DE102016215620A1

DE102016215620A1 - Stellorgan mit einem Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE102016215620A1
Application number: DE102016215620.9A
Authority: DE
Inventors: Pavel Klestil; Milos Hlavka
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stellorgan (1, 1a, 1b) mit einem Drehwinkelsensor (2). Der Drehwinkelsensor (2) umfasst ein erstes Element (3), ein zweites Element (4), ein Sensorelement (5) und einen Magnethalter (7), welcher einen Magneten (6) wenigstens teilweise umschließt und fixiert. Dabei sind das erste Element (3) und das zweite Element (4) um eine sich in einer axialen Richtung (A) erstreckende Achse (8) relativ zueinander verdrehbar. Dabei ist das Sensorelement (5) mit dem zweiten Element (4) verbunden. Dabei ist vorgesehen dass der Magnethalter (7) drehfest mit dem ersten Element (3) verbunden ist und relativ zum ersten Element (3) in der axialen Richtung (A) verlagerbar ist, wobei der Magnethalter (7) mittels wenigstens eines Federelements (9, 91, 92, 93) vom ersten Element (3) in Richtung auf das zweite Element (4) hin gedrückt oder gezogen wird.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Stellorgane mit einem Drehwinkelsensor bekannt. Derartige Stellorgane mit einem Drehwinkelsensor umfassen häufig ein erstes Element und ein zweites Element sowie ein Sensorelement und einen Magnethalter, welcher einen Magnet wenigstens teilweise umschließt und fixiert. Dabei können das erste Elemente und das zweite Element um eine sich in einer axialen Richtung erstreckende Achse relativ zueinander verdrehbar ausgebildet sein. Dabei ist das Sensorelement mit dem einen Element, beispielsweise dem zweiten Element, verbunden und der Magnet mit dem anderen, beispielsweise dem ersten Element, verbunden.
Ein derartiges Stellorgan mit einem Drehwinkelsensor ist beispielsweise aus der DE 10 2007 037 215 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass der Abstand zwischen dem Magneten und dem Sensorelement entlang der axialen Richtung eine entscheidende Rolle für die Messgenauigkeit des Drehwinkels des ersten Elements relativ zum zweiten Element darstellt. Häufig ist zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element, insbesondere zwischen dem Magnethalter und dem darin befestigten Magneten einerseits und dem zweiten Element bzw. dem daran befestigten Sensorelement ein Abstand vorgesehen. Herstellungstechnisch bedingt kann es sehr aufwendig sein, die Fertigungstoleranzen des Abstandes zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element sehr präzise einzustellen. Eine sehr genaue Einstellung des Abstandes ist zwar möglich, jedoch erfordert dies aufwendige und damit teure Qualitätskontrollen bzw. Fertigungswerkzeuge.
Es kann daher ein Bedarf bestehen, ein Stellorgan mit einem Drehwinkelsensor bereitzustellen, welcher besonders einfach herzustellen ist und gleichzeitig eine sehr hohe Messgenauigkeit bereitstellt.
Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß des unabhängigen Anspruchs gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Stellorgan mit einem Drehwinkelsensor vorgeschlagen. Der Drehwinkelsensor umfasst dabei ein erstes Element, ein zweites Element, ein Sensorelement und einen Magnethalter, welcher einen Magneten wenigstens teilweise umschließt. Der Magnethalter fixiert den Magneten. Dabei sind das erste Element und das zweite Element um eine sich in einer axialen Richtung erstreckende Achse relativ zueinander verdrehbar ausgebildet. Dabei ist das Sensorelement mit dem zweiten Element verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass der Magnethalter drehfest mit dem ersten Element verbunden ist und relativ zum ersten Element in axialer Richtung verlagerbar ist. Der Magnethalter wird dabei mittels wenigstens eines Federelements vom ersten Element in Richtung auf das zweite Element hin gedrückt oder gezogen. Die Druck- bzw. Zugrichtung kann sich z. B. entlang der axialen Richtung erstrecken.
Mit anderen Worten übt das Federelement eine Kraft auf den Magnethalter in Richtung vom ersten Element auf das zweite Element hin aus. Durch das Federelement wird also zumindest eine Kraftkomponente in Richtung vom ersten auf das zweite Element hin auf den Magnethalter ausgeübt.
Der Magnethalter wird dabei mittels wenigstens eines Federelements vom ersten Element in Richtung auf das zweite Element hin gedrückt oder gezogen.
Dabei ist zu verstehen, dass sich die Achse entlang der axialen Richtung erstreckt bzw. die axiale Richtung entspricht der Richtung der Achse.
Das Sensorelement kann auch als magnetempfindliches Element bezeichnet werden. Es kann beispielsweise als ein Hall-Sensor oder ein Sensor auf Basis des Giant Magnetoresistance Effect (GMR-Effekts) ausgebildet sein. Auch andere Möglichkeiten, Magnetfelder zu messen, können verwendet werden, um das magnetempfindliche Element bzw. das Sensorelement auszubilden.
