EP1133676A1 - Messvorrichtung zur berührungslosen erfassung eines drehwinkels - Google Patents

Messvorrichtung zur berührungslosen erfassung eines drehwinkels

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Publication number
EP1133676A1
EP1133676A1 EP99955755A EP99955755A EP1133676A1 EP 1133676 A1 EP1133676 A1 EP 1133676A1 EP 99955755 A EP99955755 A EP 99955755A EP 99955755 A EP99955755 A EP 99955755A EP 1133676 A1 EP1133676 A1 EP 1133676A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
measuring device
magnet
stator
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99955755A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Asta Reichl
Thomas Klotzbuecher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1133676A1 publication Critical patent/EP1133676A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for contactless detection of an angle of rotation according to the preamble of claim 1.
  • a sensor is known which is arranged in three planes one above the other.
  • the rotor forms the middle level, whereby it consists of the carrier plate for a permanent magnet.
  • the carrier plate itself consists of magnetically non-conductive material, so that the magnetic flux over the other two levels, i.e. the stator, and is scattered with the help of two spacers, which are arranged between the two levels of the stator.
  • the shaft or the extension of a shaft that is attached to the rotor has no influence on the magnetic flux. With this sensor, a relatively large angular range can be measured without changing the sign, but it is relatively large in the axial direction due to the construction in three parallel planes.
  • a measurement curve with one or more flattened portions can be generated in a simple manner.
  • the sensor can be integrated in various systems, such as a throttle measuring device, a pedal module for an accelerator pedal value sensor, or as an independent sensor in throttle valve sensors or one due to its simple construction with relatively little installation effort
  • Body suspension device usable.
  • Figures 9 and 10 show the magnetic flux in the angular range ß and . in the
  • FIGS. 12 to 23 show exemplary embodiments wherein FIGS. 12 to 15 represent an embodiment with a two-part magnet, FIGS. 16 to 19 show a magnet with a first slot shape and FIGS. 20 to 23 show a two-part magnet with a slot in the carrier FIGS. 24 to 30 show the magnetic flux profile over the angle of rotation and FIGS. 31 and 32 are designed with radially magnetized magnets.
  • FIGS. 1 to 4 10 denotes a sensor which is connected with the aid of an axis 11 to a component, not shown, whose rotational movement is to be determined.
  • an extension 12 is attached, so that a shoulder 13 is formed, on which a support plate 14 is placed in the center, which also serves as a rotor.
  • the axis 11, the extension 12 and the carrier plate 14 can be produced both as individual components and as a single component.
  • An annular permanent magnet 15 is arranged on the carrier plate 14 as far as possible with a large radial distance from the center point, ie from the starting point of the axis 11. The bigger here the distance is, the better the resolution of the measurement signal.
  • the permanent magnet 15 is also polarized in the axial direction, ie perpendicular to the carrier plate 12.
  • the carrier plate 14 consists of magnetically conductive, in particular soft magnetic material. According to the invention, the axis 11 and the extension 12 or at least the extension 12 also consist of magnetically conductive, in particular soft magnetic material.
  • stator In a second plane above the permanent magnet 15, a stator is arranged parallel to the carrier plate 14 at a short distance, which stator consists of two segments 16, 17.
  • the segment 16 encloses the extension 12 with an arc 19.
  • the arc 19 is designed as a circular arc.
  • the gap 20 between the axis 11 and the arc 19 is therefore to be made as small as possible.
  • a continuous gap is formed between the two segments 16, 17, which in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 4 has two identical outer sections 21 and a central spacing gap 22 located in the region of the arc 19. With the spacing gap 22 it is important that between the
  • the spacing gap 22 can therefore be filled with air or another magnetically non-conductive material. If the spacing gap 22 is filled with air, for example, it must be in the
  • Relationship to the gap 21 may be made larger in order to achieve this effect mentioned above.
  • another, magnetically non-conductive material can also be selected.
  • the column 21 and the distance gap can also be filled with different materials.
  • a magnetic field sensitive element 25 such as a field plate, magnetic transistor, coils, magnetoresistive element or a Hall element, is arranged approximately in the center. It is important here that the magnetic field-sensitive component has a linear dependence of its output signal on the magnetic induction B.
  • FIGS. 1 to 4 each show a measurement using a single magnetic field-sensitive element 25, in this case a Hall element. In this case, the element 25 must be arranged as centrally as possible in the gap 21.
