DE4243022A1 - Meßeinrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer aus der DE-OS 41 22 478.7 bekannten Meßeinrichtung wird in einem Spulen­ körper ein Rotor bewegt. Der Rotor besteht aus zwei in axialer Rich­ tung versetzten Bereichen, so daß die Bereiche während der Drehbe­ wegung gegenüber der ihnen zugeordneten Spulen jeweils den Abstand in Abhängigkeit von dem Drehwinkel verändern. Zur Meßsignalerzeugung ist es aber notwendig, daß die Spulen in einem Teilbereich mit Hilfe eines Abschirmblechs abgedeckt sind. Bei dieser Meßeinrichtung können zwar durch parallele Verschiebungen in Achsrichtung, d. h. in der sog. z-Richtung keine Meßfehler auftreten, aber eventuell auf­ tretende Schwankungen zwischen dem Rotor und der Oberfläche der Meß­ spulen, d. h. in den übrigen Richtungen erzeugen Meßfehler.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Meßsignal frei von Fehlern durch in allen drei Richtungen auftretende Schwankungen des Abstands zwischen dem Rotor und der Oberfläche der Spulen ist.

Die Kompensation findet bereits in der jeweiligen Spule selbst statt, so daß keine zusätzliche, aufwendige Auswerteschaltung hierzu notwendig ist. Durch die lange Ausbildung der Achse des Rotors können in der x- und in der y-Achse keine durch eine Kippung auf­ tretende Verkantung entstehen. Da der Rotor keine eigene Lagerung mehr aufzuweisen braucht, ergibt sich ein großer Kostenvorteil. Man erhält zwei nahezu exakte lineare Meßbereiche, die jeweils einen Be­ reich von über 120° ermöglichen. Dieser Winkelbereich ist insbeson­ dere für die Bestimmung des Drosselklappenwinkels bei Benzinein­ spritzungen notwendig. Das Meßsignal ist somit sowohl tempera­ tur- und auch von einem Versatz in jeglicher Achsrichtung unabhangig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Meßeinrich­ tung möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung des Rotors und der Spulen, wobei der Spulenkörper und die Welle aus Übersichtlich­ keitsgründen nicht eingezeichnet sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der aus einem Rotor 11 und zwei Spulen 12, 13 besteht. Die Spulen 12, 13 sind auf einem aus Übersichtlichkeitsgründen in der Figur nicht dargestellten Spu­ lenkörper aufgewickelt. Der Spulenkörper hat eine hülsenförmige Form und besteht aus elektrisch nicht leitendem Material. Der Rotor 11 hat in Achsrichtung, die in der Figur als z-Richtung bezeichnet ist, eine Bohrung 15 durch die eine Welle ragt, deren Drehbewegung bestimmt werden soll. Die Welle ist ebenfalls aus Übersichtlich­ keitsgründen in der Figur nicht dargestellt. Um eine drehfeste Ver­ bindung zwischen der Welle und dem Rotor 11 zu ermöglichen, hat die Bohrung 15 an einer Seite eine Abflachung 16. Die Welle kann aber auch mit einem nicht dargestellten Bauteil verbunden sein, so daß die Drehbewegung dieses Bauteils ermittelt wird.

Die beiden in axialer Richtung versetzt angeordneten Kerne 19, 20 des Rotors 11 weisen im Querschnitt gesehen annähernd halbkreisför­ mige Form oder ungefähr D-förmige Form auf. Es sind aber auch andere Kernformen denkbar. Wichtig dabei ist aber, daß die Kerne des Rotors 11 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Bedingt durch die Bohrung 15 mit der dort angeordneten Welle umgreifen die Kerne 19, 20 jeweils die Welle bzw. die Bohrung 15. Ferner sind die beiden Kerne 19, 20 um 180° in radialer Richtung zueinander versetzt ange­ ordnet, so daß bei der D-förmigen Ausgestaltung der Kerne 19, 20 die jeweils nur gering gebogene Wand die Achse des Rotors 11 mit um­ greift. Somit sind die kreisförmig gebogenen Mantelflächen der bei­ den Kerne 19, 20 jeweils den gegenüberliegenden Seiten zugewandt. Der Rotor 11 selbst besteht aus einem elektrisch leitendem (ferro­ magnetisch und/oder nicht ferromagnetischem Stoff) oder aus ferro­ magnetischem Stoff. Hierbei kann sowohl der Rotor 11 als Voll­ körper aus den oben erwähnten Materialien bestehen oder auch nur eine äußere Schicht, d. h. die den Spulen zugewandte Oberfläche, kann aus diesen Materialien bestehen. Zum Beispiel würde dann die kreis­ förmige Mantelfläche der Rotoren diese Beschichtung aufweisen.

