DE102005005111A1 - Drehgeber - Google Patents

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    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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Abstract

Es wird ein Drehgeber zur Messung des Ausmaßes der rotatorischen Positionsveränderung eines rotierenden Objekts angegeben, der Folgendes umfasst: eine Teilscheibe zum Messen des Ausmaßes der rotatorischen Positionsveränderung; ein Magnetelement zum Bestimmen der Umdrehungszahl des rotierenden Objekts; ein Magnetsensorelement, das zumindest einem Teilbereich des Magnetelements gegenüberliegend angeordnet ist und das Magnetfeld des Magnetelements erfasst. Das Magnetelement ist dem Magnetsensorelement über die Teilscheibe hinweg gegenüberliegend angeordnet (Figur 1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehgeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieser ist geeignet, das Ausmaß der Rotation eines rotierenden Objekts zu erfassen, d.h. die Umdrehungszahl und/oder den Drehwinkel um die Rotationsachse.
  • Im allgemeinen gibt es bei sog. Multiturn-Drehgebern neben Mitteln zur Erfassung des Ausmaßes der Rotationsbewegung innerhalb einer Umdrehung ferner Mittel zur Feststellung der Umdrehungszahl, wenn mehr als eine Umdrehung erfolgt. Letztgenannte Mittel umfassen ein Magnetelement in Form eines Ringmagneten sowie ein zugehöriges Magnetsensorelement. Für die Anordnung des beispielsweise ringförmigen Magnetelements gibt es je nach der Art oder Aufbau des Drehgebers verschiedene Varianten. Beispielsweise ist ein Aufbau gemäß 8 bekannt, bei dem sich eine zu einer Drehachse symmetrische Hohlwelle 2 von der Anbringungsstelle einer Teilscheibe 4 in Richtung einer Grundplatte 3 bzw. Platine und über diese hinaus erstreckt. Am oberen Ende der Hohlwelle 2 bzw. Drehachse ist in diesem Beispiel das Magnetelement 6 angeordnet.
  • Der Drehgeber mit dem in 8 beispielhaft gezeigten Aufbau besitzt eine Hohlwelle 2, die an einem das zu messende Objekt darstellenden Drehkörper o.ä. angebracht und damit gekoppelt ist, ein Lager 5 zur drehbaren Anordnung der Hohlwelle sowie einen Grundkörper 1, an dem das Lager 5 fixiert ist. An der Hohlwelle 2 ist eine Durchgangsöffnung 2a ausgebildet, die annähernd den gleichen Durchmesser wie die Welle des – nicht dargestellten – Drehkörpers aufweist, damit diese Welle an der unteren Seite mit der Hohlwelle 2 verbunden werden kann. Oberhalb des Haltebereichs des Lagers 5 ist eine Teilscheibe 4 mit einer Teilungsstruktur mit vielen Schlitzen angebracht. Über der Teilscheibe 4 ist, wie oben ausgeführt, das Magnetelement 6 in Form eines Ringmagnets angeordnet. Der Teilscheibe 4 gegenüberliegend ist darüber eine am Grundkörper 1 fixierte Grundplatte 3 in Form einer Platine angeordnet, an der gegenüberliegend an einer Stelle, die der Teilungsstruktur gegenüberliegt, ein Lichtempfangselement 9 angeordnet ist, der eine stationäre Abtastplatte 10 mit ein oder mehreren Schlitzen zugeordnet ist. Das Lichtempfangselement 9 ist ferner elektrisch an einen – nicht dargestellten – Schaltkreis auf der Grundplatte 3 angeschlossen.
  • Auf der der Anbringungsstelle des Lichtempfangselements 9 gegenüberliegenden Seite der Teilscheibe 4 ist ein Lichterzeugungselement 11 angeordnet. Das vom Lichterzeugungselement 11 ausgestrahlte Licht kann über die Schlitze der Teilscheibe 4 und die stationäre Abtastplatte 10 vom Lichtempfangselement 9 detektiert werden.
  • Das Lichterzeugungselement 11 wird durch eine Haltegrundplatte 12 gehalten, die am Grundkörper 1 fixiert ist. Für den Aufbau und die Anbringungsstellen der Bestandteile des optischen und des magnetischen Abtastsystems dieses Drehgebers gibt es je nach der Art des Drehgebers verschiedene Ausführungsformen.
  • Beim Magnetelement 6 bzw. Ringmagnet, der im Bereich oberhalb der Grundplatte 3 an der Hohlwelle 2 angebracht ist, kehren sich die Magnetpole während einer Umdrehung um. Ein Magnetsensorelement 7, das diese Veränderung der Magnetpole erfasst, ist so angeordnet, dass es der Umfangs fäche des ringförmigen Magnetelements 6 gegenüberliegt. Ein Vorspannungs-Magnetelement 8, welches ein Vorspannungsmagnetfeld für das Magnetsensorelement 7 erzeugt, ist an derjenigen Seite des Magnetsensorelements 7 ausgebildet, die zu der zum Magnetelement 6 gerichteten Fläche entgegengesetzt ist. Das Magnetsensorelement 7 und das Vorspannungs-Magnetelement 8 sind durch einen nicht dargestellten Aufbau mechanisch und elektrisch an die Grundplatte 3 bzw. Platine angeschlossen.