  • the position of the sensor 10 at an angle of rotation of 0 ° is shown in FIGS. 5 and 6. It can be seen that the magnetic flux from the permanent magnet 15 via the air gap 100 to the segment 17, from there via the small gap 20, which serves to move the rotor relative to the stator, to the extension 12 and from there via the carrier plate 14 back to
  • Permanent magnets 15 lead. As can be seen in particular from FIG. 6, the magnetic flux is controlled so that it does not run through the element 25 at an angle of rotation of 0 °, so that no magnetic induction B can take place in the element 25. If the axis 11 and thus the carrier plate 14 with the permanent magnet 15 are now rotated, the magnetic flux passing through the element 25 is increased, and the linear measurement line H shown in FIG. 11 is obtained note that the rotor moves counterclockwise. At the end of measuring line H, i.e. at point B the permanent magnet 15 has just completely passed the gap 21. It also means that the permanent magnet 15 is now completely under the segment 16. This position B after the angle of rotation ⁇ also represents the position of the maximum
  • Total rotation range ⁇ is shown in FIGS. 9 and 10. It can be seen in particular from FIGS. 8 and 10 that when the gap 21 is passed, almost the entire magnetic flux is guided through the element 25 and thereby in the element 25 a maximum possible magnetic induction B is effected. Furthermore, it can be seen from these two FIGS. 8 and 10 that the spacing gap 22 causes the magnetic lines to run almost completely over the gap 21 and thus through the element 25. There should be no magnetic flux through the spacing gap 22 if possible.
  • the permanent magnet 15 is smaller than the entire measuring range ⁇ or smaller than the segment 17 serving as a flux guide.
  • the permanent magnet 15 was formed in one piece and arranged on the carrier 14 so that the beginning of the permanent magnet was also at the beginning of the rotation range.
  • the permanent magnet is now constructed in two parts. Due to this two-part construction, the plateau region P, which corresponds to the rotation region ⁇ of the sensor 10, is shifted between two linear curve sections (FIG. 30).
  • the size of the two ring-shaped or segment-shaped permanent magnet parts 15a and 15b can be of different sizes or the same size. The two parts are magnetized in the same direction.
  • FIG. 30 shows a characteristic curve in which the two permanent magnet parts 15a and 15b would be the same size. Furthermore, it would also be possible to arrange more than two permanent magnet parts, ie three, four etc. This would make it possible to generate a correspondingly desired number of plateaus in the measuring line. Instead of a permanent magnet, it would also be possible to generate magnetized areas on the carrier plate. This embodiment would be applicable to all of the exemplary embodiments mentioned here. With the help of the plateau or plateaus or from the actual measurement curve different sections, controls can be carried out.
  • the parts can also be connected to one another with a small web.
  • a corresponding embodiment is shown in Figures 16-19.
  • the web 50 is located on the inside in FIG. it connects the inner radius of the two
  • Permanent magnet pieces 51a and 51b with each other.
  • the connecting web 50 on the outer edge or in the middle. Because of this connecting web 50, the measurement curve in the area of the rotation angle ⁇ no longer runs flat as a plateau, as in the previous exemplary embodiments and shown in FIG. 11, but depending on the width of the connecting web 50, this area of the diagram has an incline in the rotating area ⁇ .
  • the slope can be influenced via the size, in particular the radial width. This means that a wider web than the permanent magnet parts is possible and thus a steeper curve shape can be achieved in this area than in the area of the permanent magnet parts.
  • FIGS. 20-23 likewise shows a two-part permanent magnet as is shown in a similar manner in FIGS. 12-15.
  • the two permanent magnet parts 61a and 61b are arranged so that the angular range ⁇ is between the two parts.
  • a slot is also formed in the support 14 in the region ⁇ . This slot 62 serves to make a relatively sharp transition between the linear ones Characteristic and to reach the plateau area P in the measuring range ß.
  • the carrier plate 14a does not have to be an entire disk, but rather only serves as a support surface for the permanent magnet parts 61a and 61b and for attachment as a rotor to the axis 11 or its extension 12.
  • FIGS. 24 to 29 and the associated diagram in FIG. 30 show a design of a sensor 70 in which the magnetic flux does not pass over the axis and / or an extension of the axis, but is controlled via a reflux part 72 attached to a segment 17a of the stator serving as a flux guide part.
  • FIG. 24 it can be seen that there is a carrier 14b on the axis 11a, which has the same properties as the carrier 14 or 14a in the previous exemplary embodiments.
  • a stator, which consists of two segments 16a and 17a, is arranged in a second plane above the carrier plate 14b, which serves as a rotor.
  • a magnetic field sensitive element 25a is arranged in the slot 21a between the two segments 16a and 17a.
  • An element as described in the other exemplary embodiments can be used as the magnetic field-sensitive element 25a.
  • the measuring range ⁇ is again between the two permanent magnet parts 71a and 71b.
  • the first magnetic part 71a is moved over the gap 21a and is located in the region of the segment 16a to an ever increasing extent.
  • the position is now shown in FIGS. 26 and 27 when the measuring range ⁇ is above the gap 21a.
  • the characteristic curve as shown in FIG. 30, increases linearly.
  • the sensors described in the exemplary embodiments are suitable, for example, for installation in a throttle valve actuator unit. With the help of this unit, the angle of rotation of a throttle valve for an engine control is detected.
