DE9108361U1 - Meßeinrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels - Google Patents

Description

R. 24556
3.7.1991 Sf/Ec

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 10

Meßeinrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer aus dem GM-90 00 575.9 bekannten Meßeinrichtung besteht ein Spulenkörper aus zwei im Querschnitt ungefähr halbkreisförmigen Kernen, die auf einem Träger angeordnet sind. Auf diesen Kernen ist in Umfangsrichtung je eine Spule gewickelt. Diese Spulen stehen in Wirkverbindung mit auf beiden Stirnseiten des Spulenkörpers angeordneten scheibenförmigen Körpern aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material. Durch die Verschaltung und Anordnung der Spulen untereinander und durch die Materialauswahl der scheibenförmigen Körper können Meßfehler weitgehend eliminiert werden. Mit dieser Meßeinrichtung ist es aber nur möglich, die Winkelfunktion zu bestimmen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß während der Winkelbewegung noch andere davon abhängige Funktionen, wie zum Beispiel Schalter betätigt werden können. Durch einfache konstruktive

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Ausgestaltungen können in einfacher Weise zusätzliche Funktionen gesteuert werden. Es kann sowohl eine einzelne Funktion als auch können mehrere Funktionen gleichzeitig bzw. hintereinander gesteuert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Meßeinrichtung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Figuren 1 bis 4 je eine Abwandlung der Meßeinrichtung und die Figur 5 ein Diagramm mit dem Verlauf der jeweiligen Meßspannungen U über dem Drehwinkels .

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der einen ortsfesten Spulenkörper 11 aus vorzugsweise elektrisch nicht leitendem Material aufweist. Der Spulenkörper 11 besteht aus zwei Kernen 12, 13, die im Querschnitt gesehen annähernd D-förmige Form haben, und auf einem Träger 14 angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, eine andere Kernform zu wählen. Auf jedem Kern ist jeweils eine Spule 15, 16 in Umfangsrichtung des Spulenkörpers 11 gewickelt. Die Spulen 15, 16 sind Drahtspulen, wobei in besonders einfacher Weise die Spulen trotz realtiv kleiner Bauweise des Spulenkörpers 11 einem weiten Trägerfrequenzbereich von zum Beispiel 5 kHz bis 5 MHz angepaßt werden können.

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Dabei genügt es, den Durchmesser der Drähte und die Windungsanzahl zu verändern. Je höher bei gleichem Spulendurchmesser die Windungsanzahl ist, desto geringer kann die Trägerfrequenz gewählt werden. Bei höheren Trägerfrequenzen ist nur eine geringe Windungsanzahl notwendig. Zu beiden Stirnseiten des Spulenkörpers 11 ist jeweils ein etwa halbkreisförmiger Scheibenkörper 19, 20 angeordnet, der relativ zum Spulenkörper 11 bewegt wird. Einer der beiden Scheibenkörper weist einen segmentartigen Fortsatz 25 auf, der mit einer dritten Spule 26 in Wirkverbindung steht. Es ist aber auch möglich, an beiden Scheibenkörpern deckungsgleich einen Fortsatz anzubringen. Die Spule 26 wird unabhängig von den Spulen 15, 16 von einem Strom durchflossen. Betrachtet man die beiden Scheibenkörper 19, 20 ohne den Fortsatz 25, so sind die Scheibenkörper 19, 20 deckungsgleich. Ferner sind die Scheibenkörper 19, 20 auf einer Welle 18 befestigt, die in einer zwischen den Kernen 12, 13 ausgebildeten Bohrung angeordnet ist. Die Scheibenkörper 19, 20 bestehen aus elektrisch leitendem und/oder aus ferromagnetischem Stoff. Sie überdecken in der Ausgangsstellung durch ihre im Querschnitt ungefähr D-förmige Grundgestalt, das heißt ohne den Fortsatz 25, in etwa die Hälfte der Stirnflächen der Spulen 15, 16. Die Scheibenkörper 19, 20 sind mit der drehbaren Welle 18 verbunden, deren Drehbewegung bestimmt werden soll. Es ist aber auch möglich, daß die Welle mit einem nicht dargestellten Bauteil verbindbar ist und somit dessen Drehbewegung ermittelt wird.

Der Fortsatz 25 ist in radialer Richtung des Scheibenkörpers 19 ausgebildet, so daß er über die Spulen 15, 16 hinausragt ohne dabei aber die Funktion der Spulen 15, 16 zu beeinflussen. Die Spule 26 ist auf dem Träger 14 angeordnet und befindet sich in radialer Richtung gesehen ebenfalls außerhalb des Bereichs der Spulen 15, 16.

