Vielfach ist es wichtig, die Drehbewegung eines Körpers bzw. die Größe seines Drehwinkels zu bestimmen. Aus der DE-PS 40 14 885 ist es beispielsweise bekannt, einen Körper, dessen Drehwinkel gemessen werden soll, mit einem Magneten zu ver¬ binden und einem ortsfest angeordneten Magnetsensor dem sich drehenden Magnetfeld auszusetzen. Da der zu bewegende Perma¬ nentmagnet eine hinreichend Feldstärke haben muß, hat eine derartige Meßeinrichtung einen beträchtlichen Bauumfang. Hinzu kommt, daß das zu messende Magnetfeld sehr stark von dem Abstand zwischen dem Permanentmagneten und dem Magnet¬ sensor abhängt. Als nachteilig wird es angesehen, daß Abwei¬ chungen des Geberelementes, hier insbesondere des Permanent¬ magneten, von seiner idealen Form, von seiner idealen axia¬ len Position zu dem Magnetdetektor und Abweichungen des Ge¬ berelementes von der vorgesehenen Drehachse erheblichen Ein¬ fluß auf die Meßergebnisse haben. Weiterhin kann auch eine etwas unsymmetrische Magnetisierung des Permanentmagneten zu einer starken Beeinflussung des auf den Magnetdetektor bzw. Sensor einwirkenden Magnetfeldes und somit zu einer un¬ erwünschten Änderung des Ausgangssignals des Detektors füh¬ ren. Weiterhin sind die bekannten Vorrichtungen, wenn sie hinreichend genau gearbeitet werden müssen, relativ teuer. Die Erfindung geht daher aus von einer Vorrichtung der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung. Auf¬ gabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Vorrichtung zur Erfassung rotatorischer Bewegungen bereitzustellen, wel¬ che besonders unempfindlich gegenüber Störungen des zu de- tektierenden Magnetfeldes ist und darüber hinaus unempfind¬ lich gegenüber den genannten Positionsabweichungen. Es soll

ferner der Einfluß der Fertigungstoleranzen auf das Meßer¬ gebnis minimiert werden.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, den von dem Geber¬ element (Permanentmagnet) ausgehenden Magnetfluß über einen ortsfesten Polschuh zu dem Magnetfeld-empfindlichen Detektor zu leiten. Wegen der hohen magnetischen Leitfähigkeit des Polschuhs ändert sich auch bei einer gegenüber der idealen Lage etwas verschobenen Lage des Geberelements der von dem Detektor gemessene Fluß nur geringfügig.

Selbstverständlich schließt die Erfindung nicht aus, daß das Geberelement selber auch mit magnetisch leitendem Material versehen sein kann, so daß es nicht ausschließlich aus dem Kern eines Permanentmagneten bestehen muß. Wichtig aber ist, daß'ein ortsfester Polschuh vorgesehen ist, welcher den Fluß weitgehend widerstandsfrei von dem Geberelement zu dem De¬ tektor führt, so daß eine fehlerhafte Lage oder eine uner¬ wünschte Lageänderung des Geberelements den Meßwert nur ge¬ ringfügig verfälscht.

Will man den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung be¬ sonders vereinfachen, so empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 2. Kern die¬ ser Merkmalskombination ist es, daß der Detektor in den hin¬ sichtlich des magnetischen Widerstandes weitgehend wider¬ standsfreien Weg des Magnetflusses geschaltet wird. Obwohl zwischen den fluchtenden Enden und den Flächen des Detektors jeweils ein Luftspalt auftreten kann, so empfiehlt es sich doch, diesen möglichst klein zu halten, so daß das Streufeld zwischen den beiden dem Detektor zugewandten Enden klein¬ gehalten wird. Diesem Ziel dient auch eine möglichst fluch¬ tende Ausrichtung der beiden Polschuhenden. Mit anderen Wor¬ ten ist der Detektor derart zwischen die beiden Polschuhen-

den einzufügen, daß die Verluste durch Streufelder möglichst klein werden. Bei der Ausgestaltung der Form der Polschuhe ist zu beachten, daß diese zum Einen bei der zu messenden Lageänderung (Drehlage) des Gebers einen sich möglichst stark ändernden Magnetfluß erhalten. Andererseits soll bei Lageänderungen, die innerhalb des Toleranzbereiches der er¬ findungsgemäßen Vorrichtungen liegen, die Magnetflußänderung innerhalb der Polschenkel möglichst klein sein.

