DE19521300A1

DE19521300A1 - Inkrementeller magnetischer Drehgeber

Info

Publication number: DE19521300A1
Application number: DE1995121300
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Parras
Original assignee: PARRAS KARL HEINZ
Current assignee: PARRAS KARL HEINZ
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 1996-12-19

Description

Die Erfindung betrifft einen inkrementellen magnetischen Drehgeber mit einem zylinderförmigen flachen Rotor (1), dessen Mantelfläche die Zähne und Zahnlücken magnetisch leitender Teile (4) eines Stators (5) zugewandt sind, und mit Sensoren (2) und (3) zur Detektion magnetischer Flußänderungen bei Bewegung des Rotors (1).

Ein inkrementeller magnetischer Drehgeber ist aus der Patentanmeldung DE 41 02 277 bekannt. Inkrementelle Drehgeber werden u. a. zur automatischen Messung von Winkel- und Wegpositionen oder zur manuellen Einstellung von z. B. Sollwerten eingesetzt.

Der aus der angegebenen Patentanmeldung bekannte Drehgeber hat einen Rotor mit magnetisch leitfähigen Teilen. Über diese Teile des Rotors, der wie der Stator mit Zähnen versehen ist, werden zwei magnetische Flußkreise geschlossen, die z. B. von gesonderten Permanentmagneten erzeugt werden. Diese Magnete einschließlich der sie umgebenden Sensorspulen sind ebenfalls Bestandteile des Stators.

Die magnetischen Kräfte zwischen Rotor und Stator sorgen dafür, daß der Rotor bei Drehung in bestimmten Positionen, die durch die Lage der Zähne vorgegeben sind, ein mechanisches Einrastverhalten zeigt.

Das Einrastverhalten gibt bei manueller Drehung des Rotors dem Bediener eine sichere Rückmeldung darüber, daß er die Position des Rotors um ein Inkrement verändert hat.

Beim Drehen des Rotors von einer Rastposition zur nächsten wird auch der magnetische Widerstand (und damit der magnetische Fluß) in den beiden magnetischen Kreisen vorübergehend verändert, wodurch Spannungen in den beiden Sensorspulen induziert werden, die durch eine elektronische Schaltung in entsprechende auswertbare Signale umgeformt werden. Die Drehrichtung des Rotors ist durch das Vorzeichen der zeitlichen Verschiebung der beiden induzierten (und integrierten) Spannungen erkennbar; diese Verschiebung ist wiederum eine Folge der geometrischen Anordnung der Zähne auf dem Stator. Damit z. B. keine Fehlentscheidungen über die Drehrichtung getroffen werden, sind alle Bauteile und besonders das Lager innerhalb geringer mechanischer Toleranzgrenzen zu fertigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehgeber der oben erwähnten Art anzugeben, bei dem alle Varianten unempfindlicher gegenüber Fertigungstoleranzen der Bauteile sind. Dabei soll der konstruktive Aufwand nicht erhöht werden. Ein solcher Drehgeber ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Mantelfläche des Rotors enthält Polflächen magnetischer Nord- und Südpole, die sich in axialer Richtung über den Rotor erstrecken und in Drehrichtung gleiche Ausdehnung und alternierende Polarität haben;
b) mindestens zwei Sensoren, die an unterschiedlichen Stellen eines Zahnes oder an zwei verschiedenen Zähnen des Stators positioniert sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dadurch gegeben,
daß der Rotor mindestens eine axial verlaufende Kerbe aufweist, die im Grenzgebiet zwischen zwei Polflächen verläuft und
daß der Rotor mindestens eine axial verlaufende Kerbe aufweist, die jeweils eine Polfläche halbiert und
daß der Rotor in axialer Richtung beweglich gelagert ist und Mittel dafür vorgesehen sind, bei axialer Auslenkung des Rotors aus seiner Ruhelage einen Teil des magnetischen Flusses zwischen Polflächen unterschiedlicher Polarität über einen weiteren Sensor zu leiten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Rotors ist weiterhin dadurch gegeben, daß die zylindrisch angeordneten magnetischen Polflächen alternierender Polarität durch von den Stirnflächen eines axial magnetisierten Ringmagneten oder ringförmig angeordnet er Einzelmagnete ausgehende hochpermeable Flußleitstücke gebildet werden.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 Die Prinzipanordnung eines erfindungsgemäßen Drehgebers im Längs- und Querschnitt;

Fig. 2 Die Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Drehgebers mit axial verlaufenden Grenzkerben zwischen den Polflächen des Rotors;

