Induktiver Weg- oder Drehwinkelsensor mit zwischen zwei Spulen angeordnetem Abschirmblech

Beschreibung Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem induktiven Weg- oder Drehwinkelsensor beinhaltend wenigstens eine elektrische, mit Windungen versehene Spule sowie ein mit dieser zusammenwirkendes Beeinflussungselement, welches abhängig von seiner Lage eine unterschiedliche Induktivität der wenigstens einen Spule hervorruft, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein gattungsgemäßer induktiver Drehwinkelsensor ist beispielsweise aus der EP 0 797 078 A1 bekannt. Bei dem bekannten Drehwinkelsensor ist die Spule auf einen kastenförmigen Spulenkörper aus nicht magnetisch leitfähigem Material gewickelt, dessen seitliche öffnungen teilweise durch Bleche aus magne- tisch leitfähigem Material bedeckt sind. Das drehbare Beeinflussungselement ist dabei fahnenartig an der Welle befestigt und in jeder Drehlage vollständig innerhalb des Spulenkörpers gelagert. Je nach Drehlage überdeckt sich das drehbare Beeinflussungselement mit den seitlichen Blechen unterschiedlich. Das lineare Verhalten des Drehwinkelsensors wird dann durch die im wesentli- chen lineare Abhängigkeit der überdeckungsfläche, die sich zwischen dem drehbaren Beeinflussungselement und den Blechen bildet, erreicht. Durch eine Drehung der Welle verändert sich die Winkellage des drehbaren Beeinflussungselements und somit auch seine überdeckungsfläche mit den Blechen, was in einer messbaren änderung des magnetische Widerstands des magneti- sehen Kreises und damit der Induktivität resultiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Wegoder Drehwinkelsensor der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass er kostengünstig zu fertigen und robust aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass wenigstens zwei in Bezug zu einer Spulenachse koaxial angeordnete, separate Spulen mit einem axialen Zwischenraum vorgesehen sind, in welchen das Beeinflussungselement mit von seiner Lage abhängigem überdeckungsgrad mit den von den Spulen erzeugten Magnetfeldern eintauchbar ist.

Das Einbringen des wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material be- stehenden Beeinflussungselements in den Zwischenraum zwischen den Spulen bewirkt eine Beeinflussung zum einen der Eigeninduktivitäten der Spulen und zum andern der Gegeninduktivität, was zur Erzeugung eines weg- oder dreh- winkelabhängigen Messsignals genutzt wird. Die Ausführung gemäß der Erfindung bedingen einen besonders einfach aufgebauten und robusten Sensor.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.

Zur Realisierung eines Drehwinkelsensors ist das Beeinflussungselement besonders bevorzugt um eine zur Spulenachse parallele Welle zur übertragung der zu sensierenden Bewegung drehbar ausgebildet und mit von seiner Drehlage abhängigem überdeckungsgrad mit dem von den Spulen erzeugten Magnetfeld in den axialen Zwischenraum eintauchbar.

Weiterhin sind die wenigstens zwei Spulen beispielsweise in Reihe geschaltet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht das Beeinflussungselement wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material. In diesem Fall sind die Spulen bevorzugt gegensinnig verschaltet. Es findet in diesem Fall im wesentlichen keine Kopplung zwischen den Induktivitäten L der Spulen statt. Die relative änderung der Gegeninduktivität M bei mit und ohne in den Zwischen-

räum eingetauchtem oder eingedrehtem Beeinflussungselement ist dann größer als die relative änderung der einzelnen Eigeninduktivitäten L der Spulen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Beeinflussungselement wenigstens teilweise aus einem paramagnetischen oder diamagnetischen Material bestehen. Beispielsweise ist dann das Beeinflussungselement aus einem Metallblech gefertigt und besteht wenigstens teilweise aus Aluminium. In diesem Fall sind die Spulen bevorzugt gleichsinnig verschaltet. Bei dieser Ausführungsform ist bei mit und ohne in den Zwischenraum eingetauchtem oder eingedrehtem Beeinflussungselement die relative änderung der einzelnen Eigeninduktivi- täten L der Spulen größer als die relative änderung der Gegeninduktivität M.

Besonders bevorzugt ist der axiale Zwischenraum zwischen den Spulen klein gegenüber der Längserstreckung der Spulen in Richtung der Spulenachse.