  • Bei diesem Aufbau, bei dem die Hohlwelle 2 über die Grundplatte 3 hinausragt und bei dem das ringförmige Magnetelement 6 sowie das Magnetsensorelement 7 und das Vorspannungs-Magnetelement 8 wie dargestellt angebracht werden, resultiert eine große Bauform des Drehgebers, da insbesondere oberhalb der Grundplatte 3 zusätzliches Bauvolumen benötigt wird, um das der Drehgeber vergrößert wird.
  • Ferner ist aus der JP 6-3159 ein Drehgeber-Aufbau bekannt, bei dem ein kreisringförmiges Magnetelement 6 sowie das Magnetsensorelement 7 und das Vorspannungs-Magnetelement 8 zwischen der Teilscheibe 4 und der Grundplatte 3 angeordnet sind. Wie in 9 gezeigt, reicht hierbei die Hohlwelle 2 bis zur Teilscheibe 4. Das Magnetelement 6 ist über dem Verbindungsbereich der Hohlwelle 2 und der Teilscheibe 4 auf der Oberseite der Teilscheibe 4 angeordnet. Das Magnetsensorelement 7 und das Vorspannungs-Magnetelement 8 sind gegenüberliegend zum Magnetelement 6 an der Grundplatte 3 angeordnet. Der weitere Aufbau entspricht jenem von 8, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen wurden; auf eine nochmalige Beschreibung derselben wird daher verzichtet.
  • In der JP 6-3159 sind keine Details zur Anordnung bzw. Ausbildung des Vorspannungs-Magnetelements 8 offenbart, so dass davon auszugehen ist, dass dieses einstückig mit dem Magnetsensorelement 7 ausgeführt ist.
  • Trotz der derart möglichen Verringerung der Länge der Hohlwelle 2, ist aufgrund der Anordnung des Magnetelements 6, des Magnetsensorelements 7 und des Vorspannungs-Magnetelements 8 zwischen der Teilscheibe 4 und der Grundplatte 3 nach wie vor ein gewisses Bauvolumen zur Anordnung dieser Elemente nötig.
  • In den letzten Jahren ist es aufgrund des zunehmendem Integrationsgrads elektrischer Schaltkreise möglich geworden, auf immer kleinerem Raum zahlreiche elektronische Bauteile anzuordnen. Auch bei Drehgebern werden zunehmend Bauformen erwartet, die die Vorteile der Miniaturisierung der elektronischen Bauteile ausnutzen. Im Fall der grundsätzlich möglichen Verringerung der Bauhöhe des Lichtempfangselements resultiert im zuletzt diskutierten Beispiel auch eine Verringerung des Abstands zwischen der Teilscheibe und der Grundplatte. Die Anordnung des Magnetelements in diesem Bereich wird dann schwierig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Drehgeber zu schaffen, bei dem kein spezieller Bauraum für das Magnetelement zur Bestimmung der der Umdrehungszahl nötig ist. Eine kompakt-bauende und flache Bauform des Drehgebers soll ermöglicht werden. Ferner soll die Anordnung der verschiedenen Elemente zur Erfassung der Umdrehungszahl eine hinreichend große Signalamplitude gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Drehgeber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehgebers ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
  • Der erfindungsgemäße Drehgeber zur Messung des Ausmaßes der rotatorischen Positionsveränderung eines rotierenden Objekts umfasst eine Teilscheibe zum Messen des Ausmaßes der rotatorischen Positionsveränderung, ein Magnetelement zum Bestimmen der Umdrehungszahl des rotierenden Objekts sowie ein Magnetsensorelement, das zumindest einem Teilbereich des Magnetelements gegenüberliegend angeordnet ist und welches das Magnetfeld des Magnetelements erfasst. Das Magnetelement ist dem Magnetsensorelement über die Teilscheibe hinweg gegenüberliegend angeordnet.