Da die Polschuhe einen großen Teil des von dem Geberelement ausgehenden Magnetflusses einfangen sollen, sollten sie das Geberelement zumindest teilweise umgreifen. Eine besonders einfache Ausgestaltung hierzu zeigt die Merkmalskombination nach Anspruch 3. Danach besitzen die Polschuhe zwei Schen¬ kel, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wel¬ che über Stegteile einen die Schenkel miteinander verbinden¬ den Steg ergeben. Im Verlauf dieses Steges ist bevorzugt der Geber angeordnet, wobei die beiden Polschuhe im wesentlichen die Form eines L haben. Die Drehachse des Geberelements kann dabei sowohl in der Ebene der Polschuhe liegen, oder aber auch senkrecht zu dieser Ebene stehen (Fig. 1, Fig. 3).

Während nun einerseits bei einem parallelen Verlauf der Schenkel (9) der Polschuhe (9,10) der Geber in der Ebene der Polschuhe verschoben werden kann, ohne daß sich der Magnet¬ fluß in den Polschuhen erheblich ändert, läßt sich nach ei¬ ner Weiterbildung der Erfindung (Anspruch 5) das Prinzip umkehren, indem eine Lageänderung innerhalb der Polschuh¬ ebene zu einer Vergrößerung des Luftspalts und damit zu ei¬ ner Änderung des mittleren Magnetflusses führt (Fig. 5). Eine derartige Möglichkeit zeigt die Merkmalskombination nach Anspruch 5, indem die beiden Schenkel der Polschuhe schräg zueinander stehen, so daß sich eine im wesentlichen V-förmige Konstruktion ergibt. Entfernt sich der Geber in der Ebene der Polschuhe von dem Detektor, so wird der Luft¬ spalt größer und der den Polschuhen zugeführte Magnetfluß im

Mittel geringer. Will man die Größe des Luftspalts und damit den Widerstand zwischen Geber und Polschuhen verkleinern, so empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung eine der Merk¬ malskombinationen nach Anspruch 14 bis 17. Hinsichtlich der Erfindung ergibt sich nur insofern eine Einschränkung, als Bewegungen des Geberelements innerhalb der Ebene der Pol¬ schuhe einen etwas größeren Einfluß auf die Änderung des Meßwertes haben, während Bewegungen quer zur Polschuhebene von geringerem Einfluß auf das Meßergebnis sind. Der Kern der Erfindung wird hiervon aber nicht berührt.

Besonders vorteilhaft ist, daß bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders kleine und daher nicht nur kostengün¬ stige, sondern auch gewichtsoptimierte Magnete als Geber¬ elemente eingesetzt werden können. Die Bündelung des Magnet¬ flusses führt weiterhin zu einer Reduktion des Streufeldes und dessen störende Einwirkungen auf andere magnetempfindli¬ che Bauteile oder -Systeme. Schließlich wird der Einfluß externer Störfelder wirksam behindert.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei¬ spielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher be¬ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung in Seitenansicht teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbei¬ spiels in Seitenansicht;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 in Seitenansicht eine Prinzipskizze eines dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß Fig. 5;

Fig. 7,8 drei weitere Ausführungsbeispiele in und 9 Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 10,11 die Möglichkeit einer diametralen und radialen Magnetisierung des Geberelementes nach einem der vorangegangenen Beispiele

Eine Vorrichtung zum Erfassen rotatorischer Bewegungen um¬ faßt gemäß Fig. 1 ein magnetisch wirksames Geberelement 2, das um eine Drehachse 3 bewegbar insbesondere drehbar an¬ geordnet ist. Das Geberelement 2 ist vorzugsweise ein Perma¬ nentmagnet mit einem magnetischen Nord- und Südpol 4,5. Die Vorrichtung 1 umfaßt darüber hinaus einen magnetfeldempfind¬ lichen Detektor 6 zur Sensierung der Magnetfeldänderung, die bei Rotation des Geberelementes 2 von diesem ausgehen. Als Detektor 6 kommen insbesondere Hall-Elemente oder andere Einrichtungen in Frage, welche eine von der Änderung eines Magnetflusses abhängige Spannung abgeben oder eine von der Größe des Magnetflusses abhängige physikalische Größe an¬ zeigen. An den Detektor 6 ist ferner eine Einrichtung 7 zur Bündelung des Magnetfeldes vorgesehen, welche Schenkel 8,9 und Stegabschnitte besitzen, welche zusammen einen Steg 10 bilden. Die beiden parallel zueinander und parallel zur Drehachse 3 angeordneten Schenkel 8,9 umgreifen und über¬ greifen das Geberelement 2 zumindest teilweise und zusammen mit dem Steg 10 U-förmig, wodurch eine starke Konzentration des Magnetflusses innerhalb der Einrichtung 7 erreicht wird. Die Übertragung des vom Geberelement 2 ausgehenden magneti¬ schen Feldes über die polschuhartigen Schenkel 8,9 sowie den Steg 10 führt zu einer Verringerung der Fehlereinflußgrößen, die beispielsweise durch Exzentrizität des Geberelementes 2