  • the segments 16, 17 of the stator can then be attached directly in the cover of the throttle valve actuating unit. Since the cover is made of plastic, the segments 16, 17 can also be injected into the cover. The two segments 16, 17 of the stator could possibly also be clipped into the cover.
  • FIGS. 31 and 32 now show an embodiment of an angle sensor 80 in which the permanent magnet or the permanent magnet parts are magnetized in the radial direction.
  • one of the Segments 95 are connected with the aid of a bridge 96 to an outer, annular housing part 93.
  • the second segment element 97 has no connection to the housing part 93, ie there is no magnetically conductive connection between the segment 97 and the housing part 93.
  • the bridge 96 the angular range to be determined is therefore limited, ie no measurements over an angle of approximately 200 ° are possible.
  • the segment 95, the bridge 96 and the housing part 93 can advantageously be produced as a one-piece component made of soft magnetic material, for example stacked transformer sheets or sintered material.
  • the segments 95, 97 not asymmetrically but also asymmetrically.
  • the magnetic field-sensitive element 99 is arranged, which can be configured as in the exemplary embodiments described above.
  • the permanent magnet 91a, 91b arranged in the slot 100 comprises the segment 97.
  • the permanent magnet again consists of at least two permanent magnet parts 91a and 91b or of a single permanent magnet which has an angular range smaller than the segment 97 includes.
  • the direction of polarization of the permanent magnet or of the two permanent magnet parts is fixed in a radial orientation. This means that the direction of magnetization is directed from the segment 97 to the housing part 93 or in the opposite direction. It cannot be seen from the illustration in FIGS. 31 and 32 that the permanent magnet or the two permanent magnet parts 91a and 91b are in turn on one
  • the resulting one during the rotation Measuring line corresponds in an analogous manner to the characteristic curve shown in FIG. 30.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Eine Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels η besteht aus einer aus weichmagnetischem Material bestehenden Trägerplatte (14), die als Rotor dient. In einer Ebene zur Trägerplatte (14) sind zwei durch einen Schlitz (21) und einen Distanzpalt (22) getrennte Segmente (16, 17) angeordnet. Die Trägerplatte (14) ist auf der Achse (11) befestigt, deren Fortsatz (12) bzw. die Achse (11) selbst aus magnetisch leitendem Material besteht. Auf der Trägerplatte (14) ist ein Magnet (15) angeordnet, der kleiner als der Drehwinkel η ausgebildet ist. Der Magnet (15) kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Durch die Anordnung des Magneten (15) ist es möglich, in der von der Meßeinrichtung erfaßten Meßkurve verschiedene Abschnitte, z.B. Plateaus oder von der linearen Meßlinie abweichende Abschnitte zu erzeugen.

Description

Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Meßvorrichtung zur beruhrungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der DE-OS 196 34 381.3 ist ein Sensor bekannt, der in drei Ebenen übereinander angeordnet ist. Der Rotor bildet die mittlere Ebene, wobei er aus der Trägerplatte für einen Permanentmagneten besteht. Die Trägerplatte selbst besteht aus magnetisch nicht leitendem Material, so daß der Magnetfluß über die beiden anderen Ebenen, d.h. den Stator, verläuft und mit Hilfe zweier Distanzstücke, die zwischen den beiden Ebenen des Stators angeordnet sind, gestreut wird. Die Welle bzw. der Fortsatz einer Welle, die am Rotor befestigt ist, hat keinen Einfluß auf den Magnetfluß. Mit diesem Sensor ist zwar ein relativ großer Winkelbereich ohne Vorzeichenwechsel meßbar, er baut aber in Achsrichtung gesehen durch den Aufbau in drei parallelen Ebenen relativ groß.
Ferner ist es bei Potentiometern bekannt, eine abknickende Meßlinie durch Untersilben der Kontaktbahnen im Bereich der Abflachung zu erreichen. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur beruhrungslosen Erfassung eines Drehwinkels mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor in Achsrichtung eine relativ kleine Größe aufweist. Er baut nur noch in zwei Ebenen. Die Trägerplatte des Permanentmagneten, die den Rotor darstellt, dient zugleich auch zur Führung des magnetischen Flusses. Ferner ist die Welle bzw. Achse, auf der der Rotor sitzt, in die Führung des magnetischen Flusses mit einbezogen, wodurch sich zusätzliche magnetische Flußleitstücke erübrigen. Ferner wird durch diesen Aufbau die Anzahl der Teile und der damit verbundene Montageaufwand verringert .
Durch Variation der Länge des Magneten bzw. eine Aufteilung in einzelne Abschnitte kann in einfacher Weise eine Meßkurve mit einer oder mehreren Abflachungen erzeugt werden.
