DE4018187A1 - Induktiver winkelsensor zur bestimmung der drehung einer welle - Google Patents
Induktiver winkelsensor zur bestimmung der drehung einer welleInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem induktiven Winkelsensor zur Bestim
mung der Drehung einer Welle nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Bei einem aus der DE-OS 28 36 001.1 bekannten Winkelsensor sind auf
einer Welle zwei beliebig geformte Kurzschlußplatten angeordnet, die
zwischen den Schenkeln eines E-förmigen Kerns bewegt werden. Dieser
Winkelsensor baut aber relativ sperrig. Die Kurzschlußplatten sind
auf eine Drehbewegung von 360° abgestimmt und liefern somit ein sich
alle 360° wiederholendes Meßsignal. Da bei Lenkungen zwischen den
maximalen Stellungen der Räder aber mehrere Umdrehungen der Lenksäu
le vorgesehen sind, ist eine genaue Zuordnung des Meßsignals zu ei
ner bestimmten Umdrehung nur schwer möglich.
Der erfindungsgemäße induktive Winkelsensor mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sen
sor sehr klein und kompakt baut. Sein Zusammenbau und seine Befesti
gung an der Lenksäule sind in sehr einfacher Weise möglich.
Das Grob- und das Feinsignal werden nahezu an der gleichen Stelle
ohne Zwischengestänge abgegriffen. Da keine zusatzlichen Übertra
gungselemente benötigt werden, ist zum Beispiel das Feinsignal
spielfrei. Das die Drehbewegung an der Lenksäule mechanisch abgrei
fende Element betätigt sowohl den Grob- als auch den Feinsignalge
ber. Über den gesamten Drehbereich der Lenksäule, nicht nur über ei
nen Drehbereich von 360°, ist eine hohe Genauigkeit und Zuordnung
der Meßsignale möglich. Durch die Trennung in ein Grob- und ein
Feinsignal braucht das elektrische Signal nur mit mittlerer Auflö
sung erfaßt zu werden. Dadurch ist die Übertragung des Signals im
Fahrzeug nicht besonders störempfindlich, und im Falle spannungsana
loger Signalausgabe ist der Einsatz von in Kraftfahrzeugen üblichen,
preisgünstigen Analog-Digital-Wandlern möglich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Winkelsen
sors möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen an einer Lenksäule angeord
neten Winkelsensor, wobei der Schnitt in Richtung I-I nach Fig. 2
verläuft, Fig. 2 einen Längsschnitt in Richtung II-II nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine Einzelheit in Richtung III-III
nach Fig. 2 und Fig. 4 eine Darstellung einer Einzelheit.
In Fig. 1 ist mit 10 das Teil eines Sensorgehäuses bezeichnet, das
auf die Lenksäule eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs ge
schoben ist. Zum Abgriff eines Meßsignals ist auf dem Teil 10 ein
Abgriffselement 12 befestigt. Das Abgriffselement 12 ist Teil eines
induktiven Winkelsensors 13, der in einem den Winkelsensor 13 um
greifenden Gehäuse 14 angeordnet ist. Mit Hilfe eines Flansches 15
ist das Abgriffselement 12 drehfest auf dem Teil 10 befestigt. Das
Abgriffselement 12 ist ferner topfförmig ausgebildet, das heißt, auf
einer Grundplatte 16 sind zwei unterschiedliche Radien aufweisende
Fortsätze 17, 18 ausgebildet, die senkrecht zur Grundplatte 16 ver
laufen. Wie aus der Fig. 4 näher ersichtlich ist, ist der äußere
Fortsatz 17 so ausgebildet, daß er an einer Stelle 21 seine maximale
Länge und an der diametral gegenüberliegenden Seite, das heißt, um
einen Winkelbereich von 180° verdreht, eine Stelle 22 mit der mini
malsten Länge aufweist. Zwischen den beiden Stellen 21 bzw. 22 nimmt
die Länge des Fortsatzes 17 kontinuierlich ab bzw. zu. Es ergeben
sich so zwei spiegelbildlich gleiche Bereiche des Fortsatzes 17. Der
Fortsatz 18 ist gegensinnig zum Fortsatz 17 ausgebildet, was bedeu
tet, daß sich seine Stelle 24 mit der minimalsten Länge im Bereich
der Stelle 21 und seine Stelle 25 mit der maximalsten Länge im Be
reich der Stelle 22 befindet. Die Stellen 21, 22, 24, 25 sind auf
konzentrischen Kreisringen angeordnet. Somit ist dem Bereich des
Fortsatzes 17 mit einem ansteigenden Kurvenverlauf ein Bereich des
Fortsatzes 18 mit einem abnehmenden Kurvenverlauf zugeordnet.
