DE4215641A1 - Sensor oder drehgeber fuer drehstellungen oder -bewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Drehstellungen und -bewegungen, der auch als Drehgeber zur Erzeugung von Drehbewegungen einsetzbar ist.

Sensoren für Drehstellungen oder -bewegungen sind in großer Zahl bekannt, wobei unterschiedlichste Spezialausführungen für beste Genauigkeit (Auflösung), für höchste Zuverlässigkeit, für niedrige Herstellkosten usw. verfügbar sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, im Vergleich zu der Vielzahl bekannter gattungsgemäßer Sensoren für Drehbewegungen eine Ausführungsform bereitzustellen, die sich durch gute Genauigkeit und Zuverlässigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit bei dennoch niedrigen Herstellkosten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor, dessen physische Grundkonfiguration in Anspruch 1 beschrieben ist und dessen Auswerteverfahren in Anspruch 12 beschrieben ist. Wie bei einer Vielzahl bekannter Sensoren besitzt auch der erfindungsgemäße Sensor gemäß Anspruch 5 eine Verwendungsmöglichkeit als Drehgeber. Es ist erfindungs­ gemäß eine kombinierte Verwendung von Sensor und Drehgeber zur Ausführung von geregelten Drehbewegungen besonders vorteilhaft.

Die Erfindung sieht vor, Drehbewegungen mittels mindestens drei magnetfeldempfindlichen und statisch arbeitenden Sensoren wie zum Beispiel Hall-Sensoren zu detektieren, welche zwischen zwei einfachen Stanzteilen aus Eisen positioniert sind. Die Stanzteile werden ihrerseits durch einen ringförmigen Permanentmagneten mit alternierender axialer Polung erregt Die Stanzteile dienen also als Leitstücke für den magnetischen Fluß. Zur vereinfachten Montage der Sensoren kann eins der Flußleitstücke in bekannter Form als gedruckte Leiterplatte vorgesehen werden. (Sandwichlaminat Eisen/Glasfaser+Epoxidharz). In unterschiedlichen Teilbereichen der Flußleitstücke liegen zumeist unterschiedliche Magnetflüsse vor, die sich bei Bewegung des ringförmigen Magneten zyklisch ändern und gegeneinander definierten Phasenversatz besitzen, z. B. von 120 deg. el.

Die genannten unterschiedlichen Magnetflüsse werden am Ort eines Sensorelements in ein entsprechendes elektrisches Signal gewandelt, wobei die elektrischen Signale sich bei einer Drehbewegung des ringförmigen Magneten ebenfalls zyklisch verändern und ebenfalls einen charakteristischen Phasenversatz gegeneinander aufweisen. Die Auswertung solcher individueller elektrischer Signale durch z. B. eine integrierte Schaltung führt zu einem Wert für die Drehlage des Ringmagneten.

In einer Ausführungsform, die einen zusätzlichen Betrieb als Drehgeber gestattet, werden die Flußleitstücke durch einen Satz von mindestens drei Spulen mit geeigneter Feldstärke und Phasenwinkel magnetisiert. Hierdurch wird ein Drehmoment auf den Ringmagneten ausgeübt, so daß sich eine Drehbewegung nach Maßgabe der eingestellten Feldverteilung und extern anliegender Gegen-Drehmomente ergibt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Fig. 1, 2, 3a, 3b, 4 sowie in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsmäßiges Sensorsystem.

Fig. 2 die Berandung eines unteren, kreisförmigen weichmagnetischen Elements bzw. Flußleitstücks mit montierten magnetfeldempfindlichen Sensoren, einer Auswerteschaltung sowie optional vorgesehenen Spulen, ferner ein zugehöriges Anschlußkabel für Stromversorgung und Fortleitung eines oder mehrerer Nutzsignale.

Fig. 3a und 3b die Berandung eines oberen, kreisringförmigen weichmagnetischen Elements bzw. Flußleitstücks.

Fig. 4 die sog. Abwicklung des Magneten 4.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht das Sensorsystem zum einen aus einem Rotorteil 1. Dieses besteht aus einer drehbaren Welle 2, die über eine kreisförmige Deckplatte 7 und ein zylinderförmiges Rückschlußteil 3 einen ebenfalls zylinderförmigen bzw. ringförmigen Permanent­ magneten 4 trägt. In der gezeichneten Anordnung besitzt die Welle 2 eine (nicht gezeichnete) Lagerung oberhalb des Rotorteils 1, die Lagerung kann aber genauso gut auch unterhalb des Rotorteils angeordnet sein, genauso ist es unerheblich, ob die Lagerung innerhalb der Welle 2 vorgesehen ist oder z. B. als Kugellager die Welle 2 umfaßt.