Der Sensor ist aufgrund seines einfachen Aufbaus mit relativ geringem Montageaufwand in verschiedenen Systemen, wie zum Beispiel einer Drosselmeßvorrichtung, eines Pedalmoduls für einen Gaspedalwertgeber integrierbar oder als eigenständiger Sensor bei Drosselklappengebern oder einer
Karosserieeinfederungsvorrichtung verwendbar.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Meßvorrichtung möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren 1 bis 4 zeigen verschiedene Ansichten bzw. Schnitte durch ein erstes Ausführungsbeispie1. Figur 1 zeigt hierbei einen Längsschnitt in Blickrichtung X nach Figur 3, Figur 2 einen Schnitt B-B nach Figur 4, Figur 3 eine Draufsicht in Blickrichtung Y nach Figur 1 und Figur 4 einen Längsschnitt in Richtung A-A nach Figur 3. Die Figuren 5 und 6 zeigen den Magnetfluß bei einer Winkeldrehung von Null Grad bzw. einer Induktion B = Null, die Figuren 7 und 8 zeigen den entsprechenden Magnetfluß bei einer Winkeldrehung α bzw. bei einer Induktion B = Max, die Figuren 9 und 10 zeigen den Magnetfluß im Winkelbereich ß bzw. im
Plateaubereich bei einer Induktion B = Max, die Figur 11 zeigt den entsprechenden Verlauf der Induktion B über den gesamten Drehwinkel γ (γ = α + ß) . Weitere Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 12 bis 23 dargestellt, wobei die Figuren 12 bis 15 eine Ausführung mit einem zweigeteilten Magneten darstellen, die Figuren 16 bis 19 einen Magneten mit einer ersten Schlitzform und die Figuren 20 bis 23 einen zweigeteilten Magneten mit einem Schlitz im Träger, die Figuren 24 bis 30 den Magnetflußverlauf über den Drehwinkel und die Figuren 31 und 32 eine Ausbildung mit radial magnetisierten Magneten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 bis 4 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der mit Hilfe einer Achse 11, mit einem nicht dargestellten Bauteil verbunden ist, dessen Drehbwegung bestimmt werden soll. An der Stirnseite der Achse 11 ist ein Fortsatz 12 angebracht, so daß eine Schulter 13 entsteht, auf der eine Trägerplatte 14 mittig aufgesetzt ist, die gleichzeitig als Rotor dient. Die Achse 11, der Fortsatz 12 und die Trägerplatte 14 können sowohl als Einzelbauteile, als auch als ein einziges Bauteil hergestellt sein. Auf der Trägerplatte 14 ist möglichst mit großem radialen Abstand vom Mittelpunkt, d.h. vom Ansatzpunkt der Achse 11, ein ringförmiger Permanentmagnet 15 angeordnet . Je größer hierbei der Abstand ist, desto besser ist die Auflösung des Meßsignals . Der Permanentmagnet 15 kann als Kreisausschnitt (Kreissegment) oder Teil eines Kreisrings ausgeführt sein. Sein Winkelbereich α ist jedoch kleiner als der zu bestimmende maximale Drehwinkel γ des zu überwachenden bzw. des zu messenden Bauteils. Wie aus den Darstellungen in der Figur 2 bzw. 3 zu ersehen ist, beträgt der Winkelbereich α des Permanentmagneten 15 bei diesem Ausführungsbeispiel ca. 100 Grad, wobei der Gesamtarbeitsmeßbereich aber γ = 180 Grad beträgt. Der Differenzwinkel ß würde das in der Figur 11 dargestellte Plateau P hervorrufen. Der Permanentmagnet 15 ist ferner in Achsrichtung, d.h. senkrecht zur Trägerplatte 12 polarisiert. Die Trägerplatte 14 besteht aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Material. Erfindungsgemäß besteht die Achse 11 und der Fortsatz 12 oder zumindest der Fortsatz 12 auch aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Material .