Fig. 3 Die Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Drehgebers mit Grenzkerben und Halbierungskerben des Rotors;

Fig. 4 Prinzipanordnung eines erfindungsgemäßen Drehgebers mit zusätzlicher axialer Betätigung;

Fig. 5 Abgewickelte Darstellung der Rotor-Polflächen für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4;

Fig. 6 Ausführungsbeispiel der Sensorplatte für den axialen Sensor des Drehgebers nach Fig. 4;

Fig. 7 Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehgeberrotors mit einem axial magnetisierten Ringmagneten;

Fig. 8 Abgewickelte Darstellung der Rotor-Polflächen für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7;

Fig. 9 Darstellung der magnetischen Polaritäten und Signalzustände an den Sensoren sowie der Rastpositionen des Rotors.

Ausführungsbeispiel 1 des Drehgebers

In Fig. 1 wird schematisch der Aufbau eines Ausführungs beispiels des Drehgebers gezeigt.

Auf einer bevorzugt aus Messing gefertigten Achse (6) befindet sich mit ihr fest verbunden ein flacher zylindrischer Rotor (1). Dieser besteht aus magnetischem Material und weist auf seiner Mantelfläche Polflächen (9) magnetischer Nord- und Südpole auf, die in Drehrichtung gleiche Ausdehnung und alternierende Polarität besitzen.

Die Achse (6) wird im Gehäuse (5) und dem Gehäusedeckel (7) leichtgängig drehbar gelagert. Das Gehäuse (5) und der Deckel (7) werden vorzugsweise aus Plastik gefertigt, können aber auch aus anderen, magnetisch nicht leitenden Materialien bestehen (z. B. Messing).

Die Gewindebuchse (8) dient dazu, die gesamte Anordnung z. B. in einer Frontplattenbohrung zu befestigen.

Der Mantelfläche des Rotors sind magnetisch leitende Teile (4) eines Stators zugewandt, der sich fest in den Gehäuseschalen (5) und (7) befindet.

Die magnetisch leitenden Statorteile (4) weisen nach innen gerichtete Zähne und zügehörige Lücken auf, die bewirken, daß der resultierende magnetische Widerstand (Reluktanz) zwischen den Polflächen (9) unterschiedlicher Polarität bei Drehung des Rotors (1) stark variiert.

Die magnetischen Kräfte zwischen Rotor (1) und den magnetisch leitenden Statorteilen (4) tendieren dazu, den Rotor (1) in eine Winkelposition mit kleinem resultierenden magnetischen Widerstand zu bringen. Dadurch ergibt sich das erwünschte Rastverhalten.

Anordnung und Abmessung der Statorzähne sowie der Polflächen (9) des Rotors (1) müssen auf die Anzahl der gewünschten Rastpositionen abgestimmt sein.

Es ist nicht notwendig, daß die Statorteile (4) über den gesamten Kreisumfang vorhanden und gezahnt sind.

Der Rotor besitzt also bei der vorgegebenen Anordnung der Zähne und der Rotorpole aus Fig. 1 zwanzig mechanische Rastpositionen. Die Größe der rücktreibenden Kraft ist über die Größe des Luftspalts zwischen Rotor (1) und den Zähnen der Statorteile (4) sowie die Remanenz-Feldstärke der Rotorpole in weiten Grenzen unterschiedlichen Erforder nissen anpaßbar.

Die magnetischen Sensoren (2) und (3) befinden sich im magnetischen Flußverlauf und detektieren die Flußrichtung in den zugeordneten Zähnen des Statorelements (4). Es handelt sich dabei um bipolare magnetische Schalter (z. B. Hallelemente mit integriertem Verstärker und Komparator) mit hinreichend großer Hystere. Durch den gewählten Zahnabstand der beiden Sensoren (2) und (3) ergibt sich bei Drehen des Rotors ein Signalverlauf, wie er in Fig. 9 skizziert ist: Wenn der Rotor (1) zur benachbarten Rastposition bewegt wird, ändert sich der Signalzustand nie gleichzeitig in beiden Sensoren (2) und (3).

Aus dem Phasenversatz der beiden Sensorsignale läßt sich in herkömmlicher Art die Drehrichtung erkennen.

Über den Steckverbinder (10) werden die Signale der Magnetsensoren der externen Auswerteschaltung zur Verfügung gestellt.

Fig. 2 zeigt eine Variante zur Gestaltung des Rotors. Es sind hierbei jeweils axial verlaufende Kerben (11) zwischen den Polflächen (9) des Rotors (1) vorhanden (Grenzkerben).