  • Vorteilhafterweise ist beim erfindungsgemäßen Drehgeber an der entgegengesetzten Fläche einer Grundplatte, auf der das Magnetsensorelement angeordnet ist, ein Vorspannungs-Magnetelement angeordnet, das ein Vorspannungsmagnetfeld für das Magnetsensorelement erzeugt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehgebers sind das Vorspannungs-Magnetelement, das Magnetsensorelement und das Magnetelement so angeordnet, dass die jeweiligen Magnetfeldstärken des Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetelements im Detektionsbereich des Magnetdetektionselements etwa gleich werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehgebers sind das Vorspannungs-Magnetelement, das Magnetsensorelement und das Magnetelement derart angeordnet, dass der Abstand zwischen der Detektionsfläche des Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits und der Abstand von der Detektionsfläche des Magnetsensorelements bis zum Magnetelement andererseits in etwa gleich groß sind.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird kein spezieller Raum für das Magnetelement zur Erfassung der Umdrehungszahl benötigt. Eine kleinbauende und flache Ausgestaltung des Drehgebers ist möglich.
  • Außerdem ist es möglich, einen Drehgeber bereitzustellen, der mit Mitteln zur Erfassung der Umdrehungszahl versehen ist, bei dem die räumliche Relativanordnung des Magnetelements zur Erfassung der Umdrehungszahl, des Magnetsensorelements und des Vorspannungs-Magnetelements so passend wie möglich festgelegt werden kann. Derart können die Amplituden der Ausgangssignale des Magnetsensorelements vorteilhaft vergrößert werden.
  • Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Drehgebers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.
  • Dabei zeigt
  • 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Drehgebers gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Drehgebers gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Drehgebers gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine teilweise Schnittansicht, die die Positionsbeziehung des Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehgebers;
  • 5 ein Diagramm, das die Ausgangsspannung des Magnetwiderstandselements der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehgebers für jeden Zwischenraum;
  • 6 eine teilweise Schnittansicht zur Erläuterung der Positionsbeziehung zwischen dem Magnetelement und dem Vorspannungs-Magnetelement;
  • 7 eine teilweise Schnittansicht zur Erläuterung der Positionsbeziehung zwischen dem Magnetelement und dem Vorspannungs-Magnetelement;
  • 8 eine Schnittansicht zum Aufbau eines Drehgebers gemäß dem Stand der Technik;
  • 9 eine Schnittansicht zum Aufbau eines anderen Drehgebers gemäß dem Stand der Technik.
  • Bevor die detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erfolgt, seien zunächst noch einige grundlegende Aspekte der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Der erfindungsgemäße Drehgeber zur Messung des Ausmaßes der Positionsveränderung (des Drehausmaßes) eines zu messenden Objekts umfasst einen Grundkörper mit zumindest einer Teilscheibe zum Messen des Ausmaßes der rotatorischen Positionsveränderung und ein Magnetelement zum Messen der Umdrehungszahl von mehr als einer Umdrehung und/oder der Umdrehungsrichtung. Ferner weist der Drehgeber ein Magnetsensorelement auf, bei dem es sich um einen Sensor handelt, der zumindest einem Teilbereich des Magnetelements gegenüberliegend angeordnet ist und welcher die Zahl der Umdrehungen des Magnetelements feststellt. Das Magnetelement ist dem Magnetsensorelement über die Teilscheibe hinweg gegenüberliegend angeordnet. Vorzugsweise ist an der entgegengesetzten Fläche einer Grundplatte bzw. Platine, auf der das Magnetsensorelement angeordnet ist, ein Vorspannungs-Magnetelement vorhanden, das ein Vorspannungsmagnetfeld für das Magnetsensorelement erzeugt.
  • Da das Magnetelement zur Feststellung der Zahl n von Umdrehungen beim Drehgeber auf Seiten der Fixierungsfläche der Teilscheibe zur Feststellung einer Umdrehung angeordnet wird, ist kein spezieller Bauraum für das Magnetelement und das Vorspannungs-Magnetelement nötig. Dadurch wiederum ist eine kleinformatige und flache Ausführung des erfindungsgemä ßen Drehgebers möglich. Durch die bevorzugte Anordnung des Vorspannungs-Magnetelements an der entgegengesetzten Fläche der Grundplatte, auf der das Magnetsensorelement angeordnet ist, kann die Positionsbeziehung des Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements so geeignet wie möglich eingerichtet werden; insbesondere können derart die jeweiligen Magnetfeldstärken des Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetelements an der Detektionsfläche des Magnetsensorelements etwa gleich groß eingerichtet werden.
  • Der grundlegende Aufbau des erfindungsgemäßen Drehgebers sieht folgende Bestandteile auf Seiten des Drehgeber-Grundkörpers vor: eine Teilscheibe, die zum Messen des normalen Ausmaßes der Positionsveränderung des zu messenden Objekts, konkret des Umdrehungsausmaßes o.ä. nötig ist; optische Elemente (Lichtquelle, Lichtempfangselemente), die zur Abtastung der Teilscheibe nötig sind; ein Magnetelement zum Feststellen der Zahl n von Umdrehungen (wobei n eine ganze Zahl außer 0 und eine Bruchzahl ist) und der Umdrehungsrichtung; ein Magnetsensorelement, das die Magnetfeld-Veränderungen des Magnetelements feststellt; sowie je nach Notwendigkeit elektrische Schaltkreise o.ä. zum Verarbeiten der Signale, die von den einzelnen Elementen erzeugt werden. Als zu messendes Objekt können zum Beispiel Motoren sowie Drehaufbauten o.ä. die daran angeschlossen sind, vorgesehen sein, die jeweils eine Drehtätigkeit übertragen oder damit gekoppelt sind.