In einer zweiten Ebene über dem Permanentmagneten 15 ist parallel zur Trägerplatte 14 mit einem geringen Abstand ein Stator angeordnet, der aus zwei Segmenten 16, 17 besteht. Das Segment 16 umschließt dabei mit einem Bogen 19 den Fortsatz 12. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Bogen 19 als Kreisbogen ausgebildet. Es ist aber auch eine andere Kontur denkbar. Wesentlich dabei ist aber, daß eine magnetisch leitende Verbindung zwischen dem Fortsatz 12 und dem Segment 16 möglich ist. Der Spalt 20 zwischen der Achse 11 und dem Bogen 19 ist deshalb möglichst gering auszubilden. Zwischen den beiden Segmenten 16, 17 ist ein durchgehender Spalt ausgebildet, der beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 zwei gleich ausgebildete äußere Abschnitte 21 und einen mittigen, im Bereich des Bogens 19 befindlichen Distanzspalt 22 aufweist. Beim Distanzspalt 22 ist es wichtig, daß zwischen den
Segmenten 16 und 17, d.h. bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich des Bogens 19 möglichst kein magnetischer Fluß, der vom Permanentmagneten 15 erzeugt wird, möglich ist. Der Distanzspalt 22 kann deshalb mit Luft oder einem anderen magnetisch nicht leitenden Material ausgefüllt sein. Ist der Distanzspalt 22 z.B. mit Luft gefüllt, so muß er im
Verhältnis zum Spalt 21 größer ausgebildet sein, um diesen obengenannten Effekt zu erreichen. Statt Luft kann auch ein anderes, magnetisch nicht leitendes Material ausgewählt werden. Die Spalte 21 und der Distanzspalt können auch mit unterschiedlichen Materialien ausgefüllt sein. Wenigstens in einem der Spalte 21 ist etwa mittig ein magnetfeldempfindliches Element 25, wie zum Beispiel Feldplatte, Magnettransistor, Spulen, magnetoresistives Element oder ein Hall-Element angeordnet. Wichtig hierbei ist, daß das magnetfeldempfindliche Bauteil eine möglichst lineare Abhängigkeit seines AusgangsSignals von der magnetischen Induktion B aufweist. In den Figuren 1 bis 4 ist jeweils eine Messung mit Hilfe eines einzigen magnetfeldempfindlichen Elements 25, in diesem Fall eines Hall-Elements, dargestellt. In diesem Fall muß das Element 25 möglichst mittig im Spalt 21 angeordnet sein. Hingegen wäre es auch möglich, zum Beispiel jeweils ein Element 25 in beiden Spalten 21 anzuordnen, um zum Beispiel eine sog. redundante Messung (Sicherheitsmessung) durchführen zu können. Auch wäre es denkbar, in einem Spalt zwei Elemente anzuordnen. Wird, wie in der Figur 3 ersichtlich, nur in einem Spalt 21 ein magnetfeldempfindliches Element 25 angeordnet, so kann der gegenüberliegende Spalt 21 auch die Größe des Distanzspalts 22 aufweisen und somit die dem Distanzspalt 22 innehabende, magnetisch nicht leitende Funktion, aufweisen.
In der Figur 11 ist der Verlauf der Kennlinie der magnetischen Induktion B im Element 25 z. B. einem Hall- Element über dem Drehwinkel γ der Achse 11 dargestellt. Es ist erkennbar, daß bei einem Drehwinkel γ von 0° die Induktion B ebenfalls 0 beträgt, während sie beim maximalen Drehwinkel γ = max auch den maximalen Induktionswert erreicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der maximale Drehwinkel γ bei 180° erreicht. Die Stellung des Sensors 10 bei einem Drehwinkel von 0° ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Magnetfluß vom Permanentmagneten 15 über den Luftspalt 100 zum Segment 17, von dort über den geringen Spalt 20, der zur Beweglichkeit des Rotors gegenüber dem Stator dient, zum Fortsatz 12 und von dort über die Trägerplatte 14 zurück zum
Permanentmagneten 15 führ . Wie insbesondere aus der Figur 6 ersichtlich ist, ist der Magnetfluß so gesteuert, daß er bei einem Drehwinkel von 0° nicht durch das Element 25 verläuft, so daß im Element 25 keine magnetische Induktion B erfolgen kann. Wird nun die Achse 11 und somit die Trägerplatte 14 mit dem Permanentmagneten 15 gedreht, so wird der durch das Element 25 verlaufende magnetische Fluß vergrößert, und es ergibt sich die in der Figur 11 dargestellte lineare Meßlinie H. Bei den Figuren 5-10 ist zu beachten, daß sich der Rotor im Gegenuhrzeigersinn bewegt. Im Ende der Meßlinie H, d.h. im Punkt B hat der Permanentmagnet 15 gerade den Spalt 21 vollständig durchschritten. Es bedeutet ferner auch, daß der Permanentmagnet 15 sich vollständig nun unter dem Segment 16 befindet. Diese Stellung B nach dem Drehwinkel α stellt auch die Stellung des maximalen
Magnetflusses des Permanentemagneten 15 über dem Spalt 21 dar. Bei weiterer Drehung um den Winkelbereich ß um den Gesamtdrehbereich γ zu erreichen, erfolgt im Meßspalt 21 und somit im Meßelement 25 keine Änderung der Induktion B. Dadurch ergibt sich ein Plateaubereich P im Diagramm nach der Figur 11. Die Endstellung im Punkt C, nach dem Weiterdrehen um den Winkel ß, d.h. nach dem
Gesamtdrehbereich γ ist in den Figuren 9 und 10 dargestellt. Insbesondere aus den Figuren 8 und 10 ist ersichtlich, daß beim Passieren des Spalts 21 nahezu der gesamte Magnetfluß durch das Element 25 geführt wird und dadurch im Element 25 eine maximal mögliche magnetische Induktion B bewirkt wird. Ferner ist aus diesen beiden Figuren 8 und 10 ersichtlich, daß durch den Distanzspalt 22 ein nahezu vollständiger Verlauf der Magnetlinien über den Spalt 21 und somit durch das Element 25 bewirkt wird. Es darf hierbei möglichst kein Magnetfluß über den Distanzspalt 22 erfolgen.
