WO1999030113A1 - Messvorrichtung zur berührungslosen erfassung eines drehwinkels - Google Patents

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WO1999030113A1
WO1999030113A1 PCT/DE1998/003525 DE9803525W WO9930113A1 WO 1999030113 A1 WO1999030113 A1 WO 1999030113A1 DE 9803525 W DE9803525 W DE 9803525W WO 9930113 A1 WO9930113 A1 WO 9930113A1
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WO
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measuring device
gap
rotor
stator
recess
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PCT/DE1998/003525
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English (en)
French (fr)
Inventor
Asta Reichl
Thomas Klotzbuecher
Michael Stoeve
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Priority to DE59808703T priority patent/DE59808703D1/de
Priority to EP98965596A priority patent/EP0979388B1/de
Priority to AU21489/99A priority patent/AU730010B2/en
Priority to JP52966999A priority patent/JP2001510576A/ja
Priority to KR10-1999-7006889A priority patent/KR100524216B1/ko
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    • 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 is based on 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 non-magnetically conductive material, so that the magnetic flux runs over the two other levels, ie the stator, and is controlled with the aid 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.
  • the measuring device for the contactless detection of an angle of rotation with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the sensor has a relatively small size in the axial direction. It only builds on two levels.
  • the carrier plate of the permanent magnet, which represents the rotor, also serves to guide the magnetic flux.
  • the shaft or axis on which the rotor is seated is included in the guidance of the magnetic flux, as a result of which there is no need for additional magnetic flux guide pieces. Furthermore, the number of parts and the associated assembly effort are reduced by this construction.
  • the senor can be integrated in various systems, such as a throttle measuring device, a pedal module for an accelerator pedal value sensor, or it can be used as an independent sensor in throttle valve sensors or a body restraint device.
  • FIG. 9 shows the corresponding course of induction B over the angle of rotation ⁇ .
  • FIGS. 10 and 11 show further exemplary embodiments in plan view and FIGS. 13 and 15 in a longitudinal section.
  • FIGS. 16 to 24 show various modifications of the exemplary embodiment.
  • 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 larger the distance, the better the resolution of the measurement signal.
  • the permanent magnet 15 can be designed as a circular section (circular segment) or part of a circular ring. Its angular range is at least as large as the maximum angle of rotation to be determined of the component to be monitored or measured. As can be seen from the representations in FIGS. 2 and 3, the angular range of the permanent magnet is 15 in this embodiment 180 °, so that a rotation angle of 180 ° to be measured can be achieved.
  • 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.
  • a different contour is also conceivable. It is essential, however, that a magnetically conductive connection between the extension 12 and the segment 16 is possible.
  • 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 spacer section 22 located in the region of the arc 19.
  • the spacing gap 22 it is important that between the segments 16 and 17, i.e. in this embodiment in the region of the arc 19, as far as possible no magnetic flux of the magnetic field lines generated by the permanent magnet 15 is possible.
  • the spacing gap 22 can therefore be filled with air or another magnetically non-conductive material. Is the
  • FIGS. 1 to 4 each show a measurement using a single magnetic field-sensitive element 25, a Hall element. In this case, the element 25 must be arranged as centrally as possible in the gap 21.
  • FIG. 9 shows the course of the characteristic curve of the magnetic induction B in the element 25, for example a Hall element, over the angle of rotation ⁇ of the axis 11. It can be seen that at an angle of rotation ⁇ of 0 °, the induction B is also zero, while at the maximum angle of rotation ⁇ it also reaches the maximum induction value. In this embodiment, the maximum angle of rotation is reached at 180 °.
  • the position of the sensor 10 at an angle of rotation of 0 ° is shown in FIGS. 5 and 6. It is It can be seen that the magnetic flux from the permanent magnet 15 via the small gap, which serves to move the rotor relative to the stator, to the segment 16, from there via the small bearing gap to the extension 12 and from there via the carrier plate 14 back to the permanent magnet 15.
  • FIG. 7 is a view in viewing direction A of FIG. 8. In the position of the maximum angle of rotation ⁇ , the entire magnetic flux of the permanent magnet 15 runs through the small gap into the segment 17. From there, the magnetic flux flows through the one gap 21 into the segment 16 and one on the opposite side above the other
  • FIG. 8 it can be seen 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.