bzw. durch Radialspiel oder Axialspiel des Geberelementes 2 verursacht sind, weil der die Feldstärke beeinflussende Ge¬ samtluftspalt zwischen dem Geberelement 2 und den Schenkeln 8,9 unabhängig von den genannten Lage- und Positionsabwei¬ chungen konstant bleibt. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist besonders unempfindlich hinsichtlich axialer Verschie¬ bungen des Geberelementes gegenüber dem Detektor 6, was er¬ reicht wird durch vergleichsweise lange parallele Schenkel 8,9. Dies ermöglicht ferner die Verwendung eines dünnen Ge¬ berelementes 2, beispielsweise in Form einer magnetisierten Scheibe, wobei ein derartiger Magnet klein und kostengünstig ist.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, ist das Geberelement 2 mittig zwischen den Schenkeln 8,9 angeordnet und weist die Form einer diametral magnetisierten Scheibe 13 auf. Gemäß Fig. 1 ist der Detektor 6 mittig an dem die beiden Schenkel 8,9 miteinander verbindenden Steg 10 angeordnet. Die Figuren 3,4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, daß die glei¬ chen Bauteile wie die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 auf¬ weist. Dementsprechend sind gleiche Bauteile mit den glei¬ chen Bezugsziffern bezeichnet. Auch bei diesem Ausführungs- beispiel bleibt der Gesamtluftspalt 11 konstant, wenn die Scheibe in der Ebene der Schenkel innerhalb eines vorgesehe¬ nen Größenbereichs verschoben wird. Im Unterschied zu Fig. 1 und 2 sind die Schenkel 8,9 rechtwinklig zur Drehachse 3 angeordnet. Die Einrichtung 7 mit den Schenkeln 8,9 sowie mit dem Steg 10 umgreift hierbei einen Großteil des Umfangs der als Geberelement 2 vorgesehenen magnetischen Scheibe, wodurch eine noch stärkere Bündelung des magnetischen Feldes eintritt, was zu einer weiteren Reduzierung des Einflusses von Störungen führt. Bei gleicher Magnetfeldstärke können hierbei noch kleinere Magnete verwendet werden als nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Ein weiterer Vorteil liegt in der stark reduzierten Bauhöhe begründet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Schenkel 8,9 schräg zueinander an¬ geordnet sind. Die Schenkel 8,9 umgreifen zusammen mit den aus den beiden Stegabschnitten gebildeten Steg 10 wesentli¬ che Teile des Umfangs des Geberelementes 2 und durch die Schrägstellung der Schenkel 8,9 verjüngt sich der Zwischen¬ raum zwischen den Schenkeln in Richtung auf den Steg 10. Die Kalibrierung dieser Vorrichtung wird erzielt durch die Ein¬ stellung des Luftspaltes 11 zwischen dem Geberelement und den beiden Schenkeln 8,9. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Einrichtung 7 in Richtung 12 relativ zum Geberelement 2 verschoben wird. Grundsätzlich ist aber auch eine Verschiebung des Geberelementes in Richtung des Doppel¬ pfeils 12 relativ zur Vorrichtung 7 möglich. Wie Fig. 6 fer¬ ner zeigt, kann durch die breiten Schenkel 8,9 ein in Dreh¬ achsenrichtung dünnes Geberelement 2 verwendet werden (Kreisscheibe), was zu einem weiter verbesserten Betriebs¬ verhalten und stark verringerten Kosten führt. Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung erfolgt eine besonders ein¬ fache und kostengünstige Kalibrierung der Vorrichtung 1 durch Einstellung des als Hall-Element ausgebildeten Detek¬ tors 6. Hierdurch kann ggf. eine Verschiebung der Vorrich¬ tung 7 oder des Geberelements 2 entfallen.