Das Sensorelement kann dabei insbesondere ortsfest mit dem zweiten Element verbunden sein, z. B. am zweiten Element angeklebt sein oder daran angeclipst sein oder vom zweiten Element umspritzt sein. Das Sensorelement kann somit auch am zweiten Element befestigt bzw. festgelegt sein.
Der Magnet kann beispielsweise ein permanentmagnetischer Magnet sein. Er kann beispielsweise als Seltenerdmagnet (z. B. Neodym, Samarium, etc. umfassend) ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform kann beispielsweise ein Magnet aus einem ferritischen Material (z. B. Eisen, Kobalt, Nickel umfassend) verwendet werden.
Beispielsweise kann der Magnet vom Magnethalter umspritzt sein. Dabei ist der Magnet drehfest mit dem Magnethalter verbunden. Mit anderen Worten: der Magnet kann in einer um die axiale Richtung verlaufenden Umfangsrichtung nicht relativ zum Magnethalter verdreht werden.
Es versteht sich, dass im Kontext dieser Anmeldung genau ein Federelement vorgesehen sein kann, es ist jedoch auch möglich, eine Mehrzahl, also beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Federelemente vorzusehen. Ebenfalls ist es möglich, dass Zugfedern oder Druckfedern verwendet werden, um den Magnethalter vom ersten Element in Richtung hin zum zweiten Element zu drücken bzw. zu ziehen Der Magnethalter ist derart drehfest mit dem ersten Element verbunden, dass er bei einer Drehung des ersten Elements entlang einer Umfangrichtung um die Achse bzw. die axiale Richtung herum dieselbe Bewegung in Umlaufrichtung mit dem ersten Element beschreibt. Besonders bevorzugt ist der Magnethalter spielfrei entlang der Umfangsrichtung mit dem ersten Element verbunden. Gleichzeitig ist das System aus Magnethalter und erstem Element derart miteinander gekoppelt, dass der Magnethalter entlang der axialen Richtung relativ zum ersten Element verlagerbar ist. Somit weist das System aus Magnethalter und erstem Element einen Bewegungsfreiheitsgrad entlang der axialen Richtung relativ zueinander auf.
Durch die relative Verlagerbarkeit in axialer Richtung zwischen Magnethalter und erstem Element und durch das wenigstens eine Federelement, welches den Magnethalter weg vom ersten Element, z. B. entlang der axialen Richtung, hin zum zweiten Element drückt oder zieht, wird vorteilhaft bewirkt, dass der Magnet in eine definierte Position bzw. in einen definierten Abstand relativ zum zweiten Element, gebracht wird. Dadurch wird ein definierter Abstand zwischen dem Magneten und dem Sensorelement gewährleistet. Dadurch wird vorteilhaft die Messgenauigkeit erhöht. Gleichzeit kann die Fertigung des Drehwinkelsensors bzw. des Stellorgans auf besonders einfache Weise erfolgen, da mittels des wenigstens einen Federelements ein Toleranzausgleich entlang der axialen Richtung stattfindet. Mit anderen Worten: mittels des Federelements werden Fertigungstoleranzen bzw. Bestückungstoleranzen im Drehwinkelsensor, insbesondere entlang der axialen Richtung, ausgeglichen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass am zweiten Element ein Aufnahmeelement zur Aufnahme des Magnethalters vorgesehen ist. Dabei wird der Magnethalter mittels des wenigstens einen Federelements an das Aufnahmeelement gedrückt oder gezogen. Das Aufnahmeelement kann z. B. in bzw. entlang der axialen Richtung betrachtet zwischen dem Magnethalter und dem Sensorelement angeordnet sein. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Magnethalter und damit der Magnet in eine definierte Position relativ zum zweiten Element gebracht wird.
Beispielsweise kann das Aufnahmeelement komplementär zur Form des Magnethalters ausgebildet sein. Beispielsweise ist das Aufnahmeelement becherartig ausgebildet. Mit anderen Worten: Der Magnethalter kann entlang der radialen Richtung, also quer zur axialen Richtung, vom Aufnahmeelement umfasst sein. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine radiale Toleranz der Positionierung des Magnethalters relativ zum Sensorelement minimieren. Durch das Zusammenwirken des Aufnahmeelements und des wenigstens einen Federelements kann auf diese Weise die relative Positionierung zwischen dem Magnet bzw. dem Magnethalter und dem Sensorelement in allen drei Raumrichtungen, d. h. in einem Polarkoordinatensystem entlang der axialen Richtung und der radialen Richtung eng toleriert werden. Dadurch steigt mit einfachen Mitteln die Messgenauigkeit.
