DE9000575U1

DE9000575U1 - Meßeinrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels

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Publication number: DE9000575U1
Application number: DE9000575U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-01-20
Filing date: 1990-01-20
Publication date: 1991-05-23
Anticipated expiration: 2000-01-21
Also published as: JPH04331301A; GB2240184A; GB2240184B; US5175497A; GB9100457D0

Description

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R. 23209
17.1.1990 Sf/Ec

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 10

teßeiaricatuno girr Bestimmung eines L: ehwiakels

• Stanü uer Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer aus der nachveröffentlicht-n DE-OS 38 24 535.3 bekannten Meßeinrichtung ist in einem zylinderförmigen Spulenkörper von einer Stirnseite her eine mittige Längsnut ausgebildet. Dadurch entstehen zwei im Querschnitt halbkreisförmige Kerne, auf die je eine Spule gewickelt ist. Ein zur Dämpfung dienendes Meßteil besteht aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetische!!) Stoff. Es umschließt wenigstens teilweise in axialer Länge die außen liegenden Spulenbereiche. Die Spulen werden von einem Wechselstrom durchflossen. Durch die relative Verdrehung des Meßteils wird das Überdeckungsverhältnis zwischen dem Meßteil und den Spulen jeweils gegensinnig verändert, wodurch der Wechselstromwiderstand der Spulen entsprechend variiert wird. Diese Meßeinrichtung hat den Hachteil, daß bei feststehenden Spulenkernen die Spulen von einer Wickelmaschine nur nacheinander aufgewickelt werden können. Die Wickeltechnik und somit die Herstellung der Meßeinrichtung ist dadurch aufwendig.

Ferner ist aus der ebenfalls nachvpröffentlichten DE-OS 38 24 534.5 eine Meßeinrichtung zur berührungslosen Messung einer Weg- und/oder Winkeländerung bekannt/ bei der auf einem scheibenförmigen Körper

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mindestens zwei Spulen in Ätztechnik aufgebracht sind. Die geätzten Paulen können aber nur in einem begrenzten Frequenzbereich des die Spulen durchfliaGsssAsn Wechsel strj-... ai- esetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit Jen kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demaegenüber den Vorteil, daß die Sprlen fertigungstechnisch einfach hergestellt werden können. Durch die axiale Versetzung der beiden Spulenkörper können beide Wicklungen mit Hilfe einer einzigen Wickelmaschine gleichzeitig ausgeführt werden. Ferner können drahtgewickelte Spulen im Unterschied zu geätzten Spulen in einfacher Weise in einem weiten Frequenzbereich, zum Beispiel von 5 kHz bis 5 MHz betrieben werden. Alleine durch Änderung des Durchmessers des Spulendrahtes und der Wicklungsanzahl der Spule kann trotz relativ kleiner Bauweise des Spulenkörpers die Spule der gewünschten Frequenz angepaßt werden. Insbesondere, wenn die Drahtspulen eine hohe Windungszahl aufweisen, ist die Fertigung einfacher gegenüber mehrlagig geätzten bzw. gedruckten Spulen. Die Ausbildung vereinfacht somit die Herstellung dor Meßeinrichtung. Ferner können die beiden Spulen an beiden Stirnseiten und/oder den Umfang.sseiten mit Meßteilen aus verschiedenem Material überdeckt werden, so daß zur Meßsignalgewinnung die gegensätzliche Wirkung des sogenannten ferromagnetischen Effekts und des Wirbelstromeffekts ausgenutzt werden kann. Die auf den Einbau zurückzuführenden Meßfehler sind relativ gering.

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

Zeichnung

Ausfuhrungsbeispiele der Erflndunq sind Jn dfir '-eict'nunq dargestellt und in dor nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen dip

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'•'igur 1 nine Meßeinrichtung, Figur &lgr; eine Ansicht, in Richtung A nach Figur 1, Figur 3 eine Abvandlung des Ausführungsbeispiels, Figur eine Ansicht in Richtung B nach Figur 3 und die Figur 5 eine weitere Abwandlung des Ausf iihrunrjsbeispiels .

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-förmigp Form haben, und auf einem Träger 14 angeordnet sind. Es ist aber Lu-jh 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 einem weiten Trägerfrequenzbereich von zum Beispiel 5 kH2 bis 5 MHz angepaßt werden können, trotz relativ kleiner Bauwelse des Spulenkörpers 11. 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 halbkreisförmiger Scheibenkörper 19, 20 angeordnet, der relativ zum Spulenkörper 11 beweglich ist. Die beiden Scheibenkörper 19, 20 sind dabei deckungsgleich. Sie sind auf einem Stab befestigt, der in einer zwischen den Kernen 12, 13 ausgebildeten Bohrung angeordnet ist. Die Scheibenkörper 19, 20 bestehen aus elektrisch leitendem und/oder aus ferromagnetische™ Stoff. Sie überdecken in der Ausgangsstellung durch ihre im Querschnitt ungefähr D-förmige Gestalt 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.

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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. Der Sensor 10 kann nach dem induktiven oder nach dem Wirbelstrommeßprinzip 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 cirößer 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 Scheibenkörper 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 den jeweiligen Spulen IS bzw. Io 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 Spulenwechselstromwiderstand-Auswerteverfahren - in einer Wheatstone'sehen Halbbrückenschaltung verschaltet. Dadurch kompensieren sich die in den Spulen 15, 16 gleichzeitig auftretenden und gleichsinnig wirkenden Meßfehler.