Erfindungswesentlich ist es, daß der Permanentmagnet 15 kleiner als der gesamte Meßbereich γ bzw. kleiner als das als Flußleitstück dienende Segment 17 ist. In den bisherigen Ausführungsbeispielen war der Permanentmagnet 15 einteilig ausgebildet und so am Träger 14 angeordnet, daß der Beginn des Permanentmagneten auch am Beginn des Drehbereichs lag. Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 12 bis 15 ist nun der Permanentmagnet zweiteilig aufgebaut. Durch diesen zweiteiligen Aufbau wird der Plateaubereich P, der den Drehbereich ß des Sensors 10 entspricht, zwischen zwei linear verlaufende Kurvenabschnitte verlagert (Fig. 30) . Die Größe der beiden ringförmigen oder segmentförmigen Permanentmagnetteile 15a und 15b können unterschiedlich groß oder auch gleich groß sein. Die beiden Teile sind in gleicher Richtung magnetisiert . Dadurch daß nun der Meßbereich ß zwischen den beiden Permanentmagnetteilen 15a und 15b liegt wird der Plateaubereich P in den Verlauf der Meßlinie A hinein verlegt, so daß man eine Kennlinie analog wie in der Figur 30 dargestellt erhält. In der Figur 30 ist eine Kennlinie dargestellt, bei der die beiden Permanentmagnetteile 15a und 15b gleich groß wären. Ferner wäre es auch möglich, mehr als zwei Permanentmagnetteile, d.h. drei, vier etc. anzuordnen. Dadurch wäre es möglich, eine entsprechend gewünschte Anzahl von Plateaus in der Meßlinie zu erzeugen. Statt eines Permanentmagneten wäre es auch möglich, auf der Trägerplatte auch magnetisierte Bereiche zu erzeugen. Diese Ausführung würde für alle hier erwähnten Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Mit Hilfe des oder der Plateaus bzw. von der eigentlichen Meßkurve abweichenden Abschnitte können Steuerungen durchgeführt werden.
Während es bei den bisherigen Ausführungsbeispiele eine Trennung der beiden Permanentmagnetteile 15a bzw. 15b vorhanden ist, können auch die Teile mit einem kleinen Steg miteinander verbunden werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 16-19 dargestellt. Der Steg 50 ist in der Figur 17 innen liegend, d.h. er verbindet den inneren Radius der beiden
Permanentmagnetstücke 51a und 51b miteinander. Selbstverständlich wäre es auch möglich, den Verbindungssteg 50 am äußeren Rand oder mittig anzuordnen. Aufgrund dieses Verbindungsstegs 50 verläuft nun die Meßkurve im Bereich des Drehwinkels ß nicht mehr flach als Plateau, wie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen und in der Figur 11 dargestellt, sondern abhängig von der Breite des Verbindungsstegs 50 weist dieser Bereich des Diagramms im Drehbereich ß eine Steigung auf. Die Steigung ist über die Größe, insbesondere die radiale Breite, beeinflußbar. Dies bedeutet, daß auch ein breiterer Steg als die Permanentmagnetteile möglich ist und somit in diesem Bereich ein steilerer Kurvenverlauf als im Bereich der Permanentmagnetteile erreichbar ist.
Das Ausführungsbeispiel in den Figuren 20-23 zeigt ebenfalls einen zweigeteilten Permanentmagneten wie er in ähnlicher Weise in den Figuren 12-15 dargestellt ist. Die beiden Permanentmagnetteile 61a und 61b weisen hierbei gleiche Größe, d.h. gleichen Winkelbereich auf. Dies bedeutet, daß der Winkelbereich αl = α2 beträgt. Die beiden Permanentmagnetteile 61a und 61b sind so angeordnet, daß sich der Winkelbereich ß zwischen den beiden Teilen befindet. Zusätzlich ist noch im Träger 14 im Bereich ß ein Schlitz ausgebildet. Dieser Schlitz 62 dient dazu, um einen relativ scharfen Übergang zwischen der linear verlaufenden Kennlinie und dem Plateaubereich P im Meßbereich ß zu erreichen. Ferner ist aus der Figur 21 bzw. 20 ersichtlich, daß die Trägerplatte 14a nicht eine ganze Scheibe sein muß, sondern sie nur als Auflagefläche für die Permanentmagnetteile 61a und 61b und zur Befestigung als Rotor an der Achse 11 bzw. deren Fortsatz 12 dient.