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In Ausgangsstellung sind die Scheibenkörper 19, 20 so ausgerichtet, daß auf beiden Stirnseiten beide Kerne 12, 13 mit gleich großen Flächen überdeckt werden. Dadurch ist eine Drehung in oder gegen den Uhrzeigersinn möglich. Der Sensor 10 kann nach dem induktiven Prinzip oder nach dem Wirbelstrommeßprinzp arbeiten. Beim Wirbelstrommeßprinzip werden die Spulen 15, 16 von einem Wechselstrom durchflossen. Zur Messung werden die Scheibenkörper 19, 20 parallel zu den Stirnseiten des Spulenkörpers 11 gedreht. An den Spulen 15, 16 entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metallischen Oberfläche der Scheibenkörper 19, 20 Wirbelströme bewirkt. Je größer dabei die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche der Scheibenkörper 19, 20 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt. Ferner ist die Größe der erzeugten Wirbelströme abhängig vom verwendeten Material der Scheibenkörper 19, 20, sowie vom Abstand der Spulen 15, 16 zu den Oberflächen der Spulenkörper 19, 20. Durch die erzeugten Wirbelströme wird der Spulen-Wechselstromwiderstand verändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenützt wird. Da sich ebenfalls die Spuleninduktivität verringert, kann auch diese Induktivitätsänderung zur Meßsignalgewinnung ausgenützt werden (Spuleninduktivitäts-Auswerteverfahren). Bei der Drehbewegung der Scheibenkörper 19, 20 wird jeweils die der jeweiligen Spule 15 bzw. 16 zugeordnete Größe der Scheibenkörper 19, 20 verändert. Dadurch wird die der Spule 15 zugeordnete Oberfläche der Scheibenkörper 19, 20 um denselben Betrag erhöht, wie er bei der anderen Spule 16 verringert wird. Die beiden Spulen 15, 16 sind - beim Wechselstromwiderstands-Auswerteverfahren - in einer Wheatstone'sehen Halbbrückenschaltung verschaltet. Dadurch kompensieren sich die in den Spulen 15, 16 gleichzeitig auftretenden und gleichsinnig wirkenden Meßfehler. Eine in der oben beschriebenen Weise ermittelte Meßkurve ist in der Figur 5 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß über einen relativ großen Bereich diese Meßkurve 28 linear verläuft und nur in den jeweiligen Endbereichen von einem linearen Verlauf abweicht.

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Auch der Fortsatz 25 und die Spule 26 arbeiten nach dem oben beschriebenen Wirbelstrommeßprinzip oder nach dem induktiven Prinzip. Während die Scheibenkörper 19, 20 in Wirkverbindung mit den Spulen 15, 16 die Meßkurve 28 ermitteln, überstreicht der Fortsatz 25 gleichzeitig die Spule 26. Dabei erhält man die in der Figur 5 mit 30 bezeichnete schematische Meßkurve. Solange der Fortsatz 25 die Spule 26 nicht überdeckt, verläuft die Meßspannung U der Kurve 30 in etwa bei einem Minimum, zum Beispiel Null. Sobald der Fortsatz 25 die Meßspule 26 überdeckt, steigt die Meßspannung U steil an. Während eines Winkelbereichs, das heißt während der Fortsatz 25 die Spule 26 überdeckt, verläuft die Meßspannung 30 annähernd parallel zur x-Achse. Wird die Spule 26 nicht mehr von dem Fortsatz 25 überdeckt, so fällt die Meßkurve 30 wieder auf Null ab. Die in Umfangsrichtung gesehene Länge des Fortsatzes 25 ist dabei auf die Dauer ausgelegt, während der eine Zusatzfunktion gesteuert werden soll.

In der Figur 2 steht der Fortsatz 25a mit zwei Spulen 26a, 26b in Wirkverbindung. Der in Umfangsrichtung gesehene Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Spulen 26a, 26b entspricht in diesem Ausführungsbeispiel in etwa der Breite des Fortsatzes 25a. In Grundstellung würde der Fortsatz 25a dann die Spulen 26a, 26b jeweils zur Hälfte überdecken. Die Spulen 26a, 26b sind wieder in einer Wheatstone'sehen Halbbrückenschaltung verschaltet. Durch diese Verschaltungsart können, wie bereits bei den Spulen 15, 16 beschrieben, gleichzeitig auftretende und gegensinnig wirkende Meßfehler kompensiert werden. Bei dieser Anordnung der Spulen 26a, 26b erhält man die in der Figur 5 mit 32 bezeichnete Meßkurve. Solange wiederum der Fortsatz 25a keine der beiden Spulen 26a, 26b überdeckt, erhält man einen Verlauf der Meßkurve 32, die eine Meßspannung von etwa Null aufweist. Sobald der Fortsatz eine der beiden Spulen 26a, 26b überdeckt, steigt die Meßkurve 32 je nach Drehrichtung und Verschaltung der Spulen auf einen entsprechenden Maximal- bzw. Minimalwert an.