  • 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 across the spacing gap 22 if possible.
  • the installation of the sensor described above in a throttle valve control unit 30 is shown. With the help of this unit 30 Angle of rotation of a throttle valve detected for an engine control.
  • the segments 16, 17 of the stator are arranged directly in the cover 31 of the throttle valve actuating unit 30. Since the cover 31 is made of plastic, the segments 16, 17 can also be injected into the cover 31. But it would also be possible to clip the two segments 16, 17 of the stator into the cover 31. Of course, there must be a gap 33, which allows a magnetic flux from the permanent magnet 15 to the segments 16 and 17, respectively.
  • the one or the two elements 25 are in turn located in a gap 33, which cannot be seen in FIG. 10.
  • the axis 11 is in this case fastened directly on the shaft 32 of the throttle valve or represents an extension of this shaft 32.
  • the rotor serving carrier plate 14 with the permanent magnet 15 is thus attached directly to the shaft 32 of the throttle valve.
  • the sensor according to FIGS. 1 to 4 or 12 to 15 can be installed in a throttle valve actuating unit 30 without major changes. In this case, the potentiometer previously used, for example, can be replaced in a simple manner.
  • FIG. 11 shows a pedal value transmitter.
  • the segments 16, 17 of the stator are arranged in the base 40 of the unit 30a.
  • the segments 16, 17 can also be poured or clipped into the bottom 40 here.
  • the sensor can be adapted to the structural conditions of the throttle valve actuating unit 30 or the pedal value transmitter in accordance with the embodiments in FIGS. 1 to 4 or 12 to 15.
  • the carrier plate of the sensor is no longer a full disk. It is sufficient if the carrier plate 14a is designed as a segment that has an angular range corresponding to the size of the perma- Nentmagnet 15 has. A permanent magnet with an angular range of 180 ° is shown in FIG. 12 with reference to FIGS. 1 to 4. The carrier plate 14a thus also has an angular range of approximately 180 °.
  • the outer contour of this carrier disk 14a, which is designed as a segment, can be of any design.
  • the carrier segment 14b is designed as a gear segment. As can be seen in particular from FIG.
  • the gear segment 45 is molded onto the carrier disk 14b, the gear segment 45 also surrounding the permanent magnet 15.
  • the gear segment made of non-magnetically conductive material With the help of the gear segment made of non-magnetically conductive material, a driving force can be applied to the carrier plate at the same time. This enables integration into a drive and thus a very compact design.
  • a recess 50 is formed in FIG. 18 at the transition of the gap 22 to the two columns 21.
  • the recesses 50 represent an extension of the gap 22 which projects into the segment 16 of the stator.
  • the recesses 50 are shown in an arc shape in FIG. Another form is also conceivable. It is important that the recesses 50 protrude at least 15 ° into the segment 16. With an arcuate
  • the side edges of the recess 50 represent an extension of the gap 22, which are closed with an arc.
  • the recesses 50 hinder the magnetic stray flux of the permanent magnet 15 relatively strongly. This minimizes the stray flux at the transition from the gap 22 to the two columns 21, whereby the linearity of the output signal is further improved. Because of the recesses 50, it is possible to reduce the gap 22 serving as a spacing gap compared to the previous exemplary embodiments, and thus to reduce the size to reduce the sensor. In order to achieve optimal use of the magnetic flux, the area of the segments 16 and 17 should be in the area of the two columns
  • the recesses 50 like the gap 22 in these or in the previous exemplary embodiments, should be filled with air or filled as a magnetically non-conductive spacer with a corresponding material composition. It is essential for the size ratio between the gap 21 and the gap 22 or the recess 50 that the gap
  • the gap 22 and the recesses 50 are much larger than the two gaps 21, so that no magnetic flux of the permanent magnet 15 is possible via the gap 22 and the recesses 50 and thus this magnetic flux runs almost completely over the two gaps 21.
  • it is conceivable to form the diametrically opposite gap in the same order of magnitude as the gap 21 with the magnetic field-sensitive element 25 Form a spacing gap.
