DE10060574A1 - Multiturn-Codedrehgeber - Google Patents

Multiturn-Codedrehgeber

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Abstract

Bei einem Multiturn-Codedrehgeber ist mit einer Eingangswelle (2) eine erste Codescheibe (3) zur Erfassung der Winkellage der Eingangswelle (2) innerhalb einer Umdrehung angeordnet. Zur Erfassung der Anzahl der Umdrehungen der Eingangswelle (2) ist ein Multiturn-Teil (5) mit untersetzt angetriebenen weiteren Codescheiben in Form von Magnetkörpern (10, 11, 12) vorgesehen. Zwischen der ersten Codescheibe (3) und dem Multiturn-Teil (5) ist eine Leiterplatte (4) mit Detektoreinrichtungen (8, 30, 31, 32) zur Abtastung der ersten Codescheibe (3) und den Magnetkörpern (10, 11, 12) angeordnet. Die Detektoreinrichtungen (8, 30, 31, 32) der ersten Codescheibe (3) und der Magnetkörper (10, 11, 12) sind auf einer gemeinsamen Seite (40) einer Leiterplatte (4) montiert, die der ersten Codescheibe (3) gegenübersteht (Figur 2).

Description

In vielen Fällen ist es erforderlich, die Position einer Welle innerhalb einer Umdrehung sowie die Anzahl von Umdrehungen absolut zu erfassen. Zu diesem Zweck werden Multiturn-Codedrehgeber eingesetzt, wie beispiels­ weise in der WO 99/57522, der DE 28 17 172 C2 und der DE 195 34 995 A1 beschrieben.
Derartige Drehgeber sollen einerseits kompakt aufgebaut sein und ande­ rerseits eine hohe Messgenauigkeit aufweisen. Gemäß dem Drehgeber der DE 28 17 172 C2 sind zum platzsparenden Aufbau die über ein Unter­ setzungsgetriebe angetriebenen Codescheiben innerhalb des Umfangsbe­ reiches der Eingangscodescheibe angeordnet. Die Detektorelemente zur Abtastung der Eingangs-Codescheibe und der dazu untersetzt angetriebe­ nen Codescheiben sind auf unterschiedlichen Leiterplatten angeordnet.
Bei dem in der DE 195 34 995 A1 beschriebenen Multiturn-Codedrehgeber sind die Detektorelemente zur Abtastung einer Eingangs-Codescheibe und dazu untersetzt angetriebener Codescheiben auf einer Seite einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Um dies zu erreichen, sind die untersetzt angetriebenen Codescheiben räumlich neben der Eingangs- Codescheibe angeordnet, was die Baugröße erhöht und den Aufbau erschwert, da kein modularer Aufbau möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Multiturn-Codedrehgeber anzugeben, der kompakt aufgebaut ist, eine modulare Bauweise ermöglicht und eine hohe Winkelauflösung hat.
Diese Aufgabe wird von einer Anordnung mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1 gelöst.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Detektoreinrichtungen des Eingangs-Codeträgers und der untersetzt dazu angetriebenen Codeträger auf einer einzigen Oberfläche einer Leiterplatte in einem gemeinsamen Verfahrensschritt nach bekannten Kontaktierungsverfahren aufgebracht werden können.
Die gegenüberliegende Oberfläche der Leiterplatte steht für weitere Bau­ elemente zur Signalverarbeitung zur Verfügung und kann nach einem weiteren Verfahren bestückt werden. Darüber hinaus kann zumindest weitgehend der gesamte Umfang des Drehgebers für die Codierung des Eingangs-Codeträgers verwendet werden, wodurch eine maximale Winkelauflösung in Abhängigkeit des gesamten Umfangs des Drehgebers ermöglicht wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patent­ ansprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zei­ gen
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Multiturn-Co­ dedrehgebers im Querschnitt und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Multiturn-Co­ dedrehgebers als Explosionsdarstellung.
Der Multiturn-Codedrehgeber ist modular aufgebaut und besteht aus einem Trägerteil 1, einer Eingangewelle 2 mit einer daran befestigten Eingangs- Codescheibe 3, einer Leiterplatte 4 und einem Multiturn-Teil 5. Zur Erfas­ sung der absoluten Position innerhalb einer Umdrehung der Eingangswelle 2 trägt diese eine Codierung 6, die von einer Lichtquelle 7 beleuchtet wird und von einer Detektoreinrichtung 8 abgetastet wird. Die Codierung 6 ist ein mehrspuriger Code, in der Regel ein Gray-Code, wobei die feinste Spur eine hochauflösende Inkrementalspur ist, die vorteilhafterweise möglichst weit außen am Umfang der Codescheibe 3 angeordnet ist, um möglichst viele Teilungsperioden über den Umfang anordnen zu können. Je mehr Teilungs­ perioden über den gesamten Umfang angeordnet sind, desto höher ist die zu erfassende Winkelauflösung des Drehgebers.
