DE10121870B4

DE10121870B4 - Induktiver planar aufgebauter Winkelsensor

Info

Publication number: DE10121870B4
Application number: DE2001121870
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Schmidt; Steffen Hoppe
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2001-05-05
Filing date: 2001-05-05
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-05-06
Also published as: DE10121870A1

Abstract

Induktiver planar aufgebauter Winkelsensor
– mit einem Stator (1, 6), der eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule (2), sowie mehrere Empfangsspulen (3) aufweist,
– und einem Rotor (4), der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule (2) und Empfangsspulen (3) in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Stator (1) vorgibt,
– und einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors (4) relativ zum Stator (1, 6) aus den in den Empfangsspulen (3) induzierten Spannungssignalen,
– wobei der Rotor als ein aus zwei Abschnitten (9, 10) bestehender Doppelrotor (8) ausgebildet ist, von denen jeweils ein Abschnitt gegenüber jeweils einer Seite des Stators (6) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umfang des Doppelrotors (8), der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, vor der Montage mit der Betätigungswelle eine abgerundete Vieleckskontur (12) aufweist, die sich während der Montage an die Umfangskontur (11) der Betätigungswelle anpasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven planar aufgebauter Winkelsensor gemäß des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Bei planar aufgebauten Winkelsensoren, bei denen der Stator durch eine Leiterkarte mit den Erreger- und Empfängerspulen ausgebildet ist, ist es üblich, den Rotor oberhalb oder unterhalb des Stators anzuordnen wie dies in der 2 schematisch dargestellt ist.
Eine wichtige Größe bei diesem Aufbau ist der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor. Der Luftspalt beeinflußt die Stärke des empfangenen Signals und sollte für eine sichere Auswertung so dimensioniert sein, daß das empfangbare Signal deutlich über den Rauschgrenzen der auswertenden elektronischen Bauteile liegt. Für günstige Koppelverhältnisse zwischen dem Stator und dem Rotor, entsprechend einem großen Nutzsignal, muß der Luftspalt möglichst klein sein. Trotzdem muß eine Berührung der Leiterkarte mit dem Rotor sicher verhindert werden, um eine Beschädigungen von Leiterbahnen zu vermeiden. Besonders bei großem Axialspiel ergibt sich häufig ein Dilemma zwischen Abstand und Empfangssignalstärke. Beim Abstand muß der maximal mögliche Wert, und nicht der Nominalwert für die Abschätzung des Rauschens zugrunde gelegt werden.
Abhilfe bringt eine Vergrößerung der gesamten Sensorstruktur. Bei einer Verdopplung des Stator- und Rotordurchmessers kann bei gleichen Koppelverhältnissen auch die Dimensionierung des Luftspalts verdoppelt werden. Häufig ist jedoch für einen größeren Sensor nicht der erforderliche Platz vorhanden. Auch verteuert sich der Sensor mit steigenden Abmessungen drastisch. Doppelter Durchmesser bedeutet eine vierfache Fläche, was häufig nicht akzeptabel ist.

Aus der DE 42 24 225 A1 ist ein induktiver Drehgeber bekannt, der mittels einer Erregerspule und einer Messspule zur Überwachung der Drehbewegung zweier Körper relativ zueinander verwendet werden kann. Die Erregerspule und die Messspule sind dabei um eine zentrale Achse drehbar, wobei deren gegenseitige Stellung messend überwachbar ist. Die Auswertung erfolgt dabei über eine Schaltungsanordnung.

Aus der DE 197 38 836 A1 ist ein induktiver Winkelsensor bekannt, bei dem ein Rotorelement berührungslos und in einem geringen Abstand gegenüber einem Statorelement relativ zu diesem und bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse drehbar angeordnet ist. Die Auswertung der Winkelposition erfolgt mittels einer Signalauswerteeinheit.

