Stand der TechnikState of the art
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.The invention relates to a measuring device for contactless detection of an angle of rotation according to the preamble of claim 1. From the subsequently published DE-OS 196 34 281.3 (for example Fig. 12) a sensor is known which is formed in three levels one above the other. The rotor forms the middle level and consists of the carrier plate for a permanent magnet. Due to the magnetic field of the permanent magnet, the two stator plates, made of magnetically conductive material, have different magnetic attractive forces. These can lead to axial play in the rotor bearing and thus negatively influence the measurement result.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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.The measuring device according to the invention for contactless He
setting of an angle of rotation with the characteristic features
of claim 1 has the advantage that an almost
force-free magnetic circuit is generated in the sensor, the one
causes axial play free rotor bearing. This will make the La
rotor is relatively easy to move. The bracket of the
Stator, the carrier plate and the magnet is hardly be
burdens. With axially sensitive sensors, this results in
due to lower measurement errors. The contact force of the rotor
the shaft can thus be adjusted. The investment areas
of the rotor on its support can be determined so that a
the lowest possible frictional resistance.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An
spruch 1 angegebenen Meßvorrichtung möglich.By the measures listed in the subclaims
advantageous training and improvements in the on
Say 1 specified measuring device possible.
Zeichnungdrawing
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.An embodiment of the invention is shown in the drawing and in the following description he explains. Fig. 1 shows a section through an exemplary embodiment and Fig. 2 is a plan view of the stator.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
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 Fig. 1, 10 denotes a sensor which is verbun with the help of an axis 11 with a component, not shown, whose rotational movement is to be determined. The sensor 10 itself is arranged in a housing 12 which is part of a pedal value transmitter. The housing 12 can be made of plastic, for example. In order to be able to install the sensor 10 in the housing 12 , it has an opening which is closed by a cover 13 . A support plate 15 , which serves as a rotor, is placed in the center on the end face of the axis 11 . The axis 11 and the carrier plate 15 can be produced both as a single component or as a single entire component. An annular permanent magnet 16 is arranged on the carrier plate 15 as far as possible with a large radial distance from the center, ie from the starting point of the axis 11 . The larger the distance, the better the resolution of the measurement signal. The permanent magnet 16 is fastened on the carrier plate 15 with the aid of a spacer 17 made of magnetically non-conductive material. This creates a distance L1 between the permanent magnet 16 and the carrier plate 15 . The spacer 17 can be a plastic encapsulation of the carrier plate 15 . The permanent magnet 16 itself can be designed as a circular section 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. If the angular range of the permanent magnet 16 is, for example, 180 degrees, a rotation angle of 180 degrees to be measured can be achieved. The permanent magnet 16 is also polarized in the axial direction, ie perpendicular to the carrier plate 15 or parallel to the direction of the axis 11 . The carrier plate 15 consists of magnetically conductive, in particular soft magnetic material. Furthermore, the axis 11 or at least its end facing the carrier plate 15 also consists of magnetically conductive, in particular soft magnetic 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.
In a second plane below the permanent magnet 16 , a stator is arranged parallel to the carrier plate 15 , which is shown in more detail in FIG. 2. The stator 20 is at a distance L2 from the permanent magnet 16 . The stator 20 consists of two segments 26 , 27 , the segment 27 having an arc 29 with which it surrounds the axis 11 . In the exemplary embodiment, the arc 29 is formed as a circular arc. However, a different contour is also conceivable. However, it is important that a magnetically conductive flux between the circular arc 29 , ie the segment 27 and the axis 11, is possible. The axis 11 is made of magnetically conductive material at least in the area between the rotor and the stator. A magnetic reflux would also be conceivable via additional reflux pieces. A continuous gap is formed between the two segments 26 , 27 , which has two identical outer sections 31 and a central section 32 located in the region of the arc 29 . With the spacing gap 32 it is important that between the segments 26 and 27 , ie in the area of the arc 29 , no magnetic flux of the magnetic lines generated by the permanent magnet 16 is possible. The spacer section 32 can therefore be filled with air or another magnetically non-conductive material. The distance section is designed to be larger in relation to section 31 of the gap in order to achieve the above-mentioned effect. In the exemplary embodiment, the spacer section 32 is filled with the plastic compound forming the housing, which at the same time also grips the stator 20 and serves as an additional support surface A1 for the carrier plate 15 . This plastic mass is also with a support surface A2 on a Ge housing part. Both in the area of the bearing surface A1 and A2, the lowest possible frictional resistance should be sufficient. In section 31 of the gap, a magnetic field-sensitive element 35 , such as a field plate, coils, magnetic transistor, magnetoresistive element or a Hall element, is arranged approximately in the center. It is important here that the magnetic field-sensitive element has a linear dependence of its output signal on the magnetic induction B. In FIG. 2 is a measurement by means of a single magnetic field-sensitive element 35, a Hall element, is shown. In this case, the element 35 must be arranged as centrally as possible in the gap 31 . On the other hand, it would also be possible, for example, to arrange an element 35 in each of the two sections 31 of the gap, for example in order to be able to carry out a redundant measurement (safety measurement). It would also be conceivable to arrange two elements 35 in a section 31 of the gap.
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.
FStator = FRotor. 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 FStator =
FRotor 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.Depending on the rotational movement of the serving as rotor Trä gerplatte 15 and thus the permanent magnet 16 , the size of the magnetic lines flowing through the element 35 is changed. Since the stator 20 and the carrier plate 15 are made of magnetically conductive material, magnetic forces are exerted on the carrier plate 15 and on the stator 20 from the permanent magnet polarized device in the axial direction. The respectively acting magnetic force F depends, among other things, on the size of the respective distance L1 or L2. If the magnetic force exerted on the rotor is not as large as the magnetic force exerted on the stator, there may be a slight wobbling movement of the carrier plate 15 . This movement can lead to measurement errors. It is therefore necessary that the magnetic force F emanating from the permanent magnet 16 on both the stator and the rotor is the same, ie F stator = F rotor . This means that the two distances L1 and L2, depending on the soft magnetic material and on the volume of the carrier plate and the stator, must be designed such that the magnetic force acting in each case F stator = F rotor . In a simple manner, this can be done by increasing or decreasing the distance L1 or the distance L2. Through this variation of the distance L1, a magnetic force flow determined in terms of its size and direction can be generated, which enables the support plate 15 to be supported without axial play.
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.
When using a magnetized permanent magnet 16 that is as homogeneous as possible and having the same thickness of both the stator 20 and the carrier plate 15 serving as a rotor, the distances L1 and L2 are the same. However, if B. the stator 20 twice as thick as the support plate 15 , the Ab stood L2 greater than the distance L1, here z. B. be twice as large.
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.The stator can also be made up of two differently shaped segments. The gap in which the magnetic field-sensitive element is located could also pass through in the middle, so that there are two segments of equal size. What is essential is a construction of the rotor and the stator in two planes, between which the permanent magnet 16 is arranged. The direction of polarization of the permanent magnet 16 is aligned axially, ie parallel to the axis.