Auf der Innenseite eines in der Figur nicht dargestellten Spulen­ körpers, der eine in etwa hülsenförmige Figur hat und den Rotor 11 in seiner Achsrichtung umgreift, sind zwei Spulen 12, 13 angeordnet. Die Spulen 12, 13 sind dabei so angeordnet, daß sie jeweils mit beiden Kernen 19, 20 in Wirkverbindung stehen.

Selbstverständlich können auch mehrere Spulen verwendet werden, die dann in einer Reihenschaltung miteinander verschaltet sind. Die Spulen 12 bzw. 13 umgreifen dabei den einen Kern 19 bzw. 20 um ca. 180° und den anderen Kern auf der gegenüberliegenden Seite ebenfalls um 180°. Da die beiden Kerne 19, 20 die Bohrung 15 umschließen, er­ gibt sich ein in radialer Richtung gesehener Überlappungsbereich 25 der beiden Kerne. Für die Funktion ist der Überlappungsbereich nicht zwingend notwendig; ein Spalt zwischen den Kernen ist aber zu ver­ meiden. In diesen Überlappungsbereich 25 wird die Spule 12 von einem Kern 19 zum andern Kern 20 geführt bzw. auf dem anderen diametral gegenüberliegenden Überlappungsbereich wieder vom einen Kern 20 zum anderen Kern 19 zurückgeführt. Dadurch ergibt sich eine etwa stu­ fenförmig gewickelte Spule. Für die andere Spule ergibt sich eine Wicklung ebenfalls in obengenanntem Sinn, wobei in der in der Figur dargestellten Stellung die Spule 13 jeweils der Rückseite der Kerne zugewandt ist und ebenfalls im Überlappungsbereich 25 vom einen Kern 19, 20 zum anderen Kern 19, 20 geführt wird. Selbstverständlich dür­ fen die beiden Spulen 12, 13 im Überlappungsbereich 25 nicht direkt elektrisch verbunden sein.

In einer Ausgangsstellung, wie sie zum Beispiel in der Figur darge­ stellt ist, ist die eine Spule 12 jeweils der kreisförmigen Mantel­ fläche der Kerne 19, 20 und die andere Spule 13 jeweils der Rück­ seite der Kerne 19, 20 zugewandt. Dadurch ergibt sich, daß der Ab­ stand von der Oberfläche der Windungen der Spule 12 zu der Ober­ fläche des Rotors 11 geringer ist als der Abstand von der Oberfläche des Rotors 11 zu der Oberfläche der Spule 13. In dieser in der Figur dargestellten Ausgangsstellung haben sowohl der Kern 19 als auch der Kern 20 jeweils gleiche Abstände zu den jeweiligen zugeordneten Spulen 12, 13. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, eine andere Zuordnung des Rotors 11 zu den beiden Spulen 12, 13 als Ausgangs­ stellung zu wählen. So könnte zum Beispiel eine um 90° gegenüber der in der Figur dargestellten Stellung verdrehten Anordnung des Rotors 11 gegenüber den Spulen 12, 13 als Ausgangsposition gewählt werden.

Diese Stellung hätte den Vorteil, daß eine Änderung der Richtung der Drehung erkannt werden kann.