Die Eingangswelle 2 ist im Trägerkörper 1 drehbar gelagert und treibt unter­ setzt weitere Codeträger 10, 11, 12 an. Hierzu ist im Multiturn-Teil 5 ein Un­ tersetzungsgetriebe 20 angeordnet, von dem in Fig. 1 die Zahnräder 21 und 22 im Schnitt dargestellt sind. Die weiteren Codeträger 10, 11, 12 dienen zur Messung der Anzahl der Umdrehungen der Eingangswelle 2, wobei jede weitere Codescheibe 10, 11, 12 über das Untersetzungsgetriebe 20 von dem jeweils vorgeschalteten Codeträger 10, 11, 12 untersetzt angetrieben wird und zur Abtastung jedes Codeträgers 10, 11, 12 eine Detektoreinrichtung 30, 31, 32 vorgesehen ist, von denen in den Figuren nur eine zu sehen ist. Zum platzsparenden Aufbau sind die Codeträger 10, 11, 12 innerhalb des Umfangsbereiches der Eingangs-Codescheibe 3 angeord­ net.
Die Drehachsen der Codeträger 10, 11, 12 sind konzentrisch und parallel zur Eingangswelle 2 und die Codeträger 10, 11, 12 sind in einer gemeinsa­ men Ebene angeordnet. Jeder der Codeträger ist ein Magnetkörper 10, 11, 12 mit in Umfangsrichtung abwechselnd angeordneten Magnetpolen (Nord Süd), im einfachsten Fall sind die Magnetkörper 10, 11, 12 jeweils als Stab­ magnete mit einem einzigen Nord- und Südpol ausgeführt.
Die Detektoreinrichtung 8 zur lichtelektrischen Abtastung der Eingangs-Co­ descheibe 3 und die Detektoreinrichtungen 30, 31, 32 zur Erfassung der Magnetfelder der Magnetkörper 10, 11, 12 sind Halbleiterbauelemente und auf einer gemeinsamen Oberfläche 40 bzw. Seite der Leiterplatte 4 aufge­ bracht und elektrisch kontaktiert. Diese Oberfläche 40 der Leiterplatte 4 ist der Eingangs-Codescheibe 3 direkt gegenüberliegend angeordnet. Der Multiturn-Teil 5 mit den Magnelkörpern 10, 11, 12 steht der anderen Oberfläche 41 der Leiterplatte 4 gegenüber. Die eine Oberfläche 40 der Leiterplatte 4 ist vorteilhafterweise durch ein erstes Verfahren bestückt und die gegenüberliegende Oberfläche 41 mit einem zweiten davon abweichenden Verfahren bestückt. Die lichtelektrische Detektoreinrichtung 8 und die magnetfeldempfindlichen Detektoreinrichtungen 30, 31, 32 sind mittels Drahtbonden auf der Oberfläche 40 kontaktiert und elektrische Bauelemente zur Signalverarbeitung der Abtastsignale der Detektoreinrichtungen 8, 30, 31, 32 sind SMD-Bauelemente und auf der Oberfläche 41 oberflächenmontiert.
Die Leiterplatte 4 ist zumindest im Bereich, in dem sie die lichtelektrische Detektoreinrichtung 8 trägt und in dem sie am Trägerteil 1 befestigt ist, dick und somit stabil ausgebildet. In den Abtastbereichen zur Erfassung der Magnetfelder der Magnetkörper 10, 11, 12 in denen die magnetfeldempfind­ lichen Detektoreinrichtungen 30, 31, 32 angeordnet sind, ist die Leiterplatte 4 in ihrer Dicke verringert oder mit Durchbrüchen versehen. In Fig. 1 ist einer dieser dünner ausgebildeten Bereiche in Form einer Sacklochbohrung 50 dargestellt und in Fig. 2 ist jeweils eine Scklochbohrung 50, 51, 52 für einen der Magnetkörper 10, 11, 12 schematisch dargestellt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den mag­ nelfeldempfindlichen Detektoreinrichtungen 30, 31, 32 und den Magnetkör­ pern 10, 11, 12 annähernd oder sogar kleiner als die Dicke der Leiterplatte 4 gewählt werden kann, wodurch die Qualität, insbesondere die Amplituden der Abtastsignale erhöht wird.
Der Multiturn-Teil 5, die Codescheibe 3 und die Leiterplatte 4 sind durch eine gemeinsame Abdeckung 9 vor Umwelteinflüssen geschützt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Codescheibe 3 im Durchlicht abgetastet, die Erfindung ist aber auch bei einer Codescheibe anwendbar, die im Auflicht abtastbar ist, indem auch die Lichtquelle 7 auf der Leiterplatte 4 auf der Seite 40 angeordnet und dort vorzugsweise auch kontaktiert ist.
Ein kompakter Aufbau ist auch in nicht dargestellter Weise erreichbar, wenn die erste Codescheibe 3 zwischen der Leiterplatte 4 und den Magnetkörpern 10, 11, 12 angeordnet ist. Die erste Codescheibe 3 kann wiederum im Durchlicht- oder Auflicht-Abtastverfahren abgetastet werden. Alle Detektor­ einrichtungen 8, 30, 31, 32 sind auf der Seite 40 der Leiterplatte 4 aufgebracht, die der Codescheibe 3 gegenübersteht. Das Magnetfeld der Magnetkörper 10, 11, 12 gelangt durch die Codescheibe 3 zu den magnetfeldempfindlichen Detektoreinrichtungen 30, 31, 32 auf der Leiterplatte 3, weshalb die Codescheibe 3 aus nichtferromagnetischem Material bestehen muss.
Jede der Detektoreinrichtungen 30, 31, 32 ist vorteilhafterweise ein Halblei­ tersubstrat mit einer darin integrierten räumlichen Anordnung von mehreren magnetfeldempfindlichen Sensorelementen in Form von Hall- oder magneto­ resistiven Elementen und enthält eine Auswerteschaltung, um an dessen Ausgang ein digitales Codewort mit mehreren Bits auszugeben, das die ab­ solute Winkellage des zugeordneten Magnetkörpers 10, 11, 12 angibt.