  • it can have the size of the gap 22 and / or can additionally be filled with magnetically non-conductive material or air.
  • the gap 21 with the magnetic field-sensitive element 25 is shown as a radially outward gap. But it would also be conceivable that this measuring gap is angled or asymmetrical.
  • the rotor 14a represents a segment of a circle which, in contrast to the rotor 14 of the previous exemplary embodiments, has an angle of ⁇ 180 °.
  • the rotor 14a must encompass the axis 11 here.
  • the circular section 60 of the rotor 14a lying between the points C and B has its center in the center M of the shaft 11.
  • a line S runs through the center M.
  • the rotor 14a is formed in mirror image to this line S. This means that a connection of the point C with a point A, which lies on the line S, and a connection of the point B with this point A each have the same angle to the line S.
  • the point A is on the side of the rotor 14a opposite the circular arc shape 60. In the area of points A, B and C, the rotor 14a have rounded edges.
  • the size of the angle of the rotor 14a depends on the magnetic segment 15a used. It must be ensured that the angular range of the rotor 14a is equal to or larger than the magnet used.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

Eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels 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 Distanzspalt (22) getrennte Segmente (16, 17) angeordnet. Die Trägerplatte (14) ist auf einer Achse (11) befestigt, deren Fortsatz (12) bzw. die Achse (11) selbst aus magnetisch leitendem Material besteht. Der Fortsatz (12) ragt in eines der Segmente (16) des Stators. Die Achse (11), insbesondere deren Fortsatz (12), das Trägerelement (14), die Segmente (16, 17) steuern den Magnetfluss des auf der Trägerplatte (14) angeordneten Permanentmagneten (15). Durch die Einbeziehung der Achse (11) in den Magnetfluss baut die Messvorrichtung relativ einfach und platzsparend.

Description

Meßvorrichtunα zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Meßvorrichtung zur berührungslosen 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 nichtmagnetisch 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, gesteuert 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. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur berührungslosen 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 .
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 Karosserieeinfe- derungsvorrichtung verwendbar.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An- spruch 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 verschiedenen Ansichten bzw. Schnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel. 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 0° bzw. einer Induktion B = 0, die Figuren 7 und 8 zeigen den entsprechenden Magnetfluß bei maximaler Winkeldrehung bzw. bei einer Induktion B = max, die Figur 9 zeigt den entsprechenden Verlauf der Induktion B über den Drehwinkel α. Weitere Ausführungsbeispiele, die den Einbau des Sensors in einen Drosselklappensteller bzw. einen Pedalwertgeber darstellen, sind als Längsschnitt in der Figur 10 und 11 dargestellt. Weitere Ausführungsbeispiele zeigen die Figuren 12 und 14 in Draufsicht bzw. die Figuren 13 und 15 in einem Längsschnitt. Die Figuren 16 bis 24 stellen verschiedene Abwandlungen des AusführungsbeiSpiels dar.
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 Drehbewegung 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 Perma- nentmagnet 15 kann als Kreisausschnitt (Kreissegment) oder Teil eines Kreisrings ausgeführt sein. Sein Winkelbereich ist mindestens so groß, wie der zu bestimmende maximale Drehwinkel des zu überwachenden bzw. des zu messenden Bauteils. Wie aus den Darstellungen in der Figur 2 bzw. 3 zu ersehen ist, beträgt der Winkelbereich des Permanentmagneten 15 bei diesem Ausführungsbeispiel 180°, so daß ein zu messender Drehwinkel von 180° erreicht werden kann. Der Permanentmagnet 15 ist ferner in Achsrichtung, d.h. senkrecht zur Trägerplatte 12 polarisiert. Die Trägerplatte 14 besteht aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetisehern 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 Distanzabschnitt 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 erzeugten Magnetfeldlinien möglich ist. Der Distanzspalt 22 kann deshalb mit Luft oder einem anderen magnetisch nichtleitendem Material ausgefüllt sein. Ist der
Distanzspalt 22 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 nichtleitendes Material ausgewählt werden. Im Spalt 21 ist etwa mittig ein ma- gnetfeidempfindliches Element 25, wie z.B. Feldplatte, Magnettransistor, Spulen, magnetoresistives Element oder ein Hall -Element angeordnet. Wichtig hierbei ist, daß das magnetfeldempfindliche Bauteil eine möglichst lineare Ab- hängigkeit 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, eines Hall-Elements dargestellt. In diesem Fall muß das Element 25 möglichst mittig im Spalt 21 angeordnet sein. Hingegen wäre es auch möglich, z.B. jeweils ein Element 25 in beiden Spalten 21 anzuordnen, um z.B. eine sogenannte 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 nichtleitende Funktion aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den als Meßspalt dienenden Spalt 21 nicht, wie in der Figur 3 dargestellt, symmetrisch sondern auch unsymmetrisch oder auch abgewinkelt anzuordnen. Wichtig ist dabei, daß der Spalt 21 relativ gering im Verhältnis zum Distanzspalt 22 ausgebildet ist, um einen möglichst ungestörten Fluß der Magnetlinien durch das magnetfeldempfindliche Element 25 zu ermöglichen.