Die Fortsätze 17, 18 ragen zwischen die Schenkel 30, 31, 32 eines
E-förmigen Kerns 33 des induktiven Winkelgebers 13. Auf den beiden
äußeren Schenkeln 30, 32 befindet sich je eine Meßspule 34, 35.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, sind im Gehäuse 14 zwei um 90°
versetzte Kerne 33 angeordnet, die beide gleich ausgebildet sind.
Die Kerne 33 sind auf einem als Gehäusetrennwand ausgebildeten Trä
ger 36 befestigt, so daß die Kerne 33 ortsfest sind. Auf der den
Kernen 33 abgewandten Seite des Trägers 36 ist eine nicht näher dar
gestellte Auswerteelektronik 37 für den Winkelsensor 13 angeordnet.
Zwischen dem Träger 36 und dem Flansch 15 des Abgriffselements 12
ist auf dem Teil 10 ein Gewinde 38 ausgebildet. Dieses Teil 10 ist
drehfest auf der Lenksäule befestigt. Auf das Gewinde 38 ist eine
Mutter 39 aufgeschraubt, an der sich an einer Stelle als Fortsatz
ein Kurzschlußring 40 befindet. Durch die Öffnung 41 des Kurzschluß
rings 40 ragt der mittlere Schenkel eines E-Kerns 42 mit einer Meß
spule 43 eines zweiten Induktivsensors 44, der ebenfalls am Trä
ger 36 ortsfest befestigt ist.
In der Fig. 3 ist beispielhaft die Führung 45 des Kurzschluß
rings 40 näher dargestellt. Hierzu ist am Träger 36 ein Zapfen 46
angeordnet, der in eine in der Mutter 39 ausgebildete Bohrung 47
ragt. Der Zapfen 46 gleitet dabei möglichst reibungsarm in der Boh
rung 47.
Die Lenksäule und somit das Teil 10 und der Winkelsensor 13 führen
dieselbe Drehbewegung aus. Dabei wird vom Induktivgeber 44 ein über
den gesamten Drehbereich eindeutiges Meßsignal erzeugt. In der Aus
gangsstellung, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, befindet sich
der Kurzschlußring 40 etwa in der Mitte der Länge des Schenkels des
E-Kerns 42 und kann in beide Drehrichtungen z. B. um ± 2 Umdrehun
gen der Lenksäule ausgelenkt werden. Dieser Drehbereich ist der
normale, bei Lenkungen angestrebte Drehwinkel. Der Kurzschlußring 40
besteht in bekannter Weise aus unmagnetischem, aber aus elektrisch
leitfähigem Material, z. B. Kupfer oder Aluminium. Die Spule 43 auf
dem Kern 42 erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Der Kurzschluß
ring 40 stellt dabei eine Kurzschlußwindung dar, durch die das mag
netische Wechselfeld nicht hindurchtreten kann. Der magnetische Ge
samtfluß wird dadurch in guter Näherung proportional zur Stellung
des Kurzschlußrings 40 begrenzt, so daß durch die Verschiebung des
Kurzschlußrings auf dem Schenkel die Induktivität der Spule 43 geän
dert wird. Das vom Induktivgeber 44 erzeugte Meßsignal verläuft so
mit im optimalen Zustand von z. B. -2 bis +2 Umdrehungen der Lenk
säule kontinuierlich linear. Dieses Signal wird gewöhnlich als Grob
signal bezeichnet, da mit ihm auf die jeweilige Stellung der Lenk
säule innerhalb des Drehbereichs geschlossen werden kann.
Mit Hilfe der beiden Kerne 33 werden zwei sogenannte Feinsignale er
zeugt, die sich über den gesamten Drehbereich von -2 bis +2 Umdre
hungen mehrmals wiederholt. Dadurch wird eine Auflösung des gesamten
Meßbereichs in mehrere Bereiche ermöglicht, um eine gute Genauigkeit
des Meßsignals zu erreichen. Im folgenden wird die Meßsignalerzeu
gung nur mit Hilfe eines der beiden Kerne 33 erläutert. Werden die
Fortsätze 17, 18 des Abgriffselements 12 während der Drehbewegung
der Lenksäule 10 zwischen den Schenkeln 30, 31, 32 des Kerns 33 hin
durchbewegt, und sind die Meßspulen 34, 35 von einem Wechselstrom
durchflossen, so werden in den Fortsätzen 17, 18 Wirbelströme indu
ziert. Dadurch wird das Magnetfeld der Meßspulen 34, 35 entsprechend
der Form der Fortsätze 17, 18 in seiner Ausbreitung begrenzt und da
durch die Induktivität der Meßspulen 34, 35 verändert. Die Indukti
vität wird als Maß für die jeweilige Eintauchtiefe der Fortsät
ze 17, 18, das heißt, der ausgeführten Drehbewegung in einer nachge
schalteten, nicht dargestellten Elektronik ausgewertet. Durch die
gegenläufig ausgebildete Form der beiden Fortsätze 17, 18 wird in
den beiden Meßspulen 34, 35 ebenfalls ein gegensinniges Meßsignal
erzeugt, wobei aber die betragsmäßige Änderung gleich ist. Dadurch
kann in einer nachgeschalteten Elektronik eine differenzielle Aus
wertung des Meßsignals vorgenommen werden. Bei der differentiellen
Auswertung ist es möglich, auftretende Meßfehler zu minimieren, die
zum Beispiel durch Temperaturschwankungen auftreten oder durch axia
le Schwankungen der Fortsätze zwischen den Schenkeln bewirkt werden.
