DE19753779A1

DE19753779A1 - Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE19753779A1
Application number: DE1997153779
Authority: DE
Inventors: Asta Reichl; Thomas Klotzbuecher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1999-06-10

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßvorrichtung zur berüh rungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der nachveröffentlichten DE-OS 196 34 281.3 (zum Beispiel Fig. 12) ist ein Sensor bekannt, der in drei Ebenen übereinander ausgebildet ist. Der Rotor bildet hier bei die mittlere Ebene und besteht aus der Trägerplatte für einen Permanentmagneten. Aufgrund des Magnetfeldes des Per manentmagneten ergeben sich zu den beiden als Stator dienen den, aus magnetisch leitendem Material bestehenden Platten, unterschiedliche magnetische Anziehungskräfte. Diese können zu einem Axialspiel der Rotorlagerung führen und somit das Meßergebnis negativ beeinflussen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung zur berührungslosen Er fassung eines Drehwinkels mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß ein nahezu kraftfreier Magnetkreis im Sensor erzeugt wird, der eine axialspielfreie Rotorlagerung bewirkt. Dadurch wird die La gerung des Rotors relativ leichtgängig. Die Halterung des Stators, der Trägerplatte und des Magneten wird kaum be lastet. Bei axial empfindlichen Sensoren ergeben sich da durch geringere Meßfehler. Die Auflagekraft des Rotors auf der Welle kann somit eingestellt werden. Die Anlageflächen des Rotors auf seiner Auflage sind so bestimmbar, daß ein möglichst geringer Reibungswiderstand entsteht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An spruch 1 angegebenen Meßvorrichtung möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Aus führungsbeispiel und die Fig. 2 eine Draufsicht auf den Stator.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der mit Hilfe einer Achse 11 mit einem nicht dargestellten Bauteil verbun den ist, dessen Drehbewegung bestimmt werden soll. Der Sen sor 10 selbst ist in einem Gehäuse 12 angeordnet, das Teil eines Pedalwertgebers ist. Das Gehäuse 12 kann zum Beispiel aus Kunststoff bestehen. Um den Sensor 10 in das Gehäuse 12 einbauen zu können, weist es eine Öffnung auf, die von einem Deckel 13 verschlossen ist. Auf der Stirnseite der Achse 11 ist mittig eine Trägerplatte 15 aufgesetzt, die als Rotor dient. Die Achse 11 und die Trägerplatte 15 können sowohl als Einzelbauteil oder auch als einziges gesamtes Bauteil hergestellt sein. Auf der Trägerplatte 15 ist möglichst mit großem radialen Abstand vom Mittelpunkt, d. h. vom Ansatzpunkt der Achse 11, ein ringförmiger Permanentmagnet 16 angeordnet. Je größer der Abstand ist, desto besser ist die Auflösung des Meßsignals. Der Permanentmagnet 16 ist mit Hilfe eines Distanzstücks 17 aus magnetisch nicht leitendem Material auf der Trägerplatte 15 befestigt. Dadurch entsteht zwischen dem Permanentmagneten 16 und der Trägerplatte 15 ein Abstand L1. Das Distanzstück 17 kann eine Kunststoffumspritzung der Trägerplatte 15 sein. Der Permanentmagnet 16 selbst kann als Kreisausschnitt 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. Beträgt der Winkelbereich des Permanentmagneten 16 zum Beispiel 180 Grad, so kann ein zu messender Drehwinkel von 180 Grad erreicht werden. Der Permanentmagnet 16 ist ferner in Achsrichtung, d. h. senkrecht zur Trägerplatte 15 bzw. parallel zur Richtung der Achse 11 polarisiert. Die Trägerplatte 15 besteht aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Material. Ferner besteht auch die Achse 11 oder zumindest ihr der Trägerplatte 15 zugewandtes Ende auch aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Material.