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Wenn der Fortsatz 25a beide Spulen 26a, 26b in etwa gleichmäßig überdeckt, erhält man einen Nulldurchgang der Meßkurve 32 und bei weiterer Drehbewegung eine punktsymmetrische Fortsetzung des bisherigen Verlaufs der Kurve 32.

In der Figur 4 ist eine Kombination der verschiedenen Fortsätze 25 und 25a, wie sie in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt und beschrieben sind, gezeigt. In der Ausführung nach der Figur 4 ist der Fortsatz 25a als, in radialer Richtung gesehen, auf den Fortsatz 25 aufgesetzter Fortsatz dargestellt. Die Spulen 26a, 26b sind im Bereich dieses aufgesetzten Fortsatzes 25a auf dem Träger 14 angeordnet, aber so, daß sie mit dem Fortsatz 25 nicht in Wirkverbindung treten können.

Erfindungsgemäß können nun diese Fortsätze und auch die verwendeten Spulen so ausgebildet sein, daß verschiedene Kennlinien erreicht werden. Dadurch können verschiedene von der jeweiligen Drehbewegung abhängige Überwachungsfunktionen aufgelöst werden oder Korrekturfunktionen und Meßbereiche mit erhöhter Meßgenauigkeit geschaffen werden.

Selbstverständlich kann auch statt mit zwei Spulen 15, 16 zum Beispiel mit vier oder einer anderen, größeren Anzahl von Spulen gearbeitet werden, wodurch kleinere Meßwinkel bestimmt werden. Hierzu ist eine entsprechende Anzahl jeweils in radialer Richtung versetzt angeordneter Kerne zu verwenden. Bei vier Kernen haben diese dann maximal eine Segmentgröße von 90°. Auf jeden Kern ist dann eine Spule aufgewickelt, die in einer Wheatstone'sehen Brückenschaltung verschaltet sind. Ferner sind dann bei vier Kernen auf jeder Stirnseite zwei einem Segmentbereich von ca. 90° aufweisende Scheiben angeordnet. Die Scheiben sollten dann vorzugsweise so ausgebildet sein, daß in Ausgangsstellung jede Spule zur Hälfte überdeckt ist. In oben beschriebener Weise und mit Hilfe der angegebenen Kombinationsmöglichkeit kann dann an einem oder an mehreren Segmenten jeweils einer oder mehrere Fortsätze angeordnet sein.

Claims (6)

R. 24556 3.7.1991 Sf/Ec ROBERT BOSCH GMBH7 7000 Stuttgart 10 Anprüche

1. Meßeinrichtung (10) zur berührungsfreien Bestimmung eines Drehwinkels mit Hilfe zweier relativ zueinander bewegter Körper (11, 19, 20) und mit Sensorspulen (15, 16), deren Wechselstromwiderstandswerte durch die relative Veränderung der Größe der den Spulen zugeordneten Bereiche aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material bestehenden Körpers (11, 19, 20) variiert wird, wobei ein erster Körper eine der Anzahl der den Spulen (15, 16) entsprechenden Bereiche (12, 13) aufweist, auf denen je mindestens eine Drahtspule (15, 16) angeordnet ist,und wobei mindestens ein zweiter Körper an den beiden Stirnseiten des ersten Körpers (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Körper (19, 20) mindestens einen Fortsatz (25) aufweist, der mit mindestens einer zusätzlichen dritten Spule (26) zur Steuerung mit mindestens einer von der jeweiligen Winkelstellung abhängigen Zusatzfunktion in Wirkverbindung steht.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (25) segmentförmig ausgebildet ist und mit einer Spule (26) in Wirkverbindung steht.

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3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (25a, 25b) mit zwei Spulen (26a, 26b) in Wirkverbindung steht.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in radialer Richtung der Körper (19, 20) unterschiedlich lange Fortsätze (25, 25a) angeordnet sind und daß diese Fortsätze (25, 25a) jeweils mit eigenen Spulen (26, 26a, 26b) in Wirkverbindung stehen.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an beiden Stirnseiten des ersten Körpers (11) je ein zweiter Körper (19, 20) befindet und mindestens einer der zweiten Körper einen Fortsatz aufweist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Körper (19, 20) als Scheiben ausgebildet sind und einen Winkelbereich von gleich oder größer als den einer Spule (15, 16) aufweisen.