Der Magnethalter kann beispielsweise mit einer dem zweiten Element zugewandten Stirnseite auf einer dem Magnethalter zugewandten Bodenfläche des Aufnahmeelements aufliegen. Bei einer Drehung kann der Magnethalter z. B. auf diesem Boden entlangleiten. Bevorzugt sind daher der Magnethalter und das Aufnahmeelement aus Materialien gebildet, welche einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisen. Beispielsweise können beide Elemente (Magnethalter einerseits und Aufnahmeelement andererseits) aus einem Kunststoff gebildet sein.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement in der axialen Richtung betrachtet, zwischen dem ersten Element und einem dem ersten Element zugewandten Boden des Magnethalters angeordnet ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das wenigstens eine Federelement die Magnetfeldlinien des Magneten in Richtung des Sensorelements nicht stört. Weiterhin kann auf diese Weise der zwischen dem Magneten und dem Sensorelement bzw. der zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element befindliche Abstand oder Spalt besonders gering gehalten werden. Dadurch lässt sich die Genauigkeit des Drehwinkelsensors weiter verbessern.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement als Blattfeder oder als Spiralfeder oder als Schraubenfeder ausgebildet ist.
Die Ausbildung als Blattfeder erlaubt eine besonders kompakte Bauform.
Die Ausbildung als Spiralfeder erlaubt einerseits eine kompakte Bauform. Gleichzeitig kann dadurch nicht nur ein Anpressen bzw. Anziehen des Magnethalters in Richtung des zweiten Elements bewirkt werden. Vielmehr kann auch eine in radialer Richtung zentrierend wirkende Federkraft auf den Magnethalter ausgeübt werden, z. B. in Richtung hin zur Achse oder weg von der Achse. Dadurch kann die Gesamtpositionierung des Magnethalters bzw. des Magneten relativ zum Sensorelement verbessert werden.
Die Ausbildung als Schraubenfeder bewirkt vorteilhaft eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion, gleichzeitig kann mittels einer Schraubenfeder eine besonders gut einstellbare bzw. eine besonders hohe Krafteinwirkung auf den Magnethalter bewirkt werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement ein vom ersten Element und vom Magnethalter separates Element ist. Dadurch kann ein besonders einfacher und modularer Aufbau erfolgen. Je nach Anwendungszweck kann das Federelement beispielsweise bei veränderten Kundenwünschen in seiner Stärke, seiner Art (Schraubenfeder, Blattfeder, etc.) oder in seiner Positionierung angepasst werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement einstückig mit dem Boden des Magnethalters ausgebildet ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Magnethalter besonders einfach im Drehwinkelsensor montiert werden kann. Bei der Montage sind keine zusätzlichen Federelemente einzubauen.
Es versteht sich, dass auch Ausbildungsformen vorgesehen sein können, in denen das wenigstens eine Federelement ein vom Magnethalter separates Element ist und gleichzeitig wenigstens ein weiteres Federelement einstückig mit dem Boden des Magnethalters ausgebildet ist. Dadurch können die Vorteile beider alternativen Ausgestaltungsformen miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise das einstückig mit dem Boden des Magnethalters ausgebildete Federelement eine Grundfederung bereitstellen, die je nach Bedarf und Kundenwunsch durch ein zusätzliches und separates oder eine Mehrzahl von zusätzlichen separaten Federelementen hinsichtlich ihrer Kraftwirkung angepasst werden können.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement vom Boden des Magnethalters abragt.
Durch das Abragen des wenigstens einen Federelements vom Boden des Magnethalters wird vorteilhaft bewirkt, dass die in Richtung des Sensorelements wirkenden Magnetfeldlinien des Magneten durch das Federelement nicht gestört sind.
Weiterhin kann der Magnethalter auf diese Weise besonders kompakt und einfach gebaut werden, z. B. mittels eines Spritzgussprozesses aus Kunststoff. Eine über den Umfang des Magnethalters bzw. seine Außenumrandung hinausragende Feder bzw. ein darüber hinausragendes Federelement, sind somit nicht notwendig. Auch vereinfacht sich dadurch die Montage, da weniger Teile zusammenzufügen sind.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement einstückig mit dem ersten Element ausgebildet ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Magnethalter besonders einfach im Drehwinkelsensor bzw. am ersten Element montiert werden kann. Bei der Montage sind keine zusätzlichen Federelemente einzubauen.
Es versteht sich, dass auch Ausbildungsformen vorgesehen sein können, in denen das wenigstens eine Federelement ein vom ersten Element separates Element ist und gleichzeitig wenigstens ein weiteres Federelement einstückig mit dem ersten Element ausgebildet ist. Dadurch können die Vorteile beider alternativen Ausgestaltungsformen miteinander kombiniert werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement vom ersten Element in Richtung des Magnethalters abragt. Dadurch kann eine besonders kompakte Bauform realisiert werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das wenigstens eine Federelement in der Form einer elastisch reversibel verlagerbaren Rippe ausgebildet ist.
Es versteht sich, dass auch mehrere elastische reversible verlagerbare Rippen ausgebildet sein können.
Durch das Ausbilden des Federelements in der Form einer elastisch reversibel verlagerbaren Rippe kann das Federelement besonders einfach hergestellt sein. Beispielsweise kann ein derartig als Rippe ausgebildetes Federelement am Boden des Magnethalters befestigt sein bzw. wenn der Magnethalter als Spritzgussteil ausgebildet ist, einstückig mit dem Magnethalter ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das als Rippe ausgebildete Federelement am ersten Element angeordnet sein. Es kann dann dem Boden des Magnethalters zugewandt sein.