Ferner ist es auch möglich, wie in Figur 3 dargestellt, die Meßscheiben auf beiden Stirnseiten der Spulenkerne 12, 13 als Kreisscheiben 21, 22 auszubilden. Die Kreisscheiben bestehen aus nahezu gleich großen Segmenten, wobei die Segmente 23a, 23b aus nicht ferromagnetischem, jedoch elektrisch leitfähigem Material, wie zum

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Beispiel Aluminium und die zweiten Segmente 24a, 24b aus ferromagno-, tischen) Material, wie zum Beispiel Automatenstahl bestehen. Die

Scheiben 21, 22 sind nahezu gleich ausgebildet, so daß sich jeweils Segmente aus denselben Materialien gegenüberstehen. Werden die Spulen 15, 16 wiederum von einem Wechselstrom durchflossen, so erfaßt das magnetische Wechselfeld der Spulen 15, 16 die Oberflächen der " Segmente 23a, 23b, 24a, 24b. Bei den Segmenten 23a, 23b aus nicht

• ferromagnetische«!, aber elektrisch leitendem Material wirkt nur der Wirbelstromeffekt. Die sich ausbildenden Wirbelströme verringern das magnetische Wechselfeld der Spulen, so daß die Spuleninduktivität abnimmt. Hingegen bei den Segmenten 24a, 24b aus ferromagnetischem

j> Material wirkt bevorzugt der ferromagnetische Effekt. Dies bedeutet,

Jf daß die magnetischen Eigenschaften des Materials der Segmente 24a,

&ugr; 24b eine Verstärkung des Spulenmagnetfeldes bewirken, so daß die

* Spuleninduktivität erhöht wird. Die beiden Effekte wirken also ge-

', qensätzlich. Dadurch erhält man eine Meßsignalvergrößerung. Zusätz-

lieh wird durch diese Ausbildung der Scheibenkörper 21, 22 auch der

A auf den axialen Versatz der Meßscheibe zurückzuführende Fehler ver-

P ringert. Beide Meßeffekte sind abhängig vom Abstand der Oberflächen

£ der Scheiben 21, 22 zu den Spulen 15, 16. Da sich der Abstand der

j Scheiben 21, 22 zu den Spulen 15, 16 bei axialer Bewegung der Welle 18 gegensinnig verändert, kompensieren sich somit die dadurch

! hervorgerufenen Meßfehler weitgehend.

Der Erhöhung des Meßsignals liegt die Überlegung zugrunde, daß sich beim radialen Verdrehen der beiden Scheiben 21, 22 sich zum Beispiel die von der einen Spule 15 erfaßte Oberfläche der Segmente 23a, 23b vergrößert, vährend sich die erfaßte Oberfläche der anderen Segmente 24a, 24b um den gleichen Betrag verringert. Entsprechend umgekehrt verhält es sich gleichzeitig bei der Spule 16. Sofern die beiden Spulen 15, 16 in einer Wheatstone'sehen Brücke verschaltet sind, erhält man durch Addition der beiden unterschiedlichen Meßeffekte ein höheres Meßsignal als wie wenn man nur mit dem induktiven Effekt bzw. mit dem Wirbelstromeffekt jeweils einzeln messen würde.

-D- M , I J &eacgr; U y

Die Abwandlung nach der Figur 5 stellt eine Weiterbildung des Aus- f. ühruixjabeispi eis nach den Figuren 1 und 2 dar. Die beiden Scheiben körper 19, 20 sind nicht mehr als ungefähr D-förmige Scheiben ausgebildet, sondern überdecken eine Fläche von größer als 180". Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Größe von ungefähr 200° - 220° erwiesen. Auch hier ist es wieder wichtig, daß d.\e auf beiden Stirnseiten angeordneten Scheibenkörper ISa, 20a nahezu deckungsgleich sind und auch deckungsgleich angeordnet sind. Dadurch kann der (näherungsweise) lineare Bereich der Eichkennlinie erweitert werden.

Selbstverständlich kann auch statt mit zwei Spulen 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 da"" eine Spule aufgewickelt, die in einer Wheatstone'sehen Brückenschaltung verschaltet sind. Ferner sind dann bei vier Kernen auf jeder Stirnseite zwei einen Segmentbereich von ca. QO" aufweisende Scheiben angeordnet. Die Scheiben sollten dann vorzugsweise so ausgebildet sein, daß in Ausgangsstellung jede Spule zur Hälfte überdeckt ist. Will man, wie in Figur 3 mit beiden Verfahren arbeiten, so gilt auch hier das dort Ausgeführte analog.

Claims

R. 23209 17.1.1990 Sf/Ec ROBERT BOSCH GMBH, 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 Wechselstrom 'Widerstandswerte 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, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Körper eine der Anzahl der den Spulen (15, 16) entsprechenden Bereiche (12, 13) aufweist, auf denes je mindestens eine Drahtspule (15, 16) angeordnet ist, und daß mindestens ein zweiter Körper an den beiden Stirnseiten des ersten Körpers (11) angeordnet ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an beiden Stirnseiten des ersten Körpers (11) je ein zweiter Körper (19, 20) befindet.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Stirnseiten des ersten Körpers (11) angeordneten zweiten Körper (19, 20) nahezu gleich ausgebildet sind und sich gegenüberstehen.

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4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Körper aus einem Bereich aus einem ferromagnetischen und elektrisch leitenden oder ferromagnetische» Material, un-ä aus einem Bereich aus nicht ferromagaetisciieir., &ngr;.^;;;sh elektrisch laitfähigem Material besteht.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berc :be (23a, b, 24a, b) aus gleichen Materialien sicu c* ~*nüber stehen.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Körper einen ungefähr D-förmigen Querschnitt aufweisen.

7_r Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- %

jsj^! zeichnet, daß die zweiten Korper als Scheiben ausgebildet sind und »

einen Winkelbereich von gleich oder größer als den einer Spule 'x

(15, 16) aufweisen. &Aacgr;