Der Permanentmagnet besitzt eine Mehrzahl von Nord- und Südpolen, wobei die einzelnen Magnetpole sich z. B. von Stirnseite zu Stirnseite des Magneten erstrecken, und zwar in praktisch äquidistantem Winkelabstand.

In der gezeigten, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich einzelne Magnetbereiche mit je einem Nord- und einem Südpol in axiale Richtung. Benachbarte Magnetbereiche besitzen jedoch unterschiedliche Vorzeichen, das heißt, auf einen Magnetbereich mit einem oberen Nordpol 5 und unterem Südpol 6 folgt ein Magnetbereich mit einem oberen Südpol, wie das auf der rechten Hälfte der Fig. 1 dargestellt ist.

Die Rotoranordnung 1 wirkt auf den Stator 10 ein.

Hierbei wirken die jeweils oberen Hälften der Magnetpole auf die Zähne des oberen Flußleitstücks 30 ein, während die unteren Hälften der Magnetpole auf die Zähnung des unteren Flußleitstücks 10 einwirken. Die Zähnung der beiden Flußleitstücke ist bevorzugt deckungsgleich und weist Aussparungen von 180 deg. el. auf. Auf diese Weise wird z. B. das obere Flußleitstück in einem Teilbereich vorwiegend durch Nordpole erregt, während das untere im entsprechenden Teilbereich eine gegenpolige Erregung durch Südpole wahrnimmt.

Daher besteht zwischen oberem und unterem Flußleitstück ein magnetisches Feld, welches durch einen zwischenliegenden magnetfeldempfindlichen Sensor 21 wahrgenommen wird. Für einen solchen Sensor werden mit Vorteil Hall-Sensoren verwendet, alternativ jedoch auch Feldplatten, magnetoresistive Sensoren etc.

Bei Drehung des Dauermagneten 4 kehren sich nach 180 deg. el. die magnetischen Verhältnisse um.

Vergleichbare Vorgänge finden in den beiden weiteren gezeichneten Teilbereichen des Sensors statt. Allerdings ist durch eine phasenversetzt angebrachte Zähnung dafür gesorgt, daß der Wechsel der Magnetisierung nicht im Gleichtakt zwischen den Teilbereichen bzw. Sektoren des Systems stattfindet, sondern daß deren Magnetisierung einen möglichst exakten Phasenversatz aufweist, im gezeichneten Beispiel einen solchen von 120 deg. el.

Dementsprechend sind auch die Ausgangssignale der drei Sensoren H1, H2 und H3 (Bezugsziffern 21, 22 rsp. 23 mit einen Phasenversatz von 120 deg. el. behaftet.

Die phasenversetzten Ausgangssignale der Sensoren werden sodann durch eine integrierte elektronische Schaltung 20 mittels einer geeigneten Mustererkennung in ein elektrisches Positions-Ausgangssignal gewandelt, wobei die Auswertung völlig entsprechend der Beschreibung der Offenlegungsschrift WO 90/15 473 erfolgt.

In Fig. 2 sind weitere Einzelheiten des unteren Flußleitstücks 10 dargestellt. Wie oben erwähnt, wird dieses Flußleitstück bevorzugt aus einem kaschierten Eisenblech hergestellt, so daß elektronische Bauelemente wie Sensoren 21, 22, 23, IC 20, ggf. Antriebsspulen 24 direkt auf die Kaschierung aufgeklebt und mittels vorgesehener Lötanschlußpunkte 25 oder 26 an gedruckte Leiterbahnen angelötet werden. Desgleichen wird die Zuleitung 17 für die Stromversorgung bzw. für Signalleitungen bevorzugt an derartige Leiterbahnen angelötet bzw. kontaktiert.

Um die phasenversetzten Magnet-Teilflüsse in gewissem Maße voneinander zu separieren, sind Einkerbungen 11 sowie Aussparungen 14 vorgesehen. Die Ausnehmungen 12 dienen wie erwähnt dazu, ein Flußleitstück in den Bereich einer Anzahl gleichnamiger Pole zu bringen Um das Statorteil 10 auf einer vorgesehenen Unterlage zu befestigen, sind Befestigungslöcher vorgesehen, die mit Befestigungselementen 15 zusammenwirken.