Aus der DE 44 40 295 A1 ist ein Induktivgeber zur Drehzahlerfassung mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Rotor die Funktion eines Impulsrades übernimmt. Rotor und Stator sind dabei konzentrisch zur einer Drehachse angeordnet und weisen Zähne auf. Stehen die Zähne gegenüber, ergibt sind ein maximaler magnetischer Fluss. Stehen die Zähne hingegen auf Lücke, ist der magnetische Fluss minimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gegebenen Sensordurchmesser die Signalstärke zu erhöhen und den Einfluß des Axialspiels des Rotors auf die Signalstärke zu verringern sowie Schwierigkeiten, die notwendigen Toleranzen für eine feste Verbindung von Doppelrotor und Betätigungswelle einzuhalten, zu überwinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Umfang des Doppelrotors, der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, vor der Montage mit der Betätigungswelle eine abgerundete Vieleckskontur aufweist, die sich während der Montage an die Umfangskontur der Betätigungswelle anpasst.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß aufgebauten Winkelsensors anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 den Doppelrotor eines erfindungsgemäß ausgestalteten induktiven Winkelsensors,
2 einen Winkelsensor mit einem Rotor nach dem Stand der Technik,
3 einen Doppelrotor mit einem speziell ausgebildeten Stator,
4 eine Diagrammdarstellung des Verlaufs der Signalamplituden in Abhängigkeit der Position der Rotoren relativ zum Stator,
5 die Umfangskontur für eine spezielle Ausgestaltung eines Doppelrotors.
Die 1 zeigt eine mögliche Ausführung des Doppelrotors (8) eines erfindungsgemäßen Winkelsensors, welcher aus zwei identisch aufgebauten Abschnitten (9, 10) besteht. Beide Abschnitte (9, 10) dieses Doppelrotors sind mechanisch fest miteinander verbunden und in gleicher Phase zum gewählten Meßwinkel. Sie sind vorzugsweise identisch strukturiert und parallel zueinander und zum Stator angeordnet.
Der in der 1 nicht dargestellte Stator kann, entsprechend der in der 2 gezeigten bekannten Ausführung, sich unterhalb und oberhalb der gesamten Flächen der Rotoren erstrecken. Der Stator (6) kann aber auch, wie in der 3 dargestellt, auch nur zwischen Teilabschnitten des Doppelrotors (8) angeordnet sein, wobei die Geometrie der Spulenanordnung (5) auf dem Stator kreissegmentförmig ausgebildet ist.
Hierdurch überlagern und addieren sich die resultierenden Felder. Bei gleichem Abstand der beiden Abschnitte des Doppelrotors, die im folgenden auch einfach als Rotoren bezeichnet werden, zum Stator verdoppelt sich somit das Nutzsignal. Bei ungleichem Abstand dominiert der Rotor, welcher den geringeren Abstand zum Stator hat.
In der 4 ist der Zusammenhang zwischen Signalstärke und Abstand (Luftspalt) prinzipiell dargestellt. Aufgetragen sind die Beiträge der einzelnen Rotoren des Doppelrotors zur Signalamplitude des Winkelsensors, sowie auch das resultierende Summensignal, aufgetragen gegen die axiale Position des Rotors relativ zum Stator. Bei der in der Mitte des Diagramms dargestellten Position sind beide Rotoren gleich weit von der Statorebene entfernt; entsprechend liefern beide Rotoren eine gleichgroße Signalamplitude. Bei Annäherung eines Rotors an den Stator steigt dessen Beitrag zur Signalamplitude an; der Beitrag des anderen Rotors verringert sich entsprechend.
Ab einem gewissen Abstand wird dabei der Amplitudenbeitrag des abstandsgrößeren Rotors so gering, daß er die Auswertegrenze unterschreitet, unterhalb derer eine Signalauswertung nicht mehr möglich ist. Diese Auswertegrenze wird insbesondere durch die Rauschgrenzen der auswertenden elektronischen Bauteilen bestimmt. Ein Winkelsensor, der einen Rotor entsprechend dem Stand der Technik aufweist, wie er in der 2 dargestellt ist, liefert somit bei einem Luftspalt dieser Größe keine auswertbaren Signale mehr.
Die durch den Doppelrotor bewirkte Signalamplitude ergibt sich demgegenüber als ein Summensignal aus den Beiträgen beider Rotoren. Dieses Summensignal zeichnet sich gegenüber den Einzelbeiträgen durch einen größeren Betrag aus, der vorteilhafterweise in keiner axialen Position relativ zum Stator die Auswertegrenze unterschreitet. Im Gegenteil ist gerade in den für einen Winkelsensor mit Einfachrotor kritischen Bereichen die resultierende Signalamplitude bei einem Doppelrotor besonders groß. Besonders vorteilhaft ist zudem, daß die Signalamplitude insgesamt weniger in Abhängigkeit von der axialen Rotorposition variiert.
Für die kostengünstige Herstellung des Doppelrotors gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann der Doppelrotor aus zwei identischen Einzelrotoren aufgebaut sein. Diese sind kostengünstig zum Beispiel als Tiefziehteile herzustellen. Vorteilhaft an einer solchen Ausführung ist, daß hierdurch eine sogenannte aufbauende Montage des Winkelsensors möglich ist, indem die Rotoren von den beiden Seiten der Statorleiterplatte aus zusammengefügt werden.
Alternativ dazu kann der Doppelrotor als ein ebenes Stanzteil ausgebildet sein. Nach dem Stanzen ist durch einen Biegevorgang die endgültige Form herzustellen. Dabei ist eine Struktur zur Anpassung an das zu sensierende Element durch eine formschlüssige Verbindung von zwei verschiedenen Bereichen des Stanzteiles herzustellen. Bei Bedarf sind eine oder mehrere zusätzliche Punktschweißungen an der Verbindungsstelle durchzuführen, um optimale Sicherheit vor vorzeitiger Trennung der Verbindung zu erzielen.
Der Doppelrotor wird üblicherweise mittels einer Übergangs- oder Preßpassung auf einer Betätigungswelle aufgebracht. Bei Stanzbiegeteilen oder bei Tiefziehteilen ergeben sich hierbei Schwierigkeiten, die notwendigen Toleranzen für eine feste Verbindung einzuhalten. Eine wesentliche Erleichterung ergibt sich hierbei, wenn der Umfang des Doppelrotors, der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, eine abgerundete Vieleckskontur (12) aufweist.
Die Vieleckskontur (12) eines Stanz-Biegerotors, hier beispielhaft mit einer Dreieckskontur, und die Umfangskontur (11) der Betätigungswelle zeigt schematisch die 5. Damit ist eine Preßpassung mit geringen Fügekräften realisierbar, denn auch schon bei geringeren Durchmessern als dem endgültigen Fügemaß ist eine Preßpassung an den drei Berührstellen realisierbar. Die endgültige Form wird durch den Umfang der Welle und die innere Länge des zu montierenden Teiles festgelegt. Toleranzen der Wellendurchmesser führen nur zu Abweichungen der Rundheit des montierten Rotors.
Bei einem Stanzbiegeteil ist die Verbindungsstelle idealerweise in der Nähe der "Rundung des Dreiecks" anzubringen, weil hier durch eine Wahl der Radien die spätere Verbiegung einstellbar und damit minimierbar ist. Dieses Verfahren ist prinzipiell auch bei einer nichtkreisförmigen Umfangskontur (11) der Betätigungswelle anwendbar.