Durch diese Maßnahme wird das mechanische Rastverhalten der Anordnung "härter", weil bei Drehung des Rotors (1) der Übergang zwischen dem Bereich hoher und niedriger Reluktanz abrupter verläuft.

Fig. 3 zeigt eine weitere Rotorversion zur Verstärkung des mechanischen Rastverhaltens, bei der zusätzlich zu den Grenzkerben (11) weitere axial verlaufende Kerben (12) vorhanden sind, die die Polflächen (9) des Rotors (1) halbieren (Halbierungskerben).

Für alle Rotorversionen werden vorteilhaft und kosten günstig kunststoffgebundene Magnetmaterialien verwendet, die in die gewünschte Form gepreßt und geeignet aufmagnetisiert werden.

Ausführungsbeispiel 2 des Drehgebers

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine weitere Ausführungsform des Drehgebers, bei der zusätzlich über einen weiteren magnetischen Sensor (15) ein Selektionssignal abgegeben werden kann, wenn der Drehgeber in axialer Richtung betätigt wird, d. h. wenn die Achse des Drehgebers in Richtung des Drehgeber-Gehäuses bewegt wird.

Der Aufbau ist im Wesentlichen identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel. Auf einer magnetisch nicht leitenden Achse (6) befindet sich mit dieser fest verbunden der Magnetrotor (1). Dieser kann fast baugleich mit den im ersten Ausführungsbeispiel dargestellten Varianten sein.

Die wesentliche Erweiterung des Rotors gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin,

- daß die Pole einer Polarität (im Beispiel Fig. 4 die Nordpole) in axialer Richtung eine größere Tiefe gegenüber den Polen der anderen Polarität und gegenüber den Statorelementen (4) aufweisen,
- und daß eine die Achse (6) umschließende verlängerte Rotorhülse (20) mit ebenfalls hoher Permeabilität vorhanden ist.

Fig. 5 veranschaulicht die Gestaltung der Rotorpole in der Abwicklung.

Die Achse (6) ist im Gehäuse (5) und im Gehäusedeckel (7) leicht drehbar und in axialer Richtung verschiebbar gelagert.

Die Drehwinkelsignale werden wie im ersten Ausführungsbeispiel durch Detektion der magnetischen Flußrichtung mittels der Magnetsensoren (2) und (3) generiert.

In der axialen Ruhelage befindet sich der Rotor (1) am Anschlag der Stirnseite des Drehgebergehäuses (5). Er wird auch in dieser Ruhelage mit einer kleinen Kraft gegen die Gehäusestirnseite gedrückt, da der Rotor (1) in axialer Richtung den Ort des minimalen magnetischen Widerstandes nicht erreichen kann. Anders ausgedrückt: Da die Tiefe der Pole (9) einer der beiden magnetischen Polaritäten in axialer Richtung auf einer Seite deutlich größer ist als die Dicke des magnetisch leitenden Statorelements (4), bleibt auch in der mechanischen Ruhelage eine Kraftkomponente des Rotors (1) in Richtung Stirnseite des Gehäuses bestehen. Dies geht aus Fig. 4 hervor.

Der axiale Bewegungsweg wird durch den mechanischen Anschlag der Achse (6) bzw. der Rotorhülse (20) am Gehäusedeckel (7) begrenzt.

Wird der Rotor (1) in axialer Richtung aus seiner Ruhelage bewegt, so nimmt die Flußdichte in den Zähnen der Statorelemente (4) zwar ab, die Flußrichtung wird jedoch nicht verändert. Das bedeutet mit anderen Worten, daß eine axiale Bewegung des Rotors (1) den Signalzustand an den Sensoren (2) und (3) nicht verändert.

Aus genau diesem Grund ist die gesamte Anordnung unempfindlich gegen magnetische oder mechanische Toleranzen der einzelnen Bauteile: Der Signalzustand an Sensor (2) oder (3) ändert sich nur dann, wenn die magnetische Flußrichtung invertiert wird, Intensitäts-Schwankungen der magnetischen Flußdichte haben keinen Einfluß.

Zwischen dem Sensorring (16) und der Sensorplatte (14) befindet sich ein dritter magnetischer Sensor (15). Dieser Sensor (15) besteht bevorzugt aus einem Hall-Element mit hysteresebehaftetem Schwellwertschalter. Sensorring (16) und Sensorplatte (14) sind aus hochpermeablem Material gefertigt und sorgen im Bereich des Sensors (15) für eine magnetische Flußkonzentration.