  • Das beispielsweise ringförmige Magnetelement wird beim erfindungsgemäßen Drehgeber verwendet, um bei der Messung des Ausmaßes der Positionsveränderung des zu messenden Objekts die Zahl n von erfolgten Umdrehungen um die Rotationsachse zu messen. Normalerweise ist n zumindest "1", das heißt, zumindest eine Umdrehung; doch gibt es auch Fälle, bei denen eine Erfassung von etwa nur einer halben Umdrehung erfolgen kann. Die Zahl n kann daher sowohl eine ganze Zahl (außer 0) sein oder aber eine Bruchzahl.
  • Das Magnetelement ist dem Magnetsensorelement über die Teilscheibe hinweg gegenüberliegend angeordnet. Das heißt, das Magnetelement ist vom Magnetsensorelement her gesehen rückseitig zur Teilscheibe angeordnet, so dass der durch das Magnetelement eingenommene Bauraum minimiert bzw. auf ein Mindestmaß verringert werden kann und der Drehgeber noch kleinformatiger und flacher ausgeführt werden kann. Der erwähnte Bereich der Rückseite der Teilscheibe entspricht jenem Bereich, in dem die Teilscheibe normalerweise an der Welle des Drehgebers fixiert ist. Daher ist das Magnetelement vorzugsweise so angeordnet, dass es in die Drehgeber-Welle eingebettet oder in einer Einheit damit ausgeführt ist. Vorzugsweise sind das Vorspannungs-Magnetelement zur Verleihung eines Vorspannungsmagnetfelds, das Magnetsensorelement und das Magnetelement räumlich derart zueinander positioniert, dass die vom Vorspannungs-Magnetelement und vom Magnetelement erfassten Magnetfeldstärken etwa gleich groß sind, wenn die Detektionsfläche des Magnetsensorelements als Messort herangezogen wird. Noch bevorzugter sind die Abstände zwischen dem Vorspannungs-Magnetelement und dem Magnetsensorelement einerseits und zwischen dem Magnetsensorelement und dem Magnetelement andererseits in etwa gleich groß gewählt.
  • Was die Positionsbeziehung des vorzugsweise ringförmigen Magnetelements, des Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetsensorelements betrifft, ist eine Anordnung ideal, bei der die Stärke der Magnetfelder am Detektionsort etwa gleich wird.
  • Zur Angabe einer idealen räumlichen Anordnung der verschiedenen Elemente seien zunächst bestimmte Abstände definiert. So sei der Abstand von der Detektionsfläche des Magnetsensorelements bis zur Fläche des Vorspannungs-Magnetelement, die dem Magnetsensorelement gegenüberliegt, als A bezeichnet; der Abstand von der Magnetdetektionsfläche des Magnetsensorelements bis zur Fläche des Magnetelements, die dem Magnetsensorelement gegenüberliegt, sei als B bezeichnet. Wenn nunmehr die Materialeigenschaften des Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements gleich sind und die erzeugten Magnetfelder identisch sind, so ist eine Anordnung vorteilhaft, bei der die Größen A und B den Beziehungen A = B bzw. zumindest A ≅ B genügen.
  • Wenn der Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Magnetelement kleiner als der Abstand A gewählt würde, wäre es zur Anordnung des Vorspannungs-Magnetelements grundsätzlich nötig, die Grundplatte bzw. Platine spanend zu bearbeiten und deren Form anzupassen. In diesem Fall resultiert eine komplexere Formgebung der Grundplatte, die einen erhöhten Bearbeitungsaufwand erfordert und zudem eine schwierige Montage verursacht.
  • Zum Beispiel sind bei der in 6 gezeigten Anordnung das Magnetsensorelement 7 und das Vorspannungs-Magnetelement 8 einander gegenüberliegend an der Vorderseite (der von der Figurenebene gesehen oberen Fläche) und der Rückseite (der von der Figurenebene gesehenen unteren Fläche) der Grundplatte 3 bzw. Platine angeordnet. Das Magnetelement ist ferner an der Seite der unteren Fläche der Teilscheibe 4 angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung ist die Beziehung A = B erfüllt. Mit A wird hierbei der Abstand zwischen dem Magnetsensorelement 7 und dem Vorspannungs-Magnetelement 8 bezeichnet, d.h. der Abstand von der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements 7 bis zur Fläche des Vorspannungs-Magnetelements 8, die mit der Grundplatte 3 in Kontakt steht. Mit B wird derjenige Abstand bezeichnet, der den Abstand von der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements 7 bis zur oberen Endfläche des an der Seite der unteren Fläche der Teilscheibe 4 angeordneten magnetischen Drehkörpers 6 angibt.