Der Sensor 10 kann nach dem induktiven und/oder nach dem Wirbel­ stromprinzip arbeiten, wobei in allen Fällen die Spulen 12, 13 von einem Wechselstrom durchflossen werden. Zur Messung wird der Rotor 11 um seine Achse herumgedreht bzw. um einen gewünschten Winkelbe­ reich bewegt. Im folgenden sei das Wirbelstromprinzip erläutert. An den Spulen 12, 13 entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metallischen Oberfläche des Rotors 11 Wirbelströme bewirkt. Je größer dabei die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche des Rotors 11 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt. Ferner ist die Größe der erzeugten Wirbelströme abhängig vom verwendeten Material des Ro­ tors 11 sowie, was beim Anmeldungsgegenstand für die Meßsignaler­ zeugung ausschlaggebend ist, vom Abstand der Spulen 12, 13 zu der jeweiligen zugeordneten Oberfläche des Rotors 11. Durch die auf der Oberfläche des Rotors 11 erzeugten Wirbelströme wird der Spu­ len-Wechselstromwiderstand verändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenützt wird. Da sich ebenfalls die Spuleninduktivität mit größer werdender Wirbelstromausbildung verringert, kann auch diese Induk­ tivitätsänderung zur Meßsignalgewinnung ausgenutzt werden (Spulenin­ duktivität-Auswerteverfahren). Bei der Drehbewegung des Rotors 10 wird die der jeweiligen Spule 12, 13 zugeordnete Wirbelstromausbil­ dung verändert und somit der Spulenwechselstromwiderstand proportio­ nal zum Drehwinkel verändert. Diese Veränderung beruht darauf, daß der Spule jeweils ein Bereich des Kerns mit einem größeren bzw. kleineren Abstand zur Spule zugeordnet wird. Betrachtet man hierzu die Spule 12 und legt eine Drehbewegung des Rotors im Uhrzeigersinn zugrunde, so ist in der in der Figur dargestellten Ausgangsposition jeweils die kreisförmig ausgebildete Mantelfläche sowohl des Kerns 19 als auch des Kerns 20 der Spule 12 zugeordnet. Während der Dreh­ bewegung des Rotors 11 wandert hierbei die Mantelfläche des Rotors 19 mit dem geringeren Abstand zur Spule 12 aus dem Bereich der Spule 12 heraus und der der kreisförmigen Mantelfläche gegenüberliegende Bereich des Kerns 19 wird um denselben Betrag in den Bereich der Spule 12 hinein bewegt. Dadurch wird die Größe der in diesem Spu­ lenabschnitt 12 erzeugten Spulen-Wechselstromwiderstandsänderung ab­ hängig vom Drehwinkel verändert, da, wie oben angeführt, nun der Ab­ stand von der Oberfläche des Kerns 19 zu dem Bereich der dem Kern 19 zugewandten Spule 12 vergrößert wird. Um denselben Effekt wird der Spulen-Widerstandswert durch den Kern 20 im anderen Bereich der Spu­ le 12 verändert. Analog dazu, aber gegensinnig, da der Abstand zwischen der Oberfläche des jeweiligen Kerns des Rotors 11 und dem zugeordneten Bereich der Spule 13 vergrößert wird, wird in der Spule 13 ebenfalls der Wechselstromwiderstandswert verändert. Mit Hilfe einer angeschlossenen Auswerteschaltung kann nun diese Wechselstrom­ widerstandsänderung einer Winkeldrehung der Welle zugeordnet werden. Das Meßsignal kann auch beeinflußt werden, indem statt einer kreis­ förmigen Mantelfläche der Kerne des Rotors z. B. ein ellipsenförmiger Querschnitt verwendet wird; dies bedeutet, daß der Abstand nicht exakt konstant ist.

Anstelle des bisher beschriebenen Wirbelstrommeßprinzips kann auch das induktive Meßverfahren sinngemäß angewendet werden. Hierzu muß lediglich der Rotor 11 aus ferromagnetischem Material bestehen. Hierzu kann der Rotor 11 wiederum aus ferromagnetischem Material in Form eines Vollkörpers hergestellt sein oder eine ferromagnetische äußere Schicht aufweisen.