Eine besonders einfache Ausführung ergibt sich, wenn das drehbare Beeinflussungselement ein bezogen auf die Welle exzentrischer gelagerter Körper ist. Weiterhin kann der Querschnitt des drehbaren Beeinflussungselements derart ausgebildet sein, dass die Induktivität der Spulen eine lineare Abhängigkeit vom Drehwinkel des drehbaren Beeinflussungselements zumindest in einem Drehwinkelbereich kleiner gleich 360 Grad aufweist. Nicht zuletzt trägt zu einer einfachen und kostengünstigen Ausführung eines Drehwinkelsensors bei, wenn das drehbare Beeinflussungselement in einer Ebene senkrecht zur Welle oder senkrecht zur Spulenachse schwenkbar angeordnet und es beispielsweise in zumindest einer Drehlage den Stirnflächen der Spulen zwischengeordnet ist. Denn dann kann sich das drehbare Beeinflussungselement mit von seiner Drehlage abhängigem überdeckungsgrad mit einer gedachten axialen Verlän- gerung der Spuleninnenräume überdecken, in welchen die von den Spulen erzeugten Magnetfeldlinien konzentriert sind.

Genaueres geht aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor.

Zeichnungen

Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig.1 eine schematische Querschnittsansicht eines

Drehwinkelsensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig.2 eine Stirnansicht des Drehwinkelsensors von Fig.1 ;

Fig.3 ein schematisches Schaltbild von zwei bei dem Drehwinkel- sensor von Fig.1 und Fig.2 verwendeten gegensinnig verschalteten Spulen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig.4a bis 4c den Verlauf der Magnetfeldlinien im Bereich der gegensinnig verschalteten Spulen von Fig.3 in Abhängigkeit von der Dreh- Stellung eines in den Zwischenraum zwischen den Spulen eingebrachten ferromagnetischen Beeinflussungselements;

Fig.5 ein schematisches Schaltbild von zwei bei dem Drehwinkelsensor von Fig.1 und Fig.2 verwendeten gleichsinnig verschalteten Spulen gemäß einer weiteren Ausführungsform; Fig.6a bis 6c den Verlauf der Magnetfeldlinien im Bereich der gleichsinnig verschalteten Spulen von Fig.5 in Abhängigkeit von der Drehstellung eines in den Zwischenraum zwischen den Spulen eingebrachten para- bzw. diamagnetischen Beeinflussungselements.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Anwendung eines Drehwinkelsensors 1 gemäß der Erfindung besteht beispielsweise darin, dass bei einer elektronischen Niveauregelung einer Luftfederung eines Fahrzeugs das Niveau, d.h. der Abstand zwischen dem Fahrzeug-

rahmen und einer Achse gemessen wird und dazu der Drehwinkelsensor 1 an einem Rahmen des Fahrzeugs befestigt ist und die Bewegung zwischen dem Fahrzeugrahmen und der Achse über eine Hebelmechanik übertragen wird. Der vom Drehwinkelsensor gemessene Winkel stellt dann ein Maß für das Ni- veau des Fahrzeugrahmens in Bezug zur Achse dar.

In Fig.1 ist zur beispielhaften Erläuterung der Erfindung ein Drehwinkelsensor 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Drehwinkelsensor 1 dient zur Wandelung einer mechanischen Drehbewegung in ein elektrisches Signal, welches proportional zum Drehwinkel ist, im Rahmen eines berührungslosen Messverfahrens.

Hierzu beinhaltet der Drehwinkelsensor 1 wenigstens zwei mit elektrisch leitfähigen Windungen versehene Spulen 2, 4 sowie ein mit diesen zusammenwirkendes, um eine Welle 6 zur übertragung der zu sensierenden Drehbewegung drehbares Beeinflussungselement 8. Abhängig von seiner Drehlage soll das drehbare Beeinflussungselement 8 eine unterschiedliche Induktivität L der Spulen 2, 4 hervorrufen.

Im folgenden seien die für das Messprinzip dienenden physikalischen Grundlagen beschrieben. Allgemein erzeugt ein Strom I in einer Zylinderspule ein magnetisches Feld mit einer Feldstärke H:

H = I - (1 )

wobei n die Windungszahl und I die Spulenlänge ist. Die Feldstärke H erzeugt eine Kraftflussdichte B

B = μ _r μ _Q - H (2)

wobei μo die Permeabilität und μ _r die Permeabilitätszahl ist, wobei für letztere gilt : μ _r <1 für diamagnetische Materialien, μ _r >1 für paramagnetische Materialien, und

μ _r »1 für ferromagnetische Materialien. Eine änderung der Kraftflussdichte B induziert in der Spule eine Spannung U _ιnd :

U _ιnd = n B - A (3)

Aus den Gleichungen (1 ) bis (3) ergibt sich dann für die induzierte Spannung U _ind :