  • Wenn andererseits das Magnetelement 6 wie in 7 gezeigt über der Teilscheibe 4, d. h. im Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 angeordnet würde, liegen das Magnetsensorelement 7 und das Magnetelement 6 so nah beisammen, dass es für eine Anordnung des Vorspannungs-Magnetelements 8 unter Berücksichtigung der Beziehung A = B nötig wird, die Grundplatte 3 bzw. Platine zu bearbeiten und ihre Form zu verändern. Die Formgebung der Grundplatte wird wiederum komplex und erfordert einen erhöhten Bearbeitungsaufwand.
  • Was die Positionsbeziehung des Magnetelements, des Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetsensorelements betrifft, beträgt der Unterschied zwischen den Entfernungen A und B vorzugsweise höchstens 25%, wenn die Stärken der resultierenden Magnetfelder des Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements etwa gleich sind. Als Bezugsflächen zur Berechnung der Entfernung dienen dabei die jeweils gegenüberliegenden Flächen des Magnetelements und des Vorspannungs-Magnetelements und die Detektionsfläche des Magnetsensorelements.
  • Das Magnetelement kann ringförmig, aber auch scheibenförmig ausgebildet werden und sollte so aufgebaut sein, dass in der Umfangsrichtung fortlaufend ein Magnetfeld erzeugt wird und sich außerdem die Magnetpole oder der Magnetismus innerhalb einer Umdrehung verändern. Was das magnetische Material des Magnetelements betrifft, können verschiedenste magnetische Materialien wie etwa Ferritmagnete, Seltenerdenmagnete oder Edelmetallmagnete verwendet werden. Das ideale Material kann daraus je nach den benötigten magnetischen Eigenschaften ausgewählt werden. Durch die Verwendung eines sogenannten Verbundmagnets, bei dem das Material pulverförmig ist und durch Harz fixiert ist, ergibt sich eine flexible Formgebung, was für eine Anwendung bei der nachstehend besprochenen Einbettungsausführung nützlich ist. Normalerweise ist das Magnetelement so ausgeführt, dass sich die Magnetpole während einer Umdrehung ein oder mehrmals umkehren. Die Positionen, an denen sich die Magnetpole umkehren, oder die Positionen, an denen sich der Magnetismus verändert, können je nach dem Aufbau des erfindungsgemäßen Drehgebers beliebig festgelegt werden.
  • Als geeignetes Material für das Vorspannungs-Magnetelement kommen verschiedenste Magnetmaterialien in Betracht, sofern diese zur Erzeugung des erforderlichen Vorspannungsmagnetfelds geeignet sind. Da, wie oben erwähnt, die Erzeugung eines Magnetfelds bevorzugt wird, das identisch zum Magnetfeld des Magnetelements ist, wird vorzugsweise das gleiche Magnetmaterial für beide Elemente verwendet. Andere magnetische Materialien können insoweit verwendet werden, solange diese die Erzeugung der erforderlichen Magnetfeldstärke gewährleisten.
  • Das maximale Energieprodukt (Produkt aus Flussdichte B und Feldstärke H, charakterisiert als Materialkonstante die maximal aufgespeicherte magnetische Energie; Einheit: kJ/m3), das das Magnetelement und das Vorspannungs-Magnetelement aufweisen, unterscheidet sich je nach dem verwendeten Drehgeberaufbau und der Art des Magnetsensorelements; es beträgt üblicherweise zwischen 0,79 kJ/m3 und 79 kJ/m3.
  • Das Magnetsensorelement detektiert die Magnetpole des rotierenden Magnetelements oder die Veränderung des Magnetfelds. Normalerweise wird als Magnetsensorelement ein bekanntes MR-Element verwendet, nachfolgend auch als Magnetwiderstandselement bezeichnet. Alternativ ist auch die Verwendung eines Magnetsensorelements möglich, das als Hall-Element ausgebildet ist.
  • Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand konkreter Ausführungsformen erklärt. 1 ist eine Schnittansicht eines Drehgebers, der eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Hierbei ist beispielhaft ein Drehgeber gezeigt, der einen optischen Erfassungsteil bzw. sog. Singleturnteil zur Feststellung des Ausmaßes der Positionsveränderung innerhalb einer Umdrehung und einen magnetischen Umdrehungserfassungsteil bzw. Multiturnteil aufweist.