Ein derartiges, als elastisch verlagerbare Rippe ausgebildetes Federelement kann bei einer Verlagerung in einer Richtung entlang der axialen Richtung eine elastische Spannung aufbauen. Diese elastische Spannung kann den Magnethalter entlang der axialen Richtung hin zum zweiten Element drücken.
Dazu kann z. B. eine Verspannung bzw. eine Verformung entlang der axialen Richtung bewirkt werden, die bei nachlassender Krafteinwirkung eine Entspannung entgegen der ursprünglichen Krafteinwirkungsrichtung bewirkt.
Die Rippe kann z. B. in „L-Form” ausgebildet sein. Dabei kann ein erster Schenkel der Rippe an einer Wandung des ersten Elements befestigt sein und in radialer Richtung hin zur Achse von dieser Wandung abragen. Der zweite Schenkel der „L-Form” kann z. B. in axialer Richtung in Richtung des Bodens des Magnethalters ragen und als freies Ende ausgebildet sein. Er kann im fertig montierten Drehwinkelsensor z. B. in mechanischem Kontakt mit dem Boden des Magnethalters stehen. Bei einer Verlagerung des Magnethalters hin zum ersten Element wird somit der erste Schenkel in der axialen Richtung verbogen und es baut sich somit eine elastische Spannung auf, durch welche die Rippe den Magnethalter bei nachlassender Krafteinwirkung wieder in Richtung des zweiten Elements drängt.
Derartige Ausbildungen sind besonders einfach herstellbar und es bedarf keiner weiteren separaten (Feder-)Elemente. Auch ist bei einer derartigen Ausführungsform die Entformung aus einem Spritzgusswerkzeug besonders einfach realisierbar.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Magnethalter an seinem Boden wenigstens ein in axialer Richtung abragendes Sicherungselement aufweist, wobei das erste Element wenigstens ein zum Sicherungselement komplementäres Komplementärelement aufweist. Dabei greifen Sicherungselement und Komplementärelement ineinander, so dass der Magnethalter entlang der Umfangsrichtung am ersten Element drehfest fixiert ist.
Mit anderen Worten sind Magnethalter und erstes Element durch das Sicherungselement und das Komplementärelement kraftschlüssig oder formschlüssig miteinander verbunden. Dabei kann das Sicherungselement z. B. als eine Art Magnethalter-Steg ausgebildet sein, das Komplementärelement in der Art einer Nut oder einer Aussparung. Ein solcher Magnethalter-Steg oder eine Art Riegel kann dann in dem z. B. als Nut ausgebildeten Komplementärelement aufgenommen sein.
Vorteilhaft haben Sicherungselement und Komplementärelement bezüglich ihrer Abmessungen nur eine geringe Toleranz, so dass eine drehfeste Fixierung zwischen Magnethalter und erstem Element realisiert ist. Gleichzeitig sollen Sicherungselement und Komplementärelement eine axiale Verlagerung des Magnethalters relativ zum ersten Element gewährleisten.
Sicherungselement und Komplementärelement können auch eine spezielle Form in einer Aufsicht aus axialer Richtung aufweisen, die die Montage des Magnethalters am ersten Element nur in einer einzigen oder nur in einer diskreten Anzahl von Positionen relativ zum ersten Element erlaubt.
Dadurch kann eine Poka-Yoka-Lösung, d. h. eine Art Schlüssel-Schloss-Prinzip, realisiert werden. Mit anderen Worten: Der Magnethalter kann lediglich in einer diskreten Anzahl von Positionen mit dem ersten Element verbunden werden bzw. in das erste Element eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Magnethalter lediglich in einer einzigen oder in zwei, drei, vier, etc. genau definierten Positionen in das erste Element eingesetzt werden bzw. relativ zum ersten Element positioniert werden.
Durch diese Merkmale wird eine besonders einfache und modular herstellbare drehfeste Verbindung zwischen Magnethalter und erstem Element bewirkt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Stellorgan gewählt ist aus der Gruppe, welche folgende Elemente umfasst:

– Eine Drosselklappe,
– Ein Fahrpedal,
– Einen Aktuator,
– Ein Abgasrückführventil.