In einer zweiten Ebene unter dem Permanentmagneten 16 ist parallel zur Trägerplatte 15 ein Stator angeordnet, der in der Fig. 2 näher dargestellt ist. Der Stator 20 weist zum Permanentmagneten 16 hin einen Abstand L2 auf. Der Stator 20 besteht aus zwei Segmenten 26, 27, wobei das Segment 27 einen Bogen 29 aufweist, mit dem es die Achse 11 umschließt. Im Ausführungsbeispiel ist der Bogen 29 als Kreisbogen aus gebildet. Es ist aber auch eine andere Kontur denkbar. We sentlich dabei ist aber, daß ein magnetisch leitender Fluß zwischen dem Kreisbogen 29, d. h. dem Segment 27 und der Achse 11 möglich ist. Die Achse 11 ist zumindest im Bereich zwischen dem Rotor und dem Stator aus magnetisch leitendem Material hergestellt. Ein magnetischer Rückfluß wäre auch über zusätzliche Rückflußstücke denkbar. Zwischen den beiden Segmenten 26, 27 ist ein durchgehender Spalt ausgebildet, der zwei gleich ausgebildete äußere Abschnitte 31 und einen mittigen, im Bereich des Bogens 29 befindlichen Distanzab schnitt 32 aufweist. Beim Distanzspalt 32 ist es wichtig, daß zwischen den Segmenten 26 und 27, d. h. im Bereich des Bogens 29, kein magnetischer Fluß der vom Permanentmagneten 16 erzeugten Magnetlinien möglich ist. Der Distanzabschnitt 32 kann deshalb mit Luft oder einem anderen magnetisch nicht leitenden Material ausgefüllt sein. Der Distanzabschnitt ist im Verhältnis zum Abschnitt 31 des Spalts größer ausgebil det, um diesen obengenannten Effekt zu erreichen. Im Aus führungsbeispiel ist der Distanzabschnitt 32 mit der das Ge häuse bildenden Kunststoffmasse gefüllt, die gleichzeitig auch den Stator 20 mitumgreift und als zusätzliche Auflage fläche A1 für die Trägerplatte 15 dient. Diese Kunststoff masse liegt auch mit einer Auflagefläche A2 auf einem Ge häuseteil auf. Sowohl im Bereich der Auflagefläche A1 als auch A2 soll ein möglichst geringer Reibungswiderstand er reicht werden. Im Abschnitt 31 des Spalts ist etwa mittig ein magnetfeldempfindliches Element 35, wie zum Beispiel Feldplatte, Spulen, Magnettransistor, magnetoresistives Ele ment oder ein Hallelement angeordnet. Wichtig hierbei ist, daß das magnetfeldempfindliche Element eine möglichst lineare Abhängigkeit seines Ausgangssignals von der magneti schen Induktion B aufweist. In der Fig. 2 ist eine Messung mit Hilfe eines einzigen magnetfeldempfindlichen Elements 35, eines Hallelements, dargestellt. In diesem Fall muß das Element 35 möglichst mittig im Spalt 31 angeordnet sein. Hingegen wäre es auch möglich, zum Beispiel jeweils ein Ele ment 35 in beiden Abschnitten 31 des Spalts anzuordnen, um zum Beispiel eine redundante Messung (Sicherheitsmessung) durchführen zu können. Auch wäre es denkbar, in einem Ab schnitt 31 des Spalts zwei Elemente 35 anzuordnen.