  • Gemäß der Figur weist der erfindungsgemäße Drehgeber eine Hohlwelle 2 auf, die an einem das zu messende Objekt darstellenden Drehkörper o.ä. angebracht und damit gekoppelt ist. Ferner umfasst der Drehgeber ein Lager 5, welches die Hohlwelle 2 drehbar hält und einen Grundkörper 1, an dem das Lager 5 fixiert ist. An der Hohlwelle 2 ist eine Durchgangsöffnung 2a ausgebildet, die annähernd den gleichen Durchmesser aufweist wie die Achse des Drehkörpers, der das zu messende Objekt darstellt; derart kön nen Drehkörper und Hohlwelle 2 miteinander verbunden werden. Oberhalb des Halteteils des Lagers 5 ist an der Hohlwelle 2 ein Hohlwellenbereich 2b mit vergrößertem Durchmesser bzw. ein Hohlwellenflansch ausgebildet, an dessen oberer Endfläche eine Teilscheibe 4 bzw. Schlitzplatte angebracht ist. Ein ringförmiges Magnetelement 6 ist durch Einbettung unter der Verbindungsfläche der Teilscheibe 4 am Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b angebracht.
  • Der Teilscheibe 4 gegenüberliegend ist darüber eine am Grundkörper 1 fixierte Grundplatte 3 angeordnet. Auf dieser ist an einer Stelle, die der Teilungsspur der Teilscheibe 4 gegenüberliegt, ein Lichtempfangselement 9 angeordnet, dem eine stationäre Abtastplatte 10 zugeordnet ist und welches elektrisch an einen Schaltkreis auf der Grundplatte 3 angeschlossen ist. Auf der zur Anbringungsstelle des Lichtempfangselements 9 gegenüberliegenden Seite der Teilscheibe 4 ist ein Lichterzeugungselement 11 angeordnet. Das vom Lichterzeugungselement 11 ausgestrahlte Licht gelangt über die Schlitze der Teilscheibe 4 und die stationäre Abtastplatte 10 auf das Lichtempfangselement 9, das die einfallenden Lichtbündel detektiert. Das Lichtempfangselement 11 wird durch eine Haltegrundplatte 12 gehalten, die am Grundkörper 1 fixiert ist.
  • Diese optischen Elemente zur optischen Positionserfassung können im Singleturnteil zum Beispiel auch durch magnetische Elemente zur magnetischen Positionserfassung ersetzt werden, etwa durch eine magnetische Teilscheibe aus einem magnetischen Körper und einen Magnetsensor etc..
  • An der Seite der unteren Fläche der Grundplatte 3, die sich über der Teilscheibe 4 oberhalb des ringförmigen Magnetelements 6 befindet, ist ein Magnetsensorelement 7 zur Erfassung der Magnetpole bzw. der Veränderung des Magnetfelder des Magnetelements 6 so angeordnet, dass es der Kreisringfläche des ringförmigen Magnetelements 6 gegenüberliegt. An der Seite der oberen Fläche der Grundplatte 3, die der Anbringungsposition des Magnetsensorelements 7 gegenüberliegt, ist ein Vorspannungs-Magnetelement 8 angeordnet. Über das Vorspannungs-Magnetelement 8 wird ein Vorspannungs-Magnetfeld für das Magnetsensorelement erzeugt. Das Magnetsensorelement 7 und das Vorspannungs-Magnetelement 8 sind in nicht im Detail dargestellter Art und Weise mechanisch und elektrisch an die Grundplatte 3 angeschlossen. Bei den in den Figuren dieser Beschreibung gezeigten Beispielen wurde zur besseren Verständlichkeit auf die Darstellung von Einzelheiten der zur Befestigung der einzelnen Aufbaubestandteile nötigen Elemente, zum Beispiel Schraubenbefestigungen, Verklebungen, Lötbefestigungen usw., verzichtet. Es wurde auch auf eine Darstellung der Abdeckung bzw. des Gehäuses, das den gesamten Hauptkörperaufbau einschließlich der Grundplatte 3 und des Grundkörper 1 abdeckt, verzichtet.
  • Aufgrund der erläuterten Anordnung, bei der das Magnetelement 6 unterhalb der Teilscheibe 4 in die Hohlwelle 2 eingebettet angeordnet ist, ist kein Magnetelement 6 im Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 vorhanden. Dadurch kann der erforderliche Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 verkleinert werden bzw. ein kleinbauender Drehgeber realisiert werden. Das Magnetelement 6, das Vorspannungs-Magnetelement 8 und das Magnetsensorelement 7 können aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung in geeigneten Positionen platziert werden, die den erforderlichen Abstandbedingungen genügen; insbesondere können das Vorspannungs-Magnetelement 8, das Magnetsensorelement 7 und das Magnetelement 6 derart angeordnet werden, dass der Abstand zwischen der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits und der Abstand von der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements bis zum Magnetelement andererseits in etwa gleich groß sind.