In der Figur 9 ist der Verlauf der Kennlinie der magnetischen Induktion B im Element 25 z.B. einem Hall-Element über dem Drehwinkel α der Achse 11 dargestellt. Es ist er- kennbar, daß bei einem Drehwinkel α von 0° die Induktion B ebenfalls Null beträgt, während sie beim maximalen Drehwinkel α auch den maximalen Induktionswert erreicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der maximale Drehwinkel bei 180° erreicht. Die Stellung des Sensors 10 bei einem Dreh- winkel von 0° ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Magnetfluß vom Permanentmagneten 15 über den geringen Spalt, der zur Beweglichkeit des Rotors gegenüber dem Stator dient, zum Segment 16, von dort über den geringen Lagerungsspalt zum Fortsatz 12 und von dort über die Trägerplatte 14 zurück zum Permanentmagneten 15 führt. 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 9 dargestellte lineare Meßlinie. Die Einstellung bei maximalem Drehwinkel ist in der Figur 7 bzw. 8 dargestellt. Die Figur 7 ist eine Ansicht in Blickrichtung A auf die Figur 8. In der Stellung des maximalen Drehwinkels α verläuft der gesamte Magnetfluß des Permanentmagneten 15 über den geringen Spalt in das Segment 17. Von dort fließt der Magnetfluß durch den einen Spalt 21 in das Segment 16 und ein auf der gegenüberliegenden Seite über den anderen
Spalt 21 zurück durch den Lagerungsspalt in den Fortsatz 12 und von dort über die Trägerplatte 14 zum Permanentmagneten 15. Insbesondere aus der Figur 8 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. Aus der Figur 8 ist ferner ersichtlich, daß durch den Distanz- spalt 22 ein nahezu vollständiger Verlauf der Magnetlinien über den Spalt 21 und somit durch das Element 25 bewirkt wird. Es darf möglichst kein Magnetfluß über den Distanzspalt 22 erfolgen.
Im Ausführungsbeispiel nach der Figur 10 ist der Einbau des oben beschriebenen Sensors in eine Drosselklappenstellein- heit 30 dargestellt. Mit Hilfe dieser Einheit 30 wird der Drehwinkel einer Drosselklappe für eine Motorsteuerung erfaßt. Hierbei sind die Segmente 16, 17 des Stators direkt im Deckel 31 der Drosselklappenstelleinheit 30 angeordnet. Da der Deckel 31 aus Kunststoff besteht, können die Segmente 16, 17 in den Deckel 31 mit eingespritzt werden. Es wäre aber auch möglich, die beiden Segmente 16, 17 des Stators in den Deckel 31 einzuklipsen. Selbstverständlich muß dabei aber ein Spalt 33 vorhanden sein, der einen magnetischen Fluß vom Permanentmagneten 15 zu den Segmenten 16 bzw. 17 ermöglicht. In einem Spalt 33, der in der Figur 10 nicht ersichtlich ist, befinden sich wiederum das eine oder die beiden Elemente 25. Die Achse 11 ist hierbei direkt auf der Welle 32 der Drosselklappe befestigt oder stellt einen Fortsatz dieser Welle 32 dar. Die als Rotor dienende Träger- platte 14 mit dem Permanentmagneten 15 ist somit direkt auf der Welle 32 der Drosselklappe befestigt. Ohne große Änderungen kann der Sensor nach den Figuren 1 bis 4 bzw. 12 bis 15 in eine Drosselklappenstelleinheit 30 eingebaut werden. Hierbei kann in einfacher Weise das z.B. bisher verwen- dete Potentiometer ausgetauscht werden. Die Figur 11 stellt einen Pedalwertgeber dar. In der Figur 11 sind die Segmente 16, 17 des Stators in den Boden 40 der Einheit 30a angeordnet. Die Segmente 16, 17 können auch hier wieder in den Boden 40 eingegossen oder eingeklipst werden. Der Fortsatz der Welle 32 ragt somit durch den Stator hindurch und die als Rotor dienende Trägerplatte 14 ist am Ende der Achse 32 befestigt. Somit ist entsprechend den Figuren 10 und 11 der Sensor entsprechend den Ausführungen der Figuren 1 bis 4 bzw. 12 bis 15 den baulichen Gegebenheiten der Drossel- klappenstelleinheit 30 bzw. des Pedalwertgebers anpaßbar.