Ferner wird dadurch auch das Meßsignal verdoppelt. Der Signalverlauf
ist dabei so, daß das Feinsignal bis zu einer Drehung von 180° an
steigt und anschließend mit negativer Steigung weiterläuft. Mit Hil
fe des zweiten Kerns 32, der z. B. um 90° zum anderen Kern versetzt
ist, wird ein zweites Feinsignal erzeugt. Durch diesen zweiten
Kern 32 hindurch werden ebenfalls die Fortsätze 17, 18 bewegt, so
daß man ein zweites Meßsignal erhält, das um z. B. 90° versetzt ist.
Dieses zweite Meßsignal ist notwendig, um im Bereich der Stel
len 21, 22, 24, 25 entstehende Totpunkte kompensieren zu können. Ab
hängig von der Breite der Stelle 21, 22, 24, 25 und der Breite der
Kerne 33 erhält man in diesem Bereich keine genaue Spitze, sondern
ein abgeflachtes Meßsignal. Mit Hilfe des zweiten Feinsignals ist
somit eine Hilfsfunktion und eine Sicherheitsfunktion möglich, um
diese Totpunkte überbrücken zu können. Aufgrund der rechnerischen
Zuordnung der beiden Feinsignale und des Grobsignals ist somit eine
genaue Bestimmung der Winkelstellung der Lenksäule möglich.
Die Ausbildung des Abgriffselements und somit der Verlauf des Fein
signals, ist nicht auf die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Form
beschränkt. Mit dieser Ausbildung ist vielmehr ein dreieckiger Sig
nalverlauf möglich, der sich bei einer Drehung um 360° zyklisch wie
derholt. Durch Änderung der Länge der Fortsätze 17, 18 und durch ei
ne beliebige Ausgestaltung der Stirnflächen der Fortsätze 17, 18 ist
jeder beliebige Kurvenverlauf des Feinsignals möglich. Es kann zum
Beispiel auch ein sägezahnförmiger Feinsignalverlauf realisiert wer
den oder ebenso einfach ist eine Linearisierung möglich.
Claims (9)
1. Induktiver Winkelsensor (13) zur Bestimmung der Drehung einer
Welle, insbesondere der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, mit wenig
stens einer auf wenigstens einem insbesondere E-förmigen Kern aus
weichmagnetischem Material aufgebrachten Spule (34, 35) und einer
zwischen den Schenkeln des Kerns (33) verschiebbaren, aus unmagne
tischem elektrisch leitfähigem Material bestehenden Kurzschlußkör
peranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines er
sten, den gesamten Drehbereich der Welle (10) abgreifenden Meßsig
nals ein Kurzschlußring (40) axial zur Welle (10) und relativ zu
einem Kern (42) mit Meßspule (43) bewegt wird, und daß zur Erzeugung
mindestens eines zweiten Meßsignals eine Kurzschlußkörperanordnung
mindestens zwei jeweils topfförmig an einem Grundkörper (16) ausge
bildete, zwischen die Schenkel (30, 31, 32) mindestens eines
E-Kerns (33) ragenden Fortsätze (17, 18) aufweist, und daß die Fort
sätze (17, 18) einen gegensinnigen Verlauf haben.
2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kurzschlußring (40) an einem Bauteil (39) befestigt ist, das in
einer in der Welle (10) ausgebildeten, wendelförmig verlaufenden
Bahn (38) gleitet.
3. Winkelsensor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Fortsätze (17, 18) kontinuierlich über einen Win
kel von 360° abnimmt.
4. Winkelsensor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Fortsätze (17, 18) über einen Winkel von 180° kon
tinuerlich abnehmen und die beiden Fortsätze (17, 18) jeweils in
sich spiegelbildlich ausgebildet sind.
5. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Fortsätze (17, 18) einen gegensinnigen Ver
lauf haben.
6. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf den beiden äußeren Schenkeln (30, 32) des
E-Kerns (33) mindestens je eine Spule (34, 35) angeordnet ist.
7. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf dem mittleren Schenkel (31) des E-Kerns (33) min
destens eine Spule angeordnet ist.
8. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwei E-förmige Kerne (33), die um z. B. 90° zueinander
versetzt sind, ortsfest an einem Träger (26) angeordnet sind.
9. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kurzschlußring (40) mit Hilfe eines ortsfest an
geordneten Führungszapfen (46) geführt ist.
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Country Status (3)
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EP (1) | EP0460417A1 (de) |
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