U _ιnd = n A - μ _r - μ ₀ - j • / (4)

Für die Induktivität L der Spule ergibt sich dann:

L = n ² - μ _r - μ _ϋ - — (5)

Die beiden Spulen 2, 4 sind in Bezug zu einer gemeinsamen Spulenachse 9 koaxial angeordnet und separat, d.h. jede der Spulen 2, 4 besitzt einen eigenen Spulenkörper 10, 12 , auf weichen je eine Spulenwicklung aus elektrisch leitfähigem Draht, beispielsweise Kupferdraht aufgewickelt ist sowie eigene Anschlüsse. Zwischen den zueinander gerichteten, senkrecht zur Spulenachse 9 angeordneten Stirnflächen 14, 16 der Spulen 2, 4 ist ein axialer Zwischenraum 18 vorgesehen, in welchen das um die zur Spulenachse 9 parallele Welle 6 drehbare Beeinflussungselement 8 mit von seiner Drehlage abhängigem überdeckungsgrad mit dem von den Spulen 2, 4 erzeugten Magnetfeld eintauchbar ist.

Die beiden Spulen 2, 4 sind vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet und wei- sen je einen Spuleninnenraum 22, 24 auf, wobei der Spuleninnenraum 22 der einen Spule 2 unter überbrückung des Zwischenraums 18 mit einer gedachten Verlängerung des Spuleninnenraums 24 der anderen Spule 4 fluchtet, weil die Spulen 2, 4 Zylinderspulen mit vorzugsweise gleich großem Innen- und Außendurchmesser sind. Der axiale Zwischenraum 18 ist bevorzugt klein gegenüber der Längserstreckung der Spulen 2, 4 in Richtung der Spulenachse 9.

Die Spulen 2, 4 sind vorzugsweise zueinander gegensinnig oder gleichsinnig in Reihe geschaltet, so dass zumindest in ihren zugeordneten Spuleninnerräumen 22, 24 gegensinnige oder gleichsinnige Magnetfelder erzeugt werden, d.h. dass die Richtung der Magnetfeldlinien der Spulen 2, 4 wenigstens im Bereich der Spuleninnenräume 22, 24 gleichsinnig bzw. gleichgerichtet oder gegensinnig bzw. entgegengerichtet ist.

Der Querschnitt des drehbaren Beeinflussungselements 8 ist insbesondere derart ausgebildet, dass die Induktivität L der Spulen 2, 4 eine lineare Abhängigkeit vom Drehwinkel des drehbaren Beeinflussungselements 8 zumindest in einem Drehwinkelbereich kleiner gleich 360 Grad aufweist. Wie aus Fig.2 hervorgeht, ist das drehbare Beeinflussungselement 8 bevorzugt ein bezogen auf die Welle 6 exzentrisch gelagerter Körper, hier beispielsweise mit einem näherungsweise nockenförmigen Querschnitt. Weiterhin ist das drehbare Beeinflussungselement 8 beispielsweise einstückig ausgebildet. Alternativ könnte das drehbare Beeinflussungselement 8 mehrere an seinem Umfang angeordnete Ausformungen enthalten, welche je einem Messbereich zugeordnet sind, beispielsweise 120 Grad. In diesem Fall ist das drehbare Beeinflussungselement 8 beispielsweise kleeblatt- oder zahnradförmig ausgebildet.

Weiterhin ist das drehbare Beeinflussungselement 8 bevorzugt wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt, wobei darunter ein magnetisch leitfähiges oder weich-magnetisches Material verstanden wird, welches eine Permeabilitätszahl μ » 1 und eine magnetische Suszeptibilität χ > 0 aufweist. Zu einem solchen ferromagnetischen Material zählen beispielsweise Eisen, Kobalt oder Nickel. Sie stärken das sie durchdringende magnetische Feld erheblich, indem sie den magnetischen Widerstand verringern.

Alternativ kann das drehbare Beeinflussungselement 8 mehrstückig und/oder wenigstens teilweise aus einem paramagnetischen Material gefertigt sein, d.h. dass das Material eine Permeabilitätszahl μ > 1 und eine magnetische Suszeptibilität χ > 0 aufweist. Zu einem solchen ferromagnetischen Material zählen

beispielsweise Platin oder Aluminium. Sie stärken das sie durchdringende magnetische Feld geringfügig.