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 12 und 13 ist die Trägerplatte des Sensors keine Vollscheibe mehr. Es reicht aus, wenn die Trägerplatte 14a als Segment ausgebildet ist, das einen Winkelbereich entsprechend der Größe des Perma- nentmagneten 15 aufweist. In der Figur 12 ist bezogen auf die Figuren 1 bis 4 ein Permanentmagnet mit einem Winkelbereich von 180° dargestellt. Somit hat die Trägerplatte 14a auch einen Winkelbereich von etwa 180°. Die Außenkontur die- ser als Segment ausgebildeten Trägerscheibe 14a kann beliebig ausgebildet sein. So ist z.B. in den Figuren 14 und 15 das Trägersegment 14b als Zahnradsegment ausgebildet. Wie insbesondere aus der Figur 15 ersichtlich ist, ist das Zahnradsegment 45 an die Trägerscheibe 14b angespritzt, wobei das Zahnradsegment 45 auch den Permanentmagneten 15 mit umgibt. Mit Hilfe des aus nicht magnetisch leitendem Material hergestellten Zahnradsegments kann gleichzeitig eine Antriebskraft auf die Trägerplatte eingeleitet werden. Dadurch ist eine Integrierung in einen Antrieb und somit eine sehr kompakte Bauweise möglich.
Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 16 bis 19 ist in der Figur 18 erkennbar am Übergang des Spalts 22 zu den beiden Spalten 21 jeweils eine Ausnehmung 50 ausgebildet. Die Ausnehmungen 50 stellen dabei eine Verlängerung des Spalts 22 dar, die in das Segment 16 des Stators hineinragt. Die Ausnehmungen 50 sind in der Figur 18 bogenförmig dargestellt. Es ist aber auch eine andere Form denkbar. Wichtig ist dabei, daß die Ausnehmungen 50 mindestens 15° in das Segment 16 hineinragen. Bei einer bogenförmigen
Ausgestaltung stellen die Seitenkanten der Ausnehmung 50 eine Verlängerung des Spalts 22 dar, die mit einem Kreisbogen abgeschlossen sind. Die Ausnehmungen 50 behindern relativ stark den magnetischen Streufluß des Permanentmagneten 15. Dadurch wird der Streufluß am Übergang vom Spalt 22 zu den beiden Spalten 21 minimiert, wodurch das Ausgangssignal in seiner Linearität weiterhin verbessert wird. Aufgrund der Ausnehmungen 50 ist es möglich, den als Distanzspalt dienenden Spalt 22 gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen zu verkleinern und somit die Baugröße des Sensors zu reduzieren. Um eine optimale Ausnutzung des magnetischen Flusses zu erreichen, sollte die Fläche der Segmente 16 und 17, die sich im Bereich der beiden Spalten
21 gegenüberliegen, annähernd gleich groß sein. Die Ausnehmungen 50 sollten, wie der Spalt 22 bei diesen oder bei den vorherigen Ausführungsbeispielen, mit Luft gefüllt sein oder als magnetisch nicht leitendes Distanzstück mit entsprechender Materialzusammensetzung ausgefüllt sein. Wesentlich für das Größenverhältnis zwischen dem Spalt 21 und dem Spalt 22 bzw. der Ausnehmung 50 ist, daß der Spalt