Aufgrund der besonderen Anordnung der Spulen 12, 13 zum Rotor 11 werden Verschiebungen in x- und y-Richtung in den jeweiligen Spulen 12, 13 kompensiert. Betrachtet man eine Verschiebung des Rotors 11 gegenüber der ortsfest angeordneten Spule 12, so wird der Abstand zwischen der Oberfläche des einen Kerns 20 gegenüber dem Bereich der ihr zugeordneten Spule 12 um den Betrag kleiner, um den der Abstand zwischen dem Kern 19 und dem ihr zugeordneten Bereich der Spule 12 vergrößert wird. Da die jeweiligen Änderungen betragsmäßig gleich sind, kompensieren sich die dadurch eintretenden Veränderungen des Wechselstromwiderstandes der Spule in der jeweiligen Spule selbst. Diese Effekte treten auch auf, wenn man eine Verschiebung des Rotors 11 in y-Richtung gegenüber der Spule 12 betrachtet. Auch hier wird der Abstand um den Betrag vergrößert, um den er auf der anderen Seite verkleinert wird. Für die andere Spule 13 gilt sowohl in x- als auch in y-Richtung der analoge Meßeffekt. Um eine Meßfehler­ erzeugung durch eine Verschiebung in z-Richtung zwischen dem Rotor 11 und den Spulen 12, 13 zu verhindern, ist die Breite der jeweili­ gen Spule 12 bzw. 13 geringer als die Breite des Kerns 19 bzw. 20. Induktivitätsänderungen durch Verschiebungen des Rotors 19 in z-Richtung sind für beide Spulen 12, 13 gleich groß; sie werden des­ halb in einer Auswerteschaltung, die in der Regel die Differenz der beiden Spulensignale auswertet, kompensiert. Ferner sei darauf hin­ gewiesen, daß bei Verwendung der Meßeinrichtung zur Bestimmung der Drosselklappenstellung bei Kraftfahrzeugen durch die lange Lage­ rungsstrecke der Welle eine Verkippung des Rotors 11 gegenüber den Spulen 12, 13 verhindert wird.

Der Rotor 11 ermöglicht eine Drehung um 360° in den Spulen 12, 13. Dadurch ergibt sich zweimal ein nahezu linearer Meßbereich von ca. 120°. Die verbleibenden nichtlinearen Bereiche sind unter anderem zum Beispiel bedingt durch die stufenförmige Ausgestaltung der Spule, d. h. durch den Übergang der Spule von einem Kern zum anderen Kern.

Claims (3)

1. Meßeinrichtung zur berührungsfreien Bestimmung eines Drehwinkels einer Welle mit Hilfe zweier relativ zueinander bewegter Körper und mit Sensorspulen (12, 13), deren Induktivitäts- und Wechselstromwi­ derstandswerte durch die relative Veränderung der Größe der den Spu­ len (12, 13) zugeordneten Bereiche aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material bestehenden Körper (19, 20) variiert wird, wobei ein erster Körper (11) in die der Anzahl der Spulen (12, 13) entsprechende Bereiche (19, 20) unterteilt ist und diese Be­ reiche (19, 20) in axialer Richtung der Meßeinrichtung versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule über die einzelnen Be­ reiche (19, 20) des ersten Körpers (11) auf jeweils gegenüberliegen­ den Seiten verläuft, so daß jede Spule (12, 13) bei einer Drehung des Körpers (11) um 360° mit der gesamten zugeordneten Fläche der Bereiche (19, 20) in Wirkverbindung gelangt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (12, 13) in Achsrichtung der Meßeinrichtung versetzt ist, so daß sich zwischen einem ersten Bereich der Spule (12, 13) und einem zweiten Bereich der Spule (12, 13) ein in axialer Richtung gesehener stufenförmiger Versatz ergibt.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß in einer Grundstellung die Zonen einer ersten Spule (12, 13) den ersten Bereichen (19, 20) des Körpers (11) mit einem kleine­ ren Abstand zugeordnet sind, als die Zonen einer zweiten Spule (12, 13) den anderen Bereichen (19, 20) des Körpers (11).