Für all diese Stellorgane ist der vorgeschlagene Drehwinkelsensor besonders kostengünstig und einfach herstellbar. Gleichzeitig lässt sich durch die vorgeschlagene Erfindung eine besonders hohe Messgenauigkeit des Drehwinkels realisieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: Einen Querschnitt eines Stellorgans aus dem Stand der Technik;
2: Einen Querschnitt durch einen Drehwinkelsensor aus dem Stellorgan der 1;
3: Eine perspektivische Ansicht eines Stellorgans mit einem Drehwinkelsensor in einer ersten Ausführungsform;
4a: Einen Querschnitt durch den Drehwinkelsensor der 3;
4b: Einen Querschnitt durch einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4c: eine perspektivische Ansicht eines Drehwinkelsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4d: einen Querschnitt durch den Drehwinkelsensor der 4c;
5: eine perspektivische Ansicht eines ersten Elements für einen Drehwinkelsensor einer weiteren Ausführungsform.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
1 zeigt ein Stellorgan 1, 1a mit einem Drehwinkelsensor 2 gemäß dem Stand der Technik. Der Drehwinkelsensor 2 gemäß dem Stand der Technik. Der Drehwinkelsensor 2 umfasst ein erstes Element 3 und ein zweites Element 4. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel gehört das erste Element 3 zu einem drehbar gelagerten Rotor 10. Das zweite Sensorteil 4 gehört zu einem Stator 12. Grundsätzlich ist für die Anmeldung auch denkbar, dass das zweite Element 4 zu einem Rotor 10 und das erste Element 3 zu einem Stator 12 gehört. Der Rotor 10 umfasst im Wesentlichen eine Drosselkörperwelle 14, einen an der Drosselkörperwelle 14 drehfest befestigten Drosselkörper 16 und ein drehfest befestigtes Drehglied 18. All diese Elemente gehören zu einem Stellorgan 1, welches hier als Drosselklappensteller 1a ausgebildet ist bzw. als Drosselklappe 1a ausgebildet ist. Der Stator 12 umfasst im Wesentlichen ein Drosselkörpergehäuse 20 mit einem durch das Drosselkörpergehäuse 20 hindurchführenden Gaskanal 22 und einen Gehäusedeckel 24.
Das Stellorgan 1, 1a hat einen Stellmotor 26 zum Erzeugen einer Stellkraft und ein Getriebe 28 zum Übertragen der Stellkraft vom Stellmotor 26 auf das Drehglied 18 des Rotors 10. Die Stellkraft wird vom Stellmotor 26 in Form von Drehmomenten auf den Rotor 10 übertragen.
2 zeigt einen Ausschnitt aus dem in 1 dargestellten Stellorgan 1 in Form der Drosselklappe 1a. Dabei ist der Maßstab vergrößert und der Schnitt erstreckt sich entlang einer Achse 8 des Rotors 10. Die Achse 8 erstreckt sich dabei entlang einer axialen Richtung A.
In allen Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Sofern nichts Gegenteiliges erwähnt bzw. in der Zeichnung dargestellt ist, gilt das anhand eines der Figuren Erwähnte und Dargestellte auch bei den anderen Figuren.
Der in der 2 dargestellte Ausschnitt zeigt im Wesentlichen den Drehwinkelsensor 2 des Stellorgans 1, 1a. Der Drehwinkelsensor 2 umfasst dabei das erste Element 3 und das zweite Element 4, weiterhin ein Sensorelement 5, sowie einen Magnethalter 7, welcher einen Magneten 6 wenigstens teilweise umschließt und fixiert. Dabei sind das erste Element 3 und das zweite Element 4 um die sich in axialer Richtung A erstreckende Achse 8 relativ zueinander verdrehbar. Die Verdrehung erfolgt dabei entlang der mit dem kreisförmigen Pfeil gekennzeichneten Umfangsrichtung U. Zwischen dem ersten Element 3 und dem zweiten Element 4 bzw. zwischen dem Magnethalter 7 und dem darin befestigten Magneten 6 sowie dem Sensorelement 5 ist ein Spalt 11 vorgesehen, der einen Abstand d entlang der axialen Richtung A aufweist. Mit anderen Worten: Der Rotor 10 und der Stator 12 sind durch den Spalt 11 voneinander beabstandet. Der Abstand d des Rotors 10 vom Stator 12 ist möglichst genau einzuhalten, um eine hohe Messgenauigkeit zu bewirken.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stellorgans 1 in einer Ausführung als Fahrpedalmodul 1b mit einem Drehwinkelsensor 2 in einer ersten Ausführungsform.
Das Fahrpedalmodul 1b weist einen Pedalarm 50 auf sowie ein erstes und ein zweites Rückstellfederelement 51a, 51b, mit denen der Pedalarm in eine Ausgangsposition rückstellbar ist.
Der Drehwinkelsensor 2 kann auch alternativen Stellorganen 1, beispielsweise einer Drosselklappe 1a, einem Aktuator oder einem Abgasrückführventil, zugeordnet sein. Es versteht sich, dass auch weitere Stellorgane 1 mit dem Winkelsensor 2 ausgestattet sein können.
Der Drehwinkelsensor 2 umfasst ein erstes Element 3, welches an seiner Außenseite mehrere Nuten 32 aufweist, in welche korrespondierende, komplementäre Sicherungsrippen 52 einer Ausnehmung des Pedalarmes 50 eingreifen können. Auf diese Weise ist das erste Element 3 des Drehwinkelsensors 2 drehfest am Pedalarm festgelegt.