Nicht zuletzt könnte das drehbare Beeinflussungselement 8 wenigstens teilweise aus einem diamagnetischen Material gefertigt sein, d.h. dass das Material eine Permeabilitätszahl μ < 1 und eine magnetische Suszeptibilität χ < 0 aufweist. Zu einem solchen diamagnetischen Material zählen beispielsweise Kupfer oder Silber. Sie schwächen das sie durchdringende magnetische Feld geringfügig.

Besonders bevorzugt ist das drehbare Beeinflussungselement 8 aus einem Me- tallblech gefertigt, beispielsweise aus einem Aluminiumblech. Das Einbringen des drehbaren, wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material bestehenden Beeinflussungselements 8 in den Zwischenraum 18 zwischen den beiden Spulen 2, 4 bewirkt eine Beeinflussung zum einen der Eigeninduktivitäten Li und L- ₂ der beiden Spulen 2, 4 und zum andern der Gegeninduktivität M.

Vor diesem Hintergrund ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors 1 wie folgt : Durch eine zu sensierende Drehung der Welle 6 in eine beliebige Richtung verändert sich die Winkellage des drehbaren Beeinflussungselements 8 und somit auch seine Eindringtiefe in den Zwischenraum 18 zwischen den Spulen 2, 4. Diese Veränderung der Eindringtiefe oder der überlagerungsfläche mit der gedachten axialen Verlängerung der Spuleninnen- räume 22, 24 verändert die Eigeninduktivitäten L ₁ und L ₂ der Spulen 2, 4 und deren Gegeninduktivität M, was zur Signalgewinnung genutzt wird.

Die Erregung der Spulen 2, 4 kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor erfolgen, welcher rechteckförmige, sinusförmige oder beliebige Impulse einer Wechselspannungsquelle in die Spulen 2, 4 einspeist. Aus der Dauer des Abklingens des Impulses auf einen unteren Grenzwert kann dann die Gesamtinduktivität der Spulen 2, 4 bestimmt werden. In diesem Fall wird der an der Welle 6 wirkende Drehwinkel mittels einer Zeitmessung bestimmt.

In Fig.3 ist als bevorzugte Ausführungsform eine gegensinnige Verschaltung der Spulen 2, 4 gezeigt, wobei der Punkt den Wicklungssinn der Windungen angibt. Wie dort veranschaulicht, ist dann die Richtung des Stroms I durch die Spulen 2, 4 gegenläufig. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das drehbare Be- einflussungselement 8 zumindest in dem überdeckungsbereich mit den beiden Spulen 2, 4 aus einem ferromagnetischen Material gefertigt.

Fig.4a bis Fig.4c zeigt demgegenüber den Verlauf der Magnetfeldlinien 26 im Bereich der gegensinnig verschalteten Spulen 2, 4 von Fig.3 in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des drehbaren Beeinflussungselements 8 in den Zwi- schenraum 18 zwischen den Spulen 2 und 4, wobei Fig.4a die Situation des noch nicht eingetauchten, Fig.4b die Situation des teilweise eingetauchten und Fig.4c die Situation des voll eingetauchten ferromagnetischen Beeinflussungselements 8 zeigt.

Wenn das drehbare Beeinflussungselement 8 noch nicht in den Zwischenraum 18 eingedreht ist, sorgt die gegensinnige Verschaltung der beiden Spulen 2 und 4 dafür, dass die durch die Spulen 2, 4 erzeugten Magnetfeldlinien 26 im Bereich der Spuleninnenräume 22, 24 gegensinnig zueinander verlaufen, wie aus Fig.4a hervorgeht. Die Eigeninduktivitäten L ₁ und L ₂ der Spulen 2, 4 sind unter der Annahme gleich aufgebauter Spulen 2, 4 gleich groß und minimal, die Ge- geninduktivität M dagegen maximal und es gilt für die Gesamtinduktivität L _ges :

L _ges = L ₁ + L ₂ - 2M (6)

Im vorliegenden Fall ist diese Gesamtinduktivität L _ges wegen der geringen Et- geninduktivitäten L ₁ und L ₂ und der relativ großen Gegeninduktivität M relativ klein. Es kommt zu einer Kopplung der beiden Spulen 2, 4 . Das teilweise Eintauchen des Beeinflussungselements 8 in den Zwischenraum 18 gemä Fig.4b bedingt demgegenüber eine schwächere Kopplung der beiden Spulen 2, 4.