Spulen 24 sind optional um die Magnetfeldsensoren 21, 22, 23 angebracht und werden mit Vorteil durch die integrierte Schaltung 20 bestromt. Je nach Stärke und Vorzeichen eines Spulenstroms ergeben sich im oberen und unteren Flußleitstück Magnetfelder, die eine kontinuierliche Positionierung des Rotorteils 1 gestatten. Im Wechsel mit einer derartigen Bestromung erfolgt die Überprüfung der Position bzw. Drehlage des Rotorteils 1 durch Sensorelemente 21, 22, 23 im Zusammenspiel mit IC 20.

In Fig. 3a und 3b ist ein oberes Flußleitstück 30 näher dargestellt.

Gegenüber seiner Peripherie befindet sich der Ringmagnet 4 mit äquidistanten Nord- und Südpolen. Wie man der Fig. 3b entnimmt, besitzen die Zähnungen der einzelnen Bereiche der Flußleitstücke gegeneinander den gewünschten Phasenversatz von 120 deg. el. ( Winkel Beta = 240 deg. el., Winkel Gamma = 120 deg. el.

Es versteht sich, daß anstelle von drei sektorenförmigen Bereichen des Sensors auch z. B. 4, 5, 6, 7 etc. vorgesehen werden können.

Claims (12)

1. Sensor oder Drehgeber für Drehstellungen oder -bewegungen, insbesondere für einen Drosselklappensteller, mit einem statorseitigen Teil (10) und einem Rotorteil (1) und einem Luftspalt dazwischen, wobei der Rotorteil eine permanentmagnetische Erregung aufweist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - der statorseitige Teil weist zwei flächige weichmagnetische Elemente mit mindestens drei Teilbereichen auf, welche zahnartige Vorsprünge (13) besitzen,
• - im magnetischen Kreis sind zwischen den weichmagnetischen Elementen mindestens drei magnetfeldempfindliche Sensoren vorgesehen,
• - die zahnartigen Vorsprünge besitzen eine gleiche räumliche Periodizität, welche zwischen den Teilbereichen definierte Phasenversatzmaße aufweist.

2. Sensor oder Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetring oder -hohlzylinder vorhanden ist, welcher eine Mehrzahl von magnetischen Dipolen aufweist, die in axialer Richtung orientiert sind und wobei benachbarte Dipole alternierende Polarität besitzen.

3. Sensor oder Drehgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring von einem Rückschlußring (3) umschlossen wird.

4. Sensor oder Drehgeber nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Flachspulen vorhanden sind, die mittels einer Ansteuerschaltung bestromt werden und deren Achsen annähernd koaxial zu Normalen liegen, welche durch ein Zentrum der Teilbereiche verlaufen.

5. Sensor oder Drehgeber nach Anspruch 4 zur Verwendung als Antriebsvorrichtung für geregelte oder ungeregelte Drehbewegungen.

6. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Elemente aus einem ferromagnetischen Blech gestanzt sind.

7. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eins der weichmagnetischen Elemente sowohl eine magnetflußleitende Funktion aufweist als auch eine gedruckte Leiterplatte darstellt.

8. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenversatzmaß zumindest annähernd Vielfache von 120 deg. el. beträgt.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Ausgangssignale der magnetfeldempfindlichen Sensoren durch zumindest eine integrierte elektronische Schaltung mittels eines Verfahrens zur Mustererkennung in ein elektrisches Signal gewandelt wird, welches ein direktes Maß für die relative Verdrehung zwischen dem Statorteil und dem Rotorteil darstellt.

10. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähnung der Flußleitstücke eine deckungsgleiche Kontur aufweisen mit einer Mehrzahl von Aussparungen.

11. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodizität von einem Zahn 13 und einer Aussparung 12 der Periodizität von einem Nordpol und einem Südpol entspricht.

12. Auswerteverfahren zur Bestimmung der relativen Drehlage zwischen Rotorteil und Statorteil eines Sensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - digitale oder analoge Ausgangssignale von mindestens drei magnetfeldempfindlichen Sensoren werden zu praktisch gleichen Zeitpunkten gemessen,
• - die Signale werden einer Mustererkennung unterzogen gemäß einem bekannten Auswerteverfahren, insbesondere nach Verfahren gemäß WO 90/15 473, vorzugsweise mittels einer diskreten Fouriertransformation,
• - das Ergebnis der Mustererkennung ist ein Winkel- oder Phasenwert, welcher anhand einer Korrekturtabelle oder -funktion in proportionale Übereinstimmung mit der relativen Drehlage zwischen Rotorteil und Statorteil gebracht wird.