Die Fig. 7,8 und 9 zeigen drei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei wurde großer Wert darauf gelegt, daß sich mit einer Drehbewegung des Geberelements 2 eine ver¬ gleichsweise starke Änderung des Magnetflusses ergibt. In den Fig. 7,8 und 9 sind die dem Detektor 6 abgewandten Pol¬ schuhenden 31,32 in Form eines Kreisabschnitts gekrümmt aus¬ gestaltet, wobei die Polschuhenden 31,32 in Schenkel¬ abschnitte 34,35 übergehen, die in etwa mit den Schenkeln 8 und 9 in Fig. 1 vergleichbar sind. Über die Schenkel¬ abschnitte 34,35 wird ein größerer Abstand des Detektors 6 von dem Geber 2 erreicht. Hierdurch wird der magnetische Fluß in den Polschuhen nicht nur durch den großen magneti-

sehen Widerstand der Ausnehmung 38 zwischen den Polschuhen¬ den 31,32 vergrößert, sondern auch durch den durch die Schenkelabschnitte 34,35 umfaßten Raum, der ebenfalls einen großen Widerstand für das Magnetfeld bildet. Das gilt ins¬ besondere für den Fall, daß der Detektor 2 eine gegenüber der gezeigten Stellung geänderte Lage von + 90 Grad oder - 90 Grad hat. In diesen Lagen ist das Magnetfeld und damit der durch die Polschuhe geführte Magnetfluß in seinem Abso¬ lutwert besonders klein. In den Lagen zwischen der zuletzt geschilderten Position und der in Fig. 8 dargestellten Posi¬ tion mit besonders großem Magnetfluß ändert sich der Magnet¬ fluß in den Polschuhen stetig, so daß der Drehwinkel des Gebers oder seiner Winkelstellung sich über den Detektor 6 je nach dessen Ausgestaltung (z.B. Galvanometer oder Hall- Element) bestimmt werden kann. In Fig. 1 ist der Detektor 2 aus einem Magnetkern (z.B. aus AlNiCo) 39 und im wesentli¬ chen kreissektorförmigen Ansätzen 40 aus magnetisch leiten- dem-Material gebildet, so daß diese Ansätze 40 beispiels¬ weise aus Eisen bestehen können.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 sind ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 und 7 gleichartig ausge¬ staltete Polschuhe vorgesehen, in welche in der weiter oben beschriebenen Form eine Magnetfeldsonde (z.B. Hall-Element) eingefügt ist. Im Unterschied zu Fig. 7 ist in Fig. 8 der Geber 2 aus einer radial magnetisierten Scheibe gebildet, an der zwei gegenüberliegende Kreisabschnitte abgeschliffen oder abgetrennt sind. Die Scheibe ist wiederum mit zwei Po¬ len S und N versehen, die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 8 gleicht der nach Fig. 7. Die Polschuhe können wieder¬ um aus massivem Eisen gebildet sein.

Schließlich ist in Fig. 9 der Geber 2 aus einem teilweise magnetisierten Ring 45 gebildet, der wieder einen Nordpol N und einen Südpol S besitzt, in dem dieser Ring auf gegen¬ überliegenden Seiten dementsprechend magnetisiert wurde.

Statt des Ringes kann aber auch eine volle Scheibe verwendet werden, die eine der Magnetisierung des Rings 45 in etwa entsprechende Magnetisierung besitzt.

Figur 10 zeigt die Möglichkeit einer diametralen Magnetisie¬ rung des Geberelementes 2. Dabei sind mit S und N Bezirke angegeben, die bevorzugt magnetisiert werden sollten, um den gewünschten Verlauf der Magnetisierungslinien auf dem ring¬ förmigen Geberelement zu erhalten. Das Geberelement kann aber auch eine Scheibe sein.

Figur 11 zeigt die Möglichkeit einer sogenannten radialen Magnetisierung, bei der die Magnetflußlinien bevorzugt radi¬ al aus dem äußeren Rand des Geberelementes 2 austreten sol¬ len. Hierzu setzt sich das Geberelement aus einem aus magne- tisierbarem Material gebildeten äußern Ring 45 und einem inneren Ring 46 zusammen, die aneinander grenzen bzw. kon¬ zentrisch ineinander gefügt sind. Der innere Ring 46 ist aus magnetisch leitendem Material wie Eisen. In Figur 11 mit den Bezirken S und N die Bereiche angedeutet, die bevorzugt zu magnetisieren sind, um den gewünschten Verlauf der Magnetli- nien zu erhalten. Der innere Ring kann auch als Scheibe aus z.B. Eisen ausgestaltet sein.