Der Drehwinkelsensor 2 weist weiterhin ein zweites Element 4, ein hier nicht dargestelltes Sensorelement 5 (siehe 4a, 4b) und einen Magnethalter 7 auf. Der Magnethalter 7 umschließt einen in dieser Darstellung nicht sichtbaren Magneten 6 wenigstens teilweise und fixiert den Magneten 6. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umschließt der Magnethalter 7 den Magneten 6 fast vollständig, lässt jedoch die dem zweiten Element 4 zuweisende bzw. zugewandte Seite des Magneten 6 offen (siehe 4a–d). Der Magnet 6 kann im Magnethalter 7 formschlüssig und/oder stoffschlüssig gehaltert sein. Beispielsweise kann der Magnethalter 7 z. B. um den Magneten 6 gespritzt sein, z. B. aus Kunststoff. Der Magnethalter 7 kann insbesondere becherförmig ausgebildet sein, wobei der Magnethalter einen Boden 71 aufweist, welcher auf der vom zweiten Element 4 abgewandten Seite des Magneten 6 angeordnet ist und dem ersten Element 3 zugewandt ist.
Das erste Element 3 und das zweite Element 4 sind um eine sich in einer axialen Richtung A erstreckende Achse 8 relativ zueinander verdrehbar. Das Sensorelement 5 ist mit dem zweiten Element 4 verbunden. Das Sensorelement 5 kann als ein magnetempfindliches Element 5 bezeichnet werden und beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildet sein. Auch andere Ausführungsbeispiele für ein Sensorelement 5, beispielsweise eine Spule, ein GMR-Effekt-Sensorelement etc. sind möglich.
Der Magnethalter 7 ist drehfest mit dem ersten Element 3 verbunden. Gleichzeitig ist der Magnethalter 7 relativ zum ersten Element 3 entlang der axialen Richtung A verlagerbar.
Dazu ist am Boden des Magnethalters ein Sicherungselement 78 in der Art eines Magnethalter-Steges 78a ausgebildet. Der Magnethalter-Steg 78a ragt in Richtung des ersten Elements 3 vom Boden 71 des Magnethalters 7 ab. Dabei erstreckt sich der Magnethalter-Steg 78a fast entlang des Durchmessers des Bodens 71. Der Magnethalter-Steg 78a ist in dieser Ausführungsform durch das Zentrum des Magnethalters 7 geführt.
Der Magnethalter-Steg 78a bzw. allgemein das Sicherungselement 78 ist derart ausgebildet, dass es mit einem hier nicht dargestellten Komplementärelement 31, 31a (4a–d) des ersten Elements 3 zusammenwirkt, so dass der Magnethalter 7 drehfest mit dem ersten Element 3 verbunden ist, jedoch entlang der axialen Richtung A verlagerbar ist. Das Komplementärelement 31 kann z. B. in Form einer Nut 31a oder Aussparung 31a ausgebildet sein, welche den Magnethalter-Steg 78a aufnimmt. Es versteht sich, dass auch andere Formen des Sicherungselements 78 und des Komplementärelements 31 vorgesehen sein können.
Bei dem dargestellten Drehwinkelsensor 2 ist ein Federelement 9 in Form einer Schraubenfeder 92 vorgesehen, welches den Magnethalter 7 vom ersten Element 3 weg in axialer Richtung A hin auf das zweite Element 4 drückt. Dabei wirkt das Federelement 9 in Form der Schraubenfeder 92 vom ersten Element 3 auf den Boden 71 des Magnethalters 7 bzw. auf den Magnethalter-Steg 78a. Die Schraubenfeder kann dabei im bzw. am Komplementärelement 31 angreifen. Mit anderen Worten: Der Boden 71 des Magnethalters 7 ist in axialer Richtung A betrachtet zwischen dem Magneten 6 und dem Federelement 9 angeordnet. Die Schraubenfeder 92 kann z. B. als vom Magnethalter 7 separates Element ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Schraubenfeder 92 am Magnethalter 7 angebracht sein oder sogar einstückig mit dem Magnethalter 7 ausgebildet sein.
Am zweiten Element 4 ist ein becherförmiges Aufnahmeelement 41 vorgesehen. Dieses Aufnahmeelement 41 ist komplementär zum Magnethalter 7 vorgesehen. Mit anderen Worten: Es ist derart gebildet, dass es zur Aufnahme des Magnethalters 7 in seinem Innenraum geeignet ist. Das heißt: die Außenwandung 75 des Magnethalters 7 ist von einer Innenwandung des Aufnahmeelements 41 entlang der radialen Richtung geführt. Dadurch wird eine radiale Positionierung des Magnethalters 7 relativ zum Sensorelement 5 bewirkt. Die Außenwand 75 des Magnethalters 7 kann dazu auch konisch zulaufen und in ein sich komplementär zum Magnethalter 7 konisch weitendes Aufnahmeelement 41 eingesetzt werden. Auf diese Weise zentriert sich der Magnethalter 7 von selber in radialer Richtung im Aufnahmeelement 41. Das Sensorelement 5 ist derart angeordnet, dass das Aufnahmeelement 41 entlang der axialen Richtung A betrachtet zwischen dem Sensorelement 5 und dem Magneten 6 angeordnet ist.