Während bei den bisherigen Ausführungsbeispielen ein Magnetfluß über den magnetisch leitenden Fortsatz 12 der Achse 11 gesteuert wurde, ist in den Figuren 24 bis 29 und im dazugehörigen Diagramm Figur 30 eine Ausbildung eines Sensors 70 dargestellt, bei dem der Magnetfluß nicht über die Achse und/oder einen Fortsatz der Achse verläuft, sondern über ein an einem als Flußleitteil dienenden Segment 17a des Stators angebrachte Rückflußteil 72 gesteuert wird. In der Figur 24 ist erkennbar, daß auf der Achse 11a ein Träger 14b sich befindet, der die selben Eigenschaften wie der Träger 14 bzw. 14a in den bisherigen Ausführungsbeispielen aufweist. In einer zweiten Ebene über der Trägerplatte 14b, die als Rotor dient, ist ein Stator angeordnet, der aus zwei Segmenten 16a und 17a besteht. Im Schlitz 21a zwischen den beiden Segmenten 16a und 17a ist ein magnetfeldempfindliches Element 25a angeordnet. Als magnetfeldempfindliches Element 25a kann ein, wie bei den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenes Element verwendet werden. Am Segment 17a ist ein Rückflußteil 72 angeordnet, das die gesamte kreisförmige Mantelfläche des Segments 17a umfaßt. Es weist eine Länge auf, daß es bis über die Trägerplatte 14b hinausragt . Es ist wie die beiden Segmente 16a bzw. 17a aus magnetisch leitendem Material hergestellt. Aus der Figur 25 ist noch ersichtbar, daß der sich auf der Trägerplatte 14b befindliche Permanentmagnet aus zwei Teilen 71a und 71b besteht. Beide Teile 71a und 71b sind gleich groß, das bedeutet daß der Winkelbereich αl = α2 ist. Der Meßbereich ß befindet sich wieder zwischen den beiden Permanentmagnetteilen 71a und 71b. In den Figuren 24 und 25 ist nun die Stellung bei einem Drehwinkel γ = 0° und einer Induktion B = 0 dargestellt. Bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn der Achse 11a und somit der Trägerplatte 14b wird das erste Magnetteil 71a über den Spalt 21a bewegt und befindet sich in immer größer werdendem Maße im Bereich des Segments 16a. In den Figuren 26 und 27 ist nun die Position dargestellt, wenn sich der Meßbereich ß über dem Spalt 21a befindet. Solange das Magnetteil 71a sich unter das Segment 16a hinein bewegt steigt die Kennlinie, wie sie in der Figur 30 dargestellt ist, linear an. Sobald der gesamte
Permanentmagnetteil 71a den Spalt 21a überschritten hat, beginnt das Plateau P das dem Meßbereich ß entspricht . Sobald sich dann das Magnetteil 71b unter das Segment 16a hineinbewegt, steigt die Meßlinie wieder linear an und sie erreicht, sobald der Permanentmagnetteil 71b, sich vollständig, d.h. also beide Permanentmagnetteile 71a und 71b sich unter dem Segment 16a befinden die maximale Induktion B = max. In den Figuren 28 und 29 ist dann die Stellung des Sensors 70 bei maximaler Drehwinkelstellung γ = max und maximaler Induktion B = max. dargestellt.
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensoren eignen sich zum Beispiel für den Einbau in eine Drosselklappenstellereinheit. Mit Hilfe dieser Einheit wird der Drehwinkel einer Drosselklappe für eine Motorsteuerung erfaßt. Hierbei sind dann die Segmente 16, 17 des Stators direkt im Deckel der Drosselklappenstelleinheit anbringbar. Da der Deckel aus Kunststoff besteht, können die Segmente 16, 17 in den Deckel mit eingespritzt werden. Eventuell könnten die beiden Segmente 16, 17 des Stators auch in den Deckel eingeklipst werden.