  • Durch die vom Magnetsensorelement 7 getrennte Anordnung des Vorspannungs-Magnetelements 8 – das bislang stets als mit dem Magnetsensorelement 7 in Kontakt stehende Einheit ausgeführt wurde – an der Seite der Grundplatte 3, die der Anbringungsfläche des Magnetsensorelements 7 gegenüberliegt, kann die Höhe des Magnetsensorelementaufbaus, der das Innere des durch die Grundplatte 3 und die Teilscheibe 4 gebildeten Raums einnimmt, stark verringert werden. Daher kann der Zwischenraum bzw. Ab stand zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 (genauer der Zwischenraum zwischen der festen Abtastplatte und der Teilscheibe) im Fall der Verwendung eines noch flacheren optischen Empfangselements noch kleiner gemacht und auf den idealen Abstand festgelegt werden. Derart kann ein nochmals kleiner bauender und leistungsfähigerer Drehgeber ausgebildet werden. Oberhalb der Oberseite der Grundplatte 3, bei der es sich um die Anbringungsfläche des Vorspannungs-Magnetelements 8 handelt, ist üblicherweise ein Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der – nicht dargestellten – Drehgeber-Abdeckung ausgebildet. Dadurch wird es auch zusätzliche Maßnahmen möglich, das Vorspannungs-Magnetelement 8 im Bereich dieses Zwischenraums unterzubringen.
  • Unter der Kontaktfläche des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b mit der Teilscheibe 4 ist eine dem ringförmigen Magnetelement 6 entsprechende Vertiefung ausgebildet, in die das bereits fertigbearbeitete Magnetelement 6 eingesetzt werden kann. Alternativ kann das Magnetelement an dieser Stelle aber auch derart ausgebildet werden, dass geeignetes Material für ein Verbundmagnetelement (magnetisches Pulver und Harz o.ä.) in die Vertiefung gefüllt wird und eine Vereinigung der Materialien zum Magnetelement durch Hitze und Druck erfolgt.
  • 2 ist eine Schnittansicht eines Drehgebers, der eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Bei diesem Beispiel ist das ringförmige Magnetelement 6 so ausgebildet, dass es selbst einen Teil des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b bildet. Es ist so unter der Kontaktfläche mit der Teilscheibe 4 angebracht, dass es eine Einheit mit der Hohlwelle 2 bildet. Das heißt, beim dargestellten Beispiel ist der Bereich, der vom Umfang des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b bis unter die Verbindungsfläche mit der Teilscheibe 4 reicht als Magnetelement 6 ausgeführt. Dieses ist so ausgebildet, dass es einen Bereich einnimmt, bei dem sein unteres Ende bis zum unteren Ende des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b reicht.
  • Die Teilscheibe 4 ist mit am oberen Ende der Hohlwelle 2 angebracht. Der weitere Aufbau entspricht etwa jenem des Drehgebers aus 1, weshalb gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen wurden und auf eine nochmalige Erklärung derselben verzichtet wird.
  • Durch eine derartige Anordnung, bei der das Magnetelement den Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b der Hohlwelle 2 unter der Teilscheibe 4 bildet, ist kein Magnetelement 6 im Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 vorhanden. Dadurch kann der Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 noch weiter verkleinert werden und der Zwischenraum noch passender ausgeführt werden.
  • Das Magnetelement 6, das Vorspannungs-Magnetelement 8 und das Magnetsensorelement 7 können aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung wiederum in geeigneten Positionen platziert werden, die den erforderlichen Abstandbedingungen genügen; insbesondere können das Vorspannungs-Magnetelement 8, das Magnetsensorelement 7 und das Magnetelement 6 derart angeordnet werden, dass der Abstand zwischen der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits und der Abstand von der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements 7 bis zum Magnetelement 6 andererseits in etwa gleich groß sind.
  • Da die Form der Hohlwelle noch einfacher als beim Aufbau von 1 wird, können die Bearbeitungskosten der Hohlwelle usw. verringert werden. In diesem Fall kann eine Hohlwelle 2 ausgebildet werden, bei der der Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b nur den Umfang der Durchgangsöffnung 2a aufweist. Dort kann ein ringförmiges Magnetelement 6 angebracht werden, das in einer dem Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b entsprechenden Form bearbeitet ist. Alternativ kann eine Ausbildung erfolgen, bei der Material eines Verbundmagnets in jenen Bereich einer Metallform gefüllt wird, der diesem Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2 entspricht, und durch Erhitzung und Druck eine Vereinigung mit der Hohlwelle 2 zur obigen Form erfolgt.