22 und die Ausnehmungen 50 im Verhältnis viel größer sind, als die beiden Spalte 21, so daß über den Spalt 22 und die Ausnehmungen 50 kein magnetischer Fluß des Permanentmagneten 15 möglich ist und somit dieser magnetische Fluß nahezu vollständig über die beiden Spalte 21 verläuft. Wie in der Figur 18 dargestellt und bei den vorherigen Ausführungsbeispielen erwähnt, ist es möglich, daß nur ein magnetfeldempfindliches Element 25 in einem Spalt 21 vorhanden ist. Hierbei ist es denkbar, den diametral gegenüberliegenden Spalt in der selben Größenordnung auszubilden, wie den Spalt 21 mit dem magnetfeldempfindlichen Element 25. Es ist aber auch denkbar, diesen nicht mit einem magnetfeldempfindlichen Element 25 ausgefülltem Spalt 21 in der Größenordnung des Spalts 22 und somit als Distanzspalt auszubilden. Hierbei kann er, wie erwähnt, die Größenordnung des Spalts 22 aufweisen und/oder zusätzlich mit magnetisch nicht leitendem Material bzw. Luft gefüllt sein. In den Figuren ist der Spalt 21 mit dem magnetfeldempfindlichen Element 25 als radial nach außen verlaufender Spalt dargestellt. Es wäre aber auch denkbar, daß dieser Meßspalt abgewinkelt oder unsymmetrisch ausgebildet ist.
In den Figuren 20 bis 23 ist nun der magnetische Fluß bei den Drehwinkelstellungen α = 0 Grad und α = Maximaler Drehwinkel korrespondierend zu den Figuren 5 bis 9 dargestellt. Es ist aus den Figuren 20 und 21 ersichtlich, daß auch aufgrund der Ausnehmungen 50 der magnetische Fluß des Permanentmagneten 15 in das Innere des Segments 16 hin behindert wird, so daß bei der Winkelstellung α = 0 Grad die Induktion B ebenfalls Null beträgt und durch kaum einen Streufluß verfälscht wird. Hingegen wird in den Figuren 22 und 23 bei maximalem Drehwinkel α auch der maximale Induktionswert B = Max erreicht. Aufgrund der Ausnehmungen 50 wird auch hier ein Streufluß verhindert, der am magnetfeldempfindlichen Element 25 vorbei verlaufen würde.
Somit wird nahezu der gesamte magnetische Fluß über das bzw. die magnetfeldempfindlichen Elemente geleitet. In der Figur 24 ist eine Abwandlung des Rotors 14a dargestellt. Aufgrund der Geometrie des Rotors 14a wird die Linearität der Kennlinie des Sensors über den Meßbereich von 140 Grad wesentlich verbessert. Der magnetische Streufluß des Permanentmagneten 15a wird minimiert und demzufolge weist der Nullpunkt der Meßkurve des Sensors eine hohe
Temperaturstablilität auf. Wie aus der Figur 24 ersichtlich, stellt der Rotor 14a ein Kreissegment dar, das im Gegensatz zu dem Rotor 14 der bisherigen Ausführungsbeispiele einen Winkel von < 180° aufweist. Der Rotor 14a muß hierbei die Achse 11 umgreifen. Der zwischen den Punkten C und B liegende kreisförmige Abschnitt 60 des Rotors 14a hat seinen Mittelpunkt im Mittelpunkt M der Welle 11. Ferner verläuft durch den Mittelpunkt M eine Linie S. Zu dieser Linie S ist der Rotor 14a spiegelbildlich ausgebildet. Dies bedeutet, daß eine Verbindung des Punktes C mit einem Punkt A, der auf der Linie S liegt, und eine Verbindung des Punktes B mit diesem Punkt A jeweils den gleichen Winkel zur Linie S aufweist. Der Punkt A befindet sich auf der der Kreisbogenform 60 gegenüberliegenden Seite des Rotors 14a. Im Bereich der Punkte A, B und C muß der Rotor 14a abgerundete Kanten aufweisen. Die Größe des Winkels des Rotors 14a ist abhängig vom verwendeten Magnetsegment 15a. Es muß gewährleistet sein, daß der Winkelbereich des Rotors 14a gleich oder größer als der verwendete Magnet ist.