In den Figuren 31 und 32 ist nun eine Ausbildung eines Winkelsensors 80 dargestellt, bei dem der Permanentmagnet bzw. die Permanentmagnetteile in radialer Richtung magnetisiert sind. Beim Winkelsensor 80 ist eines der Segmente 95 mit Hilfe einer Brücke 96 mit einem äußeren, ringförmig umlaufenden Gehäuseteil 93 verbunden. Das zweite Segmentelement 97 weist keine Verbindung mit dem Gehäuseteil 93 auf, d.h. es besteht zwischen dem Segment 97 und dem Gehäuseteil 93 keine magnetisch leitende Verbindung. Aufgrund der Brücke 96 ist somit der zu bestimmende Winkelbereich begrenzt, d.h. es sind keine Messungen über einen Winkel von ca. 200° möglich. Vorteilhafterweise kann bei dieser Ausbildung das Segment 95, die Brücke 96 und das Gehäuseteil 93 als einteiliges Bauteil aus weichmagnetischem Material, z.B. gestapelte Transformatorbleche oder Sintermaterial gefertigt werden. Selbstverständlich ist es hier auch wiederum möglich, die Segmente 95, 97 nicht symmetrisch sondern auch unsymmetrisch auszubilden. Im Schlitz 98 zwischen den beiden Segmenten 95 und 97 ist das magnetfeldempfindliche Element 99 angeordnet, das wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgestaltet sein kann. Bei der Darstellung nach der Figur 31 umfaßt der im Schlitz 100 angeordnete Permanentmagnet 91a, 91b das Segment 97. Dies bedeutet, daß der Permanentmagnet wiederum aus mindestens zwei Permanentmagnetteilen 91a und 91b oder aus einem einzigen Permanentmagneten besteht, der einen Winkelbereich kleiner als das Segment 97 umfaßt. Die Polarisierungsrichtung des Permanentmagneten bzw. der beiden Permanentmagnetteile ist in radialer Ausrichtung festgelegt. Dies bedeutet, daß die Magnetisierungsrichtung vom Segment 97 zum Gehäuseteil 93 hin gerichtet ist oder in umgekehrter Richtung. Aus der Darstellung in den Figuren 31 und 32 ist nicht ersichtlich, daß der Permanentmagnet bzw. die beiden Permanentmagnetteile 91a und 91b sich wiederum auf einer
Trägerplatte befinden, die mit der sich drehenden Achse in Verbindung steht. Die Figur 31 zeigt hierbei die Stellung des Permanentmagneten bei einem Drehwinkel γ = 0 und die Figur 32 die Stellung bei einem maximalen Drehwinkel γ = max. Die sich dabei während der Drehbewegung ergebende Meßlinie entspricht in analoger Weise der in der Figur 30 dargestellten Kennlinie.

Claims

Ansprüche
1.Meßvorrichtung zur beruhrungslosen Erfassung eines Drehwinkels γ zwischen einem Stator (16, 17) und einem Rotor (14) , wobei auf dem Rotor (14) ein Magnet (15) angeordnet ist, wobei sich zwischen Stator (16, 17) und Rotor (14) ein Luftspalt befindet und der Stator (16, 17) aus mindestens zwei Segmenten (16, 17) besteht, die durch einen magnetisch nicht leitenden Spalt (21, 22) getrennt sind, wobei sich in mindestens einem Spalt (21) mindestens ein magnetfeldempfindliches Element (25) befindet, wobei mindestens ein Teil (17) des Stators keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (15) kleiner als der zu messende Drehwinkel γ ausgebildet ist.
2.Meßvorrichtung zur beruhrungslosen Erfassung eines Drehwinkels γ zwischen einem aus magnetisch leitendem Material bestehendem Stator (93, 95, 96, 97) und einem Rotor (91a, 91b) wobei sich zwischen Stator (93, 95, 96, 97) und Rotor (91a, 91b) ein Luftspalt (100) befindet und im Stator (93, 95, 96, 97) mindestens ein Luftspalt (98) ausgebildet ist, wobei sich im mindestens einen Luftspalt (99) mindestens ein magnetfeldempfindliches Element (99) befindet und wobei im Rotor (91a, 91b) mindestens ein Segment mindestens eines Magneten angeordnet ist, wobei der Stator (93, 95, 96) aus mehreren Teilen (93, 95, 96, 97) aufgebaut ist, wobei mindestens ein Teil (97) keine magnetisch leitende Verbindung mit den übrigen Teilen (93, 95, 96) aufweist, so daß eine Aufspaltung des Magnetflusses des Magneten (91a, 91b) erfolgt, wobei wenigstens ein erster Teil des Magnetflusses das magnetfeldempfindliche Element (99) durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (91a, 91b) kleiner als der zu messende Drehwinkel γ ausgebildet ist.
3.Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (15, 91a, 91b) aus mehreren Teilen besteht, die durch einen Abschnitt aus nicht magnetischem Material getrennt sind.
4.Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Teile des Magneten (51a, 51b) mit Hilfe eines Stegs (50) miteinander verbunden sind.
5.Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus magnetisch leitendem Material besteht .
6.Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3- 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der Segmente (16) mindestens ein Rückflußstück (72) angeordnet ist, das über den Rotor (14) hinausragt.
7.Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3- 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der Segmente (16) mindestens ein Rückflußstück (72) angeordnet ist, und daß der Rotor (14) über das Rückflußstück (72) hinausragt.
8.Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 1- 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) des Rotors
(14) mindestens einem Bereich (12) aus magnetisch leitendem Material aufweist, der mindestens vom Rotor (14) zu dem Teil (16) des Stators, das eine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (14) aufweist und daß mindestens ein erster Spalt (22) zwischen den beiden Teilen (16, 17) des Stators vorhanden ist, der den Magnetfluß des Magneten (15) behindert und so steuert, daß er über mindestens einen der anderen Spalte (21) verläuft, und daß der erste Spalt (22) größer als der andere Spalt (21) ist.
9.Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (11) , insbesondere der Fortsatz (12) , und der Rotor (14) aus weichmagnetischem Material bestehen.
10.Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (16) des Stators einen Fortsatz (19) aufweist, in den die Achse (11), insbesondere deren Fortsatz (12) ragt.
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