Durch das Federelement 9 wird nun der Magnethalter 7 entlang der axialen Richtung hin zum zweiten Element 6 gedrückt und somit wird eine Stirnseite des Magnethalters 7 bzw. des Magneten 6 auf eine dem Magnethalter 7 zugewandte Bodenfläche des Aufnahmeelements 41 gedrückt. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen dem Magneten 6 und dem Sensorelement stets konstant und damit gut definiert. Dadurch wird die Messgenauigkeit trotz des einfachen Aufbaus besonders hoch.
4a zeigt einen schematischen Querschnitt des Drehwinkelsensors 2 aus 3. In dieser Figur sind das Aufnahmeelement 41, der Magnet 6 und das Sensorelement 5 gut zu erkennen. Das Aufnahmeelement 41 weist in der dargestellten Ausführungsform zylindrische Wände auf, die annährend parallel zur axialen Richtung A verlaufen. Wie oben beschrieben können die Wände sich jedoch auch in Richtung des ersten Elements 3 nach außen öffnen. Dadurch kann, insbesondere mit einer ebenfalls konischen Form des Magnethalters 7 eine Selbstzentrierung des Magnethalters 7 im Aufnahmeelement 41 erreicht werden. Das Federelement 9 ist als Schraubenfeder 92 ausgebildet.
4b zeigt eine weitere Ausführungsform des Drehwinkelsensors 2. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 4a ist in 4b eine Blattfeder 91 als Federelement 9 vorgesehen. Die Blattfeder 91 kann analog zum Ausführungsbeispiel aus 3a z. B. als vom Magnethalter 7 separates Element ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass in hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen auch eine Kombination aus Blattfedern 91 und Schraubenfedern 92 als Federelemente 9 vorgesehen sein können. Dabei muss es sich auch nicht um vom ersten Element 3 und vom Magnethalter 7 separate Federelemente 9 handeln. Vielmehr können die Federelemente 9 auch am Boden 71 des Magnethalters 7 oder am ersten Element 3 angeordnet sein. Weiterhin denkbar ist die Verwendung von Zugfedern, welche den Magnethalter 7 in Richtung hin zum zweiten Element 4 ziehen. Es können auch lediglich ein einziges Federelement 9 oder eine Mehrzahl von Federelementen 9 vorgesehen sein.
Selbstverständlich können die Federelemente 9, 91, 92 auch einstückig mit dem Magnethalter 7 oder dem ersten Element 3 ausgebildet sein.
4c zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist das Federelement 9 nicht als Schraubenfeder 92 oder Blattfeder 91 ausgebildet. Vielmehr ragt das wenigstens eine Federelement 9 vom ersten Element 3 in Richtung zum Magnethalter 7 hin ab. Es ist dabei in der Form einer elastisch reversibel verlagerbaren Rippe 33 ausgebildet. In anderen Worten kann die Rippe 33 verlagert bzw. verbogen bzw. verformt werden und in der Art einer Feder Energie speichern. Beim zurückverlagern bzw. zurückbiegen bzw. zurückformen wird diese gespeicherte Energie wieder freigesetzt, indem eine Kraft auf den Magnethalter 7 ausgeübt wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel bzw. Querschnitt sind zwei dieser Rippen 33 dargestellt. Die Rippen 33 üben dabei die Funktion des Federelements 9 aus, in der Art eines Rippenfederelements 93.
Die Rippen 33 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel eine „L-Form” auf, wobei auch andere Formen denkbar sind, z. B. eine „U-Form” oder eine „C-Form” oder eine „Z-Form”, um einige Möglichkeiten zu nennen.
Die Rippen 33 (im dargestellten Ausführungsbeispiel sind es zwei Rippen 33, die einander gegenüberliegen) weisen einen ersten Schenkel 33a auf, der an der Umfangswandung 37 des ersten Elements 3 befestigt ist. Der erste Schenkel 33a ragt radial nach innen von der Umfangswandung 37 in das erste Element 3 hinein ab. Am Ende des ersten Schenkels 33a ist ein zweiter Schenkel 33b angeordnet, der in Richtung des Magnethalters 7 gewandt ist und ein freies Ende 34 aufweist.
4d zeigt einen Querschnitt durch das erste Element 3 und den Magnethalter 7 aus 4c in einem zusammengefügten Zustand. Das freie Ende 34 der Rippen 33 ist in punktförmigem oder linienförmigem Kontakt mit dem Boden 71 des Magnethalters 7. Bei einer Verlagerung des Magnethalters 7 in Richtung des ersten Elements 3 wird mittels des zweiten Schenkels 33b der erste Schenkel 33a in axialer Richtung A verlagert und verspannt sich. Dadurch wird vom ersten Schenkel 33a über den zweiten Schenkel 33b und das freie Ende eine Kraft in Richtung des zweiten Elements 4 (hier nicht dargestellt) auf den Magnethalter 7 ausgeübt.
Mit anderen Worten: Falls der Magnethalter 7 weg vom zweiten Element 4 entlang der axialen Richtung A bewegt wird, also weg von seinem Bestimmungsort, dann wird eine elastische Spannung in den Rippenfederelementen 93 aufgebaut. Nimmt der in Richtung auf das erste Element 3 wirkende Druck bzw. die dahinwirkende Kraft auf den Magnethalter 7 ab, so wird die in den elastisch reversibel verspannten Rippenfederelementen 93 gespeicherte Energie freigesetzt und in eine translatorische Bewegung des Magnethalters 7 in Richtung hin zum zweiten Element 4 bzw. hin zum Aufnahmeelement 41 transformiert.