Die Erfindung läßt sich daher kurz wie folgt angeben:

Um rotatorische Bewegungen zu erfassen, werden bisher oft Potentiometer eingesetzt. Diese kontaktbehafteten Sensoren werden zunehmend von kontaktlosen Sensoren verdrängt. Ein weit verbreitetes Prinzip ist die Bestimmung des Magnetfel¬ des eines rotierenden Magnetes. Im allgemeinen wird dazu das Magnetfeld einer diametralen magnetisierten Scheibe unmit¬ telbar mit einem magnetfeldempfindlichen Element erfaßt. Wird die Magnetscheibe gedreht, detektiert das magnetfeld¬ empfindliche Element eine Änderung des aktuellen Magnet- fel-des (siehe Abbildung 1). Dieses verbreitete Prinzip hat

jedoch mehrere gravierende Nachteile: die Exzentrizität der Magnetscheibe wirkt sich auf das

Signal aus, die Abweichungen von der Diametralität des Magnetfeldes wirkt sich auf das Signal aus, es besteht eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Axial- und Radialspiel der Magnetscheibe.

Aus den oben genannten Gründen wird im folgenden ein Konzept vorgestellt, mit dem die Eigenschaften des rotatorischen Positionssensors drastisch verbessert werden können. Dieser Sensor besteht ebenfalls aus einer diametral magnetisierten Scheibe, dessen Position erfaßt wird. Jedoch unterscheidet sich der Positionssensor dadurch, daß das Magnetfeld der Scheibe nicht direkt sondern mit Hilfe von sogenannten Pol¬ schuhen an das magnetfeldempfindliche Element geleitet wird. Abbildung 2 zeigt Vorschläge für einen Positionssensor mit Polschuhen. Es gibt im wesentlichen zwei möglichen Anordnun¬ gen:

1. Drehachse der Magnetscheibe parallel zu den Polschuhen.

2. Drehachse der Magnetscheibe senkrecht zu den Polschuhen.

Eine Anordnung mit Polschuhen zeigt wesentliche Vorteile gegenüber einer Anordnung, bei der das Magnetfeld direkt detektiert wird: die Exzentrizität der Magnetscheibe hat einen vergleich¬ bar kleinen Einfluß auf das Ausgangssignal; durch die Polschuhe wird das Magnetfeld über einen größeren räum¬ lichen Bereich gemittelt, somit wirken sich Fehler in der Diametralität des Magnetfeldes weniger stark aus; das Radialspiel der Magnetscheibe wird durch die Pol¬ schuhe weitgehend kompensiert; mit Polschuhen wird der Einfluß des Axialspiels auf das Signal reduziert;

bei einer Anordnung mit Polschuhen können kleinere und damit kostengünstigere Magnete verwendet werden.

Weiterhin können sehr flache Magnetscheiben gewählt werden, da breitere Polschuhe die Empfindlichkeit bezüglich des Axialspiels reduzieren.

Mit der Anordnung nach Abbildungen 3,4, d.h. Polschuhe senk¬ recht zur Drehachse, wird ein sehr kleines Bauvolumen er¬ reicht. Außerdem ergibt sich in dieser Anordnung eine stär¬ kere räumliche Mittelung der Magnetfeldstärke und damit eine Reduzierung des Einflusses von Störungen wie z.B. reduzierte Empfindlichkeit auf Exzentrizität. Um die gleiche Magnet¬ feldstärke zu erreichen, können bei Abbildung 2b kleinere Magnete als bei dem Prinzip in Abbildung 2a verwendet wer¬ den.

Die Empfindlichkeitsgrade der einzelnen Exemplare der ma¬ gnetfeldempfindlichen Elemente streuen untereinander, außer¬ dem variiert die Feldstärke der magnetisierten Scheibe. Des¬ halb muß eine Möglichkeit vorgesehen werden, um eine Kali¬ brierung des gesamten Sensor durchführen zu können. Die hier vorgestellte Lösung beruht darauf, daß die Feldstärke an dem magnetfeldempfindlichen Element von dem gesamten Luftspalt des magnetischen Kreises abhängt.

Zur Kalibrierung eines magnetfeldbasierenden Positionssen¬ sors sollte daher der Luftspalt einstellbar sein. Dieses Prinzip kann z.B. auf die beiden Möglichkeiten in Abbildung 1,2 und 3,4 angewandt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung wie sie in Abbildung 5,6 vorgestellt wird. Diese Abbildung beschreibt einen Positionssensor mit Polschuhen, dessen Abstand mit zunehmender Distanz von dem magnetfeld¬ empfindlichen Element zunimmt. Damit kann durch eine Varia¬ tion der relativen Lage zwischen Polschuhen mit magnet- feld-empfindlichem Element und der Magnetscheibe die gesamte

Charakteristik des Sensors kalibriert werden.

Eine relativ einfache und kostengünstige Kalibrierung kann somit durchgeführt werden, wobei die beschriebenen Vorteile von magnetfeldbasierenden Sensoren mit Polschuhen erhalten bleiben.