Wenn hingegen das drehbare Beeinflussungselement 8 in den Zwischenraum 18 maximal eingedreht oder eingetaucht ist, sind die Eigeninduktivitäten L ₁ und

L ₂ aufgrund der Ablenkung bzw. Umlenkung der Magnetfeldlinien 26 durch das ferromagnetische Beeinflussungselement 8 maximal, die Gegenkopplung M jedoch minimal, so dass die Gesamtinduktivität L _ges gemäß Gleichung (6) relativ groß ist. Das in den Zwischenraum 18 eingebrachte ferromagnetische Beein- flussungselement 8 schirmt die beiden Spulen 2, 4 quasi gegeneinander ab. Es findet in diesem Fall folglich im wesentlichen keine Kopplung zwischen den Induktivitäten Li und L ₂ mehr statt.

Die relative änderung der Gegeninduktivität M bei mit und ohne in den Zwischenraum 18 eingedrehtem Beeinflussungselement 8 (Fig.4a und Fig.4c) ist größer als die relative änderung der einzelnen Eigeninduktivitäten Li und L ₂ der beiden Spulen 2, 4.

In Fig.5 ist als weitere Ausführungsform eine gleichsinnige Verschaltung der Spulen 2, 4 gezeigt. Wie dort durch Pfeile veranschaulicht, ist dann die Richtung des Stroms I in den Spulen 2, 4 gleichläufig. Bei diesem Ausführungsbei- spiel ist das drehbare Beeinflussungselement 8 zumindest in dem überdeckungsbereich mit den beiden Spulen 2, 4 aus einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material gefertigt.

Fig.6a bis Fig.6c zeigt demgegenüber den Verlauf der Magnetfeldlinien 26 im Bereich der gleichsinnig verschalteten Spulen 2, 4 von Fig.5 in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des drehbaren Beeinflussungselements 8 in den Zwischenraum 18 zwischen den Spulen 2, 4, wobei Fig.6a die Situation des noch nicht eingetauchten, Fig.6b die Situation des teilweise eingetauchten und Fig.öc die Situation des voll eingetauchten Beeinflussungselements 8 zeigt.

Wenn das drehbare Beeinflussungselement 8 noch nicht in den Zwischenraum 18 eingedreht ist, sorgt die gleichsinnige Verschaltung der beiden Spulen 2 und 4 dafür, dass die durch die Spulen 2, 4 erzeugten Magnetfeldlinien 26 im Bereich der Spuleninnenräume 22, 24 gleichsinnig zueinander verlaufen, wie aus Fig.4a hervorgeht. Die Eigeninduktivitäten Li und L ₂ der Spulen 2, 4 sind unter der Annahme gleich aufgebauter Spulen 2, 4 gleich groß und minimal, die Ge- geninduktivität M ebenfalls minimal und es gilt für die Gesamtinduktivität L _ges :

Lges = L ₁ + L ₂ + 2M (7)

Im vorliegenden Fall ist diese Gesamtinduktivität L _ges wegen der geringen Eigeninduktivitäten Li und L ₂ und der geringen Gegeninduktivität M relativ klein.

Wenn hingegen das drehbare Beeinflussungselement 8 ein Stück weit in den Zwischenraum 18 eingedreht wird, erhöht sich die Kraftflussdichte B ₁ wodurch sich auch die Eigeninduktivitäten Li und L ₂ der Spulen 2, 4 erhöhen (Fig.6b).

Wenn das Beeinflussungselement 8 vollständig in den Zwischenraum 18 eingedreht ist, wird die Kraftflussdichte B maximal, woraus sich maximale Eigeninduktivitäten Li und L ₂ ergeben, weiterhin ist auch die Gegenkopplung M maxi- mal, so dass die Gesamtinduktivität L _gβs gemäß Gleichung (7) maximal groß ist.

Bei dieser Ausführungsform ist bei mit und ohne in den Zwischenraum 18 eingedrehtem Beeinflussungselement 8 (Fig.6a und Fig.6c) die relative änderung der einzelnen Eigeninduktivitäten Li und L ₂ der beiden Spulen 2, 4 größer als die relative änderung der Gegeninduktivität M. Die Erfindung ist nicht auf Drehwinkelsensoren beschränkt. Sie kann auch bei Wegsensoren angewandt werden, bei welchen das Beeinflussungselement 8 mit einer linearen Bewegung in den Zwischenraum 18 zwischen den Spulen 2, 4 mit von seiner Position abhängigem überdeckungsgrad mit dem von den Spulen 2, 4 erzeugten Magnetfeldern eintauchbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Drehwinkelsensor

2 Spule 4 Spule 6 Welle

8 Beeinflussungselement

9 Spulenachse

10 Spulenkörper 12 Spulenkörper 14 Stirnfläche

16 Stirnfläche

18 Zwischenraum

22 Spuleninnenraum

24 Spuleninnenraum 26 Magnetfeldlinien