Claims (7)

1. Multiturn-Codedrehgeber mit
einem ersten Codeträger (3), der mit einer Eingangswelle (2) ver­ bunden ist und zur Erfassung der Winkellage der Eingangswelle (2) von einer Detektoreinrichtung (8) abtastbar ist;
mehreren weiteren Codeträgern (10, 11, 12) zur Messung der An­ zahl der Umdrehungen der Eingangswelle (2), wobei jeder weitere Codeträger (10, 11, 12) über ein Untersetzungsgetriebe (20) unter­ setzt zu dem jeweils vorgeschalteten Codeträger (3, 10, 11) ange­ trieben ist und zur Abtastung jedes weiteren Codeträgers (10, 11, 12) eine Detektoreinrichtung (30, 31, 32) vorgesehen ist;
die weiteren Codeträger (10, 11, 12) innerhalb des Umfangsberei­ ches des ersten Codeträgers (3) angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, dass
die Detektoreinrichtung (8) des ersten Codeträgers (3) und die De­ tektoreinrichtungen (30, 31, 32) der weiteren Codeträger (10, 11, 12) auf einer gemeinsamen Seite (40) einer Leiterplatte (4) ange­ ordnet sind.
2. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Codeträger (3) der Seite (40) der Leiterplatte (4) gegenüberliegend angeordnet ist, auf der die Detektoreinrichtungen (8, 30, 31, 32) angeordnet sind und die weiteren Codeträger (10, 11, 12) der gegenüberliegenden Seite (41) der Leiterplatte (4) zugewandt angeordnet sind.
3. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Codeträger um parallel zur Eingangswelle (2) verlaufende Drehachsen drehbar gelagerte Magnetkörper (10, 11, 12) sind, denen jeweils eine magnetfeldempfindliche Detektoreinrichtung (30, 31, 32) zugeordnet ist, und dass die Leiterplatte (4) im Bereich der magnetfeldempfindlichen Detektoreinrichtungen (30, 31, 32) dünner ausgebildet ist als im übrigen Bereich.
4. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) im Bereich der magnetfeldempfindlichen Detektoreinrichtungen (30, 31, 32) Durchbrüche oder Sacklochboh­ rungen (50) aufweist.
5. Multiturn-Drehgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkörper (10, 11, 12) in die Durchbrüche oder Sack­ lochbohrungen (50) hineinragen.
6. Multiturn-Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Magnetkörper (10, 11, 12) in Drehrichtung abwechselnd unterschiedlich magnetisiert ist.
7. Multiturn-Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Codeträger eine licht­ elektrisch abtastbare Codescheibe (3) ist, der eine photoelektrische Detektoreinrichtung (8) auf der Leiterplatte (4) zugeordnet ist.
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