Claims

Ansprüche
1. Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels α zwischen einem Stator (16, 17) und einem Rotor (14), wobei auf dem Rotor (14) ein Permanentmagnet (13) angeordnet ist, wobei sich zwischen Stator (16, 17) und Rotor (14) ein Luftspalt befindet und der Stator aus mindestens zwei Segmenten (16, 17) besteht, die durch mindestens einen magnetich 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 die Achse (11) des Rotors (14) mindestens einen Bereich 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) auf- weist, und daß mindestens ein erster Spalt (22) zwischen den beiden Teilen (16, 17) des Stators vorhanden ist, der den Magnetfluß des Permanentmagneten (15) behindert und so steuert, daß er über mindestens einen der anderen Spalte (21) verläuft.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spalt (22) größer als der andere Spalt (21) ist .
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (11) , insbesondere der Fortsatz (12) , und der Rotor (14) aus weichmagnetischem Material bestehen.
4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (16) des Stators einen Fortsatz
(19) aufweist, in den die Achse (11), insbesondere deren Fortsatz (12), ragt.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (19) des Teils (16) des Stators bogenförmig ausgebildet ist.
6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und der Stator scheibenförmig ausgebildet sind.
7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Segment ausgebildet ist.
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei andere Spalte (21) vorhanden sind, in denen jeweils mindestens ein Hall-Element (25) angeordnet ist .
9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) und der Rotor (14) ein- teilig ausgebildet sind.
10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang vom ersten Spalt (21) zum anderen Spalt (22) im Teil (16) des Stators mindestens eine Ausnehmung (50) ausgebildet ist.
11. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spalt (22), der andere Spalt (21) und die Ausnehmung (50) mit Luft oder einem magnetisch nicht leitenden Stoff gefüllt sind.
12. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Ausnehmung (50) eine Eindringtiefe von >. 15° hat.
13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des anderen Spalts
(21) kleiner als die Breite der Ausnehmung (50) ist.
14. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Ausnehmung (50) der Breite des ersten Spalts (22) entspricht.
15. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (50) eine
Kreisform aufweist.
16. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein anderer Spalt (21) mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Element (25) vorhanden ist und der übrige sich zwischen den beiden Teilen (16, 17) des Stators befindende Spalt (22) größer als der andere Spalt (21) ausgebildet ist.
17. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang vom anderen Spalt (21) zum Spalt (22) eine erste Ausnehmung (50) vorhanden ist, und daß diametral gegenüberliegend eine zweite Ausnehmung (50) ausgebildet ist.
18. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Spalt (21) abgewinkelt oder unsymmetrisch ausgebildet ist.
19. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14a) ein Kreissegment darstellt, das die Achse (11) umgreift.
20. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der als Kreissegment ausgebildete Rotor (14a) einen Winkel größer oder gleich dem des Permanentmagneten (15a) aufweist.
21. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreissegment eine kreisförmige Außenkontur (60) aufweist, deren Mittelpunkt im Mittelpunkt M der Achse (11) liegt und daß das Kreissegment achssymmetrisch zu einer durch den Mittelpunkt M der Achse (11) verlaufenden Linie (S) ausgebildet ist.
22. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreissegment (14a) zwei geradlinige Kanten aufweist.
23. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge der Kanten des Rotors (14a) untereinander und der Kanten zu der kreisförmigen Außenkontur (60) abgerundet sind.
24. Drosselklappensensor oder Pedalwertgeber mit einer Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der als Stator (16, 17) dienende Teil im Deckel (31) des Sensors (30) integriert ist, und daß der Deckel (31) aus Kunststoff besteht.
25. Drosselklappensensor oder Pedalwertgeber mit einer Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der als Stator (16, 17) dienende Teil im Boden (40) des Sensors (30) integriert ist, und daß der Boden (40) aus Kunststoff besteht.
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