Abhängig von der Drehbewegung der als Rotor dienenden Trä gerplatte 15 und somit des Permanentmagneten 16 wird die Größe der das Element 35 durchströmenden Magnetlinien verän dert. Da der Stator 20 und die Trägerplatte 15 aus magne tisch leitendem Material bestehen, werden vom in Achsrich tung polarisierten Permanentmagneten magnetische Kräfte so wohl auf die Trägerplatte 15 als auch auf den Stator 20 aus geübt. Die jeweils wirkende magnetische Kraft F ist unter anderem abhängig von der Größe des jeweiligen Abstandes L1 bzw. L2. Ist die auf den Rotor ausgeübte magnetische Kraft nicht genauso groß wie die auf den Stator ausgeübte magne tische Kraft, so kann es zu einer geringen Taumelbewegung der Trägerplatte 15 kommen. Diese Bewegung kann zu Meß fehlern führen. Deshalb ist es notwendig, daß die vom Perma nentmagneten 16 ausgehende magnetische Kraft F sowohl auf den Stator als auch auf den Rotor gleich groß ist, d. h. F_Stator = F_Rotor. Dies bedeutet, daß die beiden Abstände L1 bzw. L2, abhängig vom weichmagnetischen Material und vom Vo lumen der Trägerplatte und des Stators so ausgelegt werden müssen, daß die jeweils wirkende magnetische Kraft F_Stator = F_Rotor ist. In einfacher Weise kann dies durch Vergrößern oder Verkleinern des Abstandes L1 bzw. des Abstands L2 er folgen. Durch diese Variation des Abstandes L1 kann ein in seiner Größe und Richtung bestimmter magnetischer Kraftfluß erzeugt werden, der eine axialspielfreie Lagerung der Trägerplatte 15 ermöglicht.

Bei Verwendung einer möglichst homogenen aufmagnetisierten Permanentmagneten 16 und gleicher Dicke sowohl des Stators 20 als auch der als Rotor dienenden Trägerplatte 15 sind die Abstände L1 und L2 gleich groß. Ist hingegen z. B. der Stator 20 doppelt so dick wie die Trägerplatte 15, so muß der Ab stand L2 größer als der Abstand L1, hier z. B. doppelt so groß sein.

Der Stator kann auch aus zwei anders geformten Segmenten be stehen. Der Spalt, in dem sich das magnetfeldempfindliche Element befindet, könnte auch mittig durchlaufen, so daß zwei gleich große Segmente vorhanden sind. Wesentlich ist ein Aufbau des Rotors und des Stators in zwei Ebenen, zwischen denen der Permanentmagnet 16 angeordnet ist. Die Polarisierungsrichtung des Permanentmagneten 16 ist axial, d. h. parallel zur Achse ausgerichtet.

Claims

1. Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Dreh winkels α zwischen einem Stator (20) und einem Rotor (15), wobei auf dem Rotor (15) ein Permanentmagnet (16) angeordnet ist, wobei sich in mindestens einem Spalt (31) mindestens ein magnetfeldempfindliches Element (35) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) zum Rotor (15) hin einen Abstand L1 aufweist, der mit elektrisch nicht lei tendem Material gefüllt ist, daß der Permanentmagnet (16) zum Stator (20) hin einen Abstand (L2) aufweist und daß die beiden Abstände (L1 und L2) so aufeinander abgestimmt sind, daß die vom Permanentmagneten (16) auf den Rotor (15) wir kende magnetische Kraft nahezu gleich groß der auf den Sta tor (20) wirkenden magnetischen Kraft ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) mindestens im Bereich zwischen dem Stator (20) und dem Rotor (15), der Stator (20) und der Rotor (15) aus magnetisch leitendem Material besteht.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) mit Hilfe eines Elements (17) aus magnetisch nicht leitendem Material an dem Rotor (15) befestigt ist und der Abstand (L1) der Dicke des Elements (17) entspricht.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (20) aus mindestens zwei Teilen (26, 27) besteht, die durch mindestens einen magne tisch nicht leitenden Spalt (31, 32) getrennt sind und wobei sich in mindestens einem Spalt (31) mindestens ein magnet feldempfindliches Element (35) befindet.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (26) des Stators (20) keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (15) aufweist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erster Spalt (32) zwischen den beiden Teilen (26, 27) des Stators (20) vorhan den ist, der den Magnetfluß des Permanentmagneten (16) be hindert und so steuert, daß er über mindestens einen der an deren Spalte (31) verläuft.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Polarisierung des Per manentmagneten (16) senkrecht zum Rotor (15) bzw. zum Stator (20) verläuft.