Eine sinnvolle Gestaltung der Sensorplatte (14) geht aus Fig 6 hervor. Der dort eingetragene Winkel alpha ist so bemessen, daß er unabhängig von der Winkelposition des Rotors (1) immer eine vollständige Polbreite der in axialer Richtung verlängerten Rotorpole erfaßt.

Der Abstandsring (13) ist magnetisch nicht leitend und dient lediglich der mechanischen Arretierung.

Wenn der Rotor (1) axial aus seiner Ruhelage bewegt wird, wird ein zunehmender magnetischer Fluß zwischen den Rotor- (Nord-) Polen über die Sensorplatte (14), den Sensor (15) und den Sensorring (16) und der Rotorhülse (20) aufgebaut. Bei einem bestimmten Schwellenwert spricht der Sensor (15) an und generiert damit das Selektionssignal.

Für die axiale Betätigung ergibt sich eine Kraft-Weg- Funktion, die bei richtiger Dimensionierung ohne zusätzliche Maßnahmen und Aufwand das erwünschte "Schnapp- Verhalten" realisiert: Bei geringer Entfernung aus der axialen Ruhelage ist die zurücktreibende Kraft zunächst gering, steigt dann mit größer werdendem Weg rasch an und fällt plötzlich ab, wenn der Rotor vollständig aus der Ebene der Statorelemente (4) herausbewegt ist.

Auch wenn sich die Achse am unteren Anschlag (Gehäusedeckel (7)) befindet, ist die rücktreibende Kraft jedoch immer noch ausreichend groß, um den Rotor (1) wieder in seine Ruhelage am vorderen Gehäuseanschlag zu bringen, sobald die Achse freigelassen wird. D.h. bei maximaler Auslenkung ist die Summe der Kräfte, die über die Rotorpole und die Statorelemente (4) in axialer Richtung generiert werden immer noch größer als die durch den Flußverlauf über die Sensorplatte (14), den Sensorring (16) und die Rotorhülse (20) erzeugte axiale Kraft.

Weiteres Beispiel eines Drehgeberrotors

In Fig. 7 ist beispielhaft eine zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel funktionsgleiche Rotorausführung dargestellt, die auf der Verwendung eines axial magnetisierten Ringmagneten (17) basiert.

Dieser Ringmagnet (17) umschließt die magnetisch nicht leitende Achse (6). Die zylindrisch angeordneten magnetischen Polflächen alternierender Polarität werden durch von den Stirnflächen des Ringmagneten (17) ausgehende hochpermeable Flußleitstücke (18; 19) gebildet.

Fig. 8 zeigt diese Flußleitstücke (18) und (19) in der Abwicklung.

Claims

1. Inkrementeller magnetischer Drehgeber mit einem zylinderartigen Rotor (1), dessen Mantelfläche die Zähne und Zahnlücken magnetisch leitender Teile (4) eines Stators (5) zugewandt sind, und mit Sensoren (2; 3) zur Detektion magnetischer Flußänderungen bei Bewegung des Rotors (1), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Mantelfläche des Rotors (1) enthält Polflächen (9) magnetischer Nord- und Südpole, die sich in axialer Richtung über den Rotor (1) erstrecken und in Drehrichtung gleiche Ausdehnung sowie alternierende Polarität haben;
b) mindestens zwei Sensoren (2; 3), die an unterschiedlichen Stellen eines Zahnes oder an zwei verschiedenen Zähnen der magnetisch leitenden Teile (4) des Stators positioniert sind.

2. Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) mindestens eine axial verlaufende Kerbe (11) aufweist, die im Grenzgebiet zwischen zwei Polflächen (9) verläuft (Grenzkerbe).

3. Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) mindestens eine axial verlaufende Kerbe (12) aufweist, die eine Polfläche (9) halbiert (Halbierungskerbe).

4. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) in axialer Richtung beweglich gelagert ist und Mittel (14; 16; 20) dafür vorgesehen sind, bei axialer Auslenkung des Rotors (1) aus seiner Ruhelage einen Teil des magnetischen Flusses zwischen Polflächen (9) unterschiedlicher Polarität über einen weiteren Sensor (15) zu leiten.

5. Rotor für einen Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch angeordneten magnetischen Polflächen alternierender Polarität durch von den Stirnflächen eines axial magnetisierten Ringmagnets (17) oder ringförmig angeordneter Einzelmagnete ausgehende hochpermeable Flußleitstücke (18; 19) gebildet werden.