1, 6: Stator
2: Erregerspule
3: Empfangsspulen
4: Rotor
5: Spulenanordnung
7: Ausnehmung
8: Doppelrotor
9: Erster Abschnitt
10: Zweiter Abschnitt
11: Umfangskontur (der Betätigungswelle)
12: Vieleckskontur

Claims

Induktiver planar aufgebauter Winkelsensor – mit einem Stator (1, 6), der eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule (2), sowie mehrere Empfangsspulen (3) aufweist, – und einem Rotor (4), der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule (2) und Empfangsspulen (3) in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Stator (1) vorgibt, – und einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors (4) relativ zum Stator (1, 6) aus den in den Empfangsspulen (3) induzierten Spannungssignalen, – wobei der Rotor als ein aus zwei Abschnitten (9, 10) bestehender Doppelrotor (8) ausgebildet ist, von denen jeweils ein Abschnitt gegenüber jeweils einer Seite des Stators (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des Doppelrotors (8), der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, vor der Montage mit der Betätigungswelle eine abgerundete Vieleckskontur (12) aufweist, die sich während der Montage an die Umfangskontur (11) der Betätigungswelle anpasst.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (5), bestehend aus Erregerspule (2) und Empfangsspulen (3), auf dem der Stator (6) kreissegmentförmig ausgebildet ist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelrotor (8) als Stanz-Biegeteil hergestellt ist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelrotor (8) aus zwei identischen Einzelrotoren zusammengefügt ist, die als Tiefziehteile hergestellt sind.