an den voneinander abgewandten Scheibenseiten vorgesehenen Leiterbahnen verlötet sind.

4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reedschalter (20) auf einer Leiterplatte (18) befestigt sind und der eine Anschiußdraht jedes Reedschalters (20) ein zu dessen Längsachse koaxiales Loch der Leiterplatte (18) und der zweite, zurückgebogene Anschlußdraht, ein mit dem

2-

Loch radial ausgerichtetes zweites Loch durchsetzt und beide Anschlußdrähte an Leiterbahnen an der den Reedschaltern (20) abgewandten Piattenseite verlötet sind.

5. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der parail zueinander liegenden Reedschalter (20) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die von der Drehachse des Drehorgans (14) rechtwinklig durchsetzt wird.

6. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (169 teilring- oder sektorförmig ausgebildet ist und sich längs eines Umfangsteiis des Drehorgans (14) erstreckt und der zugehörige Umfangswinkel so bemessen ist, daß in einer Drehstellung des Drehorgans (14) alle Reedschalter (20) oder wenigstens alle Reedschalter (20) einer Reedschaltergruppe (26, 28, 30) gleichzeitig betätigt sind.

7. Drehwinkelsensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4 und 6, da- durch gekennzeichnet, daß die Reedschalter (20) einer ersten Reedschaltergruppe (26) mit ihren Achsen auf einer Kreiszylinderfläche liegen und einer weiteren Reedschaltergruppe (28) in gleicher Weise eine dazu konzentrische zweite Kreiszylinderfläche zugeordnet ist, wobei beide Kreiszylinderfiächen unterschiedliche Durchmesser aufweisen, die Reedschalter (20) beider Reed-Schaltergruppen (26, 28) oder die die beiden Reedschaltergruppen (26, 28) betätigenden Magnetelemente (16) jeweils gegeneinander um eine halbe Winkelteilung umfangsmäßig versetzt sind.

8. Drehwinkelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reedschaitergruppen (26, 28) in gegenüberliegenden Hälften des Gehäuses (12)

-3-

angeordnet sind und daß das Drehorgan (14) in diesen gegenüberliegenden Hälften je ein Magnetelement (16) aufweist und beide Magnetelemente (16) auf, den beiden Kreiszylinderflächen zugeordneten Durchmessern liegen.

9. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich- net, daß am Drehorgan (14) eine exzentrische punktorientierte Masse mit gegenüber dem Material des Drehorgans (14) höherem spezifischen Gewicht befestigt ist und daß das Drehorgan (14) mit seinem Massenkörper (24) innerhalb des Gehäuses (12) angeordnet ist.

10. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich- net, daß das Drehorgan (14) relativ drehbar auf einer es durchsetzenden Antriebswelle (32) gelagert ist und ein Antriebsritzei (34) aufweist, das mittels eines Übersetzungsgetriebes (36, 38) mit der Antriebswelle (32) gekuppelt ist.

11. Drehwinkeisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Drehorgan (14) oder dessen Antriebswelle (32) ein, aus dem Gehäuse (12) durch einen Schlitz (40) herausgeführter Radialarm (42) befestigt ist, der an seinem freien Ende einen Auftriebskörper (44) trägt.

12. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reedschalter-Anschlußkontakte und die elektrische Auswerteschaltung gasdicht vergossen sind.