5 zeigt eine perspektivische Aufsicht auf ein erstes Element 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform. In diesem Fall sind im Unterschied zum ersten Element 3 aus 4c und 4d vier bezüglich der Umlaufrichtung U äquidistante Rippen 33 bzw. Rippenfederelemente 93 angeordnet statt nur zwei Rippen 33. Dadurch kann beispielsweise der Druck auf den Boden 71 des Magnethalters 7 gleichmäßiger verteilt werden. Auch können z. B. die Rippen 33 etwas weniger steif ausgebildet werden bzw. es kann im Vergleich zu einem ersten Element 3 mit zwei Rippen 33 eine größere Kraft auf den Magnethalter 7 ausgeübt werden. Schließlich wird durch das Vorsehen von vier Rippen 33 eine höhere Redundanz gegen einen Bruch von Rippen erzielt. Es wird auch weniger leicht zu einer Verkippung des Magnethalters 7 gegenüber den Rippen 33 kommen.
Es ist im Kontext der Anmeldung zu verstehen, dass Begriffe wie „aufweisen”, „umfassend” etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen, z. B. ist unter „ein Federelement” synonym „wenigstens ein Federelement”, unter „eine Sicherungsrippe” synonym „wenigstens eine Sicherungsrippe”, etc. zu verstehen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007037215 A1 [0002]

Claims

Stellorgan mit einem Drehwinkelsensor, der Drehwinkelsensor (2) umfassend: – ein erstes Element (3), – ein zweites Element (4), – ein Sensorelement (5), – einen Magnethalter (7), welcher einen Magneten (6) wenigstens teilweise umschließt und fixiert, wobei das erste Element (3) und das zweite Element (4) um eine sich in einer axialen Richtung (A) erstreckende Achse (8) relativ zueinander verdrehbar sind, wobei das Sensorelement (5) mit dem zweiten Element (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (7) drehfest mit dem ersten Element (3) verbunden ist und relativ zum ersten Element (3) in der axialen Richtung (A) verlagerbar ist, wobei der Magnethalter (7) mittels wenigstens eines Federelements (9, 91, 92, 93) vom ersten Element (3) in Richtung auf das zweite Element (4) hin gedrückt oder gezogen wird.
Stellorgan nach Anspruch 1, wobei am zweiten Element (4) ein Aufnahmeelement (41) zur Aufnahme des Magnethalters (7) vorgesehen ist, wobei der Magnethalter (7) mittels des wenigstens einen Federelements (9, 91, 92, 93) an das Aufnahmeelement (41) gedrückt oder gezogen wird, insbesondere wobei in axialer Richtung (A) betrachtet das Aufnahmeelement (41) zwischen dem Magnethalter (7) und dem Sensorelement (5) angeordnet ist.
Stellorgan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Federelement (9, 91, 92, 93) in der axialen Richtung (A) betrachtet zwischen dem ersten Element (3) und einem dem ersten Element zugewandten Boden (71) des Magnethalters (7) angeordnet ist.
Stellorgan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Federelement (9) als Blattfeder (91) oder als Spiralfeder oder als Schraubenfeder (92) ausgebildet ist.
Stellorgan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Federelement (9, 91, 92) ein vom ersten Element (3) und vom Magnethalter (7) separates Element ist.
Stellorgan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Federelement (9, 91, 92, 93) einstückig mit dem Boden (71) des Magnethalters (7) ausgebildet ist.
Stellorgan nach Anspruch 6, wobei das wenigstens eine Federelement (9, 91, 92, 93) vom Boden (71) des Magnethalters (7) abragt
Stellorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das wenigstens eine Federelement (9, 91, 92, 93) einstückig mit dem ersten Element (3) ausgebildet ist.
Stellorgan nach Anspruch 8, wobei das wenigstens eine Federelement (9, 91, 92, 93) vom ersten Element (3) in Richtung des Magnethalters (7) abragt.
Stellorgan nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das wenigstens eine Federelement (9) in der Form einer elastisch reversibel verlagerbaren Rippe (93) ausgebildet ist.
Stellorgan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnethalter (7) an seinem Boden (71) wenigstens ein in axialer Richtung (A) abragendes Sicherungselement (77, 78) aufweist, wobei das erste Element (3) wenigstens ein zum Sicherungselement (77, 78) komplementäres Komplementärelement (31, 31a) aufweist, wobei Sicherungselement (77, 78) und Komplementärelement (31, 3a) ineinander greifen, so dass der Magnethalter (7) entlang der Umfangsrichtung (U) am ersten Element (3) drehfest fixiert ist.
Stellorgan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stellorgan (1) gewählt ist aus der Gruppe umfassend: eine Drosselklappe (1a), ein Fahrpedal (1b), einen Aktuator, ein Abgasrückführventil.