  • 3 ist eine Schnittansicht eines Drehgebers, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Bei diesem Beispiel ist das Magnetelement 6 unter der Verbindungsfläche mit der Teilscheibe 4 so in einer Einheit mit der Hohlwelle 2 angebracht, dass er zumindest einen Teil des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2 bildet und auch zum Festhalten des Lagers dient. Das heißt, beim dargestellten Beispiel ist der Bereich, der vom Umfang des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b bis unter die Verbindungsfläche mit der Teilscheibe 4 reicht, unter Zurückbelassen der Umgebung der Durchgangsöffnung 2a als Magnetelement 6 ausgeführt. Dieser ist derart ausgebildet, dass sein unteres Ende bis zum oberen Ende des Haltebereichs des Lagers 5 reicht. Die Teilscheibe 4 ist am oberen Ende der Hohlwelle 2 angebracht. Der weitere Aufbau entspricht etwa jenem des Drehgebers aus 1, weshalb wiederum gleichen Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen wurden und auf eine nochmalige Erläuterung derselben verzichtet wird.
  • Durch eine derartige Anordnung, bei der das Magnetelement 6 zumindest einen Teil des Hohlwellenbereichs mit vergrößertem Durchmesser 2b in der der Hohlwelle 2 unter der Teilscheibe 4 bildet und auch zum Festhalten des Lagers dient, ist kein Magnetelement 6 im Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 vorhanden. Dadurch kann der Zwischenraum zwischen der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 noch verkleinert werden und der Zwischenraum noch passender ausgeführt werden.
  • Das Magnetelement 6, das Vorspannungs-Magnetelement 8 und das Magnetsensorelement 7 können aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung wiederum in geeigneten Positionen platziert werden, die den erforderlichen Abstandsbedingungen genügen; insbesondere können das Vorspannungs-Magnetelement 8, das Magnetsensorelement 7 und das Magnetelement 6 derart angeordnet werden, dass der Abstand zwischen der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement ei nerseits und der Abstand von der Detektionsfläche 7a des Magnetsensorelements bis zum Magnetelement andererseits in etwa gleich groß sind.
  • Da die Form der Hohlwelle noch einfacher als beim Aufbau von 2 wird, können die Bearbeitungskosten der Hohlwelle usw. verringert werden. Auch in diesem Fall kann eine Hohlwelle 2 ausgebildet werden, bei der der Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b nur den Umfang der Durchgangsöffnung 2a aufweist, und dort ein Magnetelement 6 angebracht werden, das in einer dem Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b entsprechenden Form bearbeitet ist. Alternativ kann eine Ausbildung dergestalt erfolgen, bei der Material eines Verbundmagnets in jenen Bereich einer Metallform gefüllt wird, der diesem Hohlwellenbereich mit vergrößertem Durchmesser 2b entspricht, und durch Erhitzung und Druck eine Vereinigung zur Hohlwelle 2 mit der obigen Form erfolgt.
  • Bei den durch die obigen Ausführungsformen 1 bis 3 gezeigten Beispielen wurden Beispiele für Hohlwellen-Drehgeber erläutert, die in der Hohlwelle 2 eine Durchgangsöffnung 2a aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann sie bei verschiedensten Arten von Drehgebern mit unterschiedlichsten Wellenformen eingesetzt werden. In Betracht kommen etwa auch Drehgeber, die kein Lager 5 aufweisen oder aber Einbaudrehgeber, bei denen der Grundkörper 1 und die Welle 2 separat vorliegen. Es muss auch nicht unbedingt ein optisches Abtastsystem mit einem Lichterzeugungselement und einem Lichtempfangselement u.ä. vorgesehen sein. Es kann in Bezug auf den Aufbau und Anordnungspositionen der verschiedenen Elemente je nach dem Aufbau und der Funktion des Drehgebers die passendste Gestaltung im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewählt werden.
  • Nachfolgend wird noch erläutert, welcher Einfluss auf das Ausgangssignal des Magnetsensorelements resultiert, wenn die Positionsbeziehung bzw. räumliche Anordnung zwischen dem Magnetelement und dem Vorspannungs-Magnetelement verändert wird.
  • Entsprechende Untersuchungen wurden mit einem Magnetelement und einem Vorspannungs-Magnetelement vorgenommen, wobei drei verschiedene Magnetelemente verwendet wurden. Der Abstand zwischen der Magnetdetektionsfläche eines als Magnetwiderstandselements ausgebildeten Magnetsensorelements und dem Vorspannungs-Magnetelement wurde hierbei konstant (etwa 2 mm) eingerichtet; der Abstand bzw. der Zwischenraum zwischen der Magnetdetektionsfläche des Magnetwiderstandselements und dem Magnetelement wurde hingegen verändert und dabei die Größe des Ausgangssignals des Magnetelements bzw. Magnetwiderstandselements in Form der Ausgangsspannung erfasst.
  • Beim in 4 gezeigten Aufbau wurde das Vorspannungs-Magnetelement 8 an der Fläche der Grundplatte 3 angeordnet, die der Anbringungsfläche des Magnetsensorelements 7 entgegengesetzt ist. Die in 4 eingezeichnete Größe t1 wurde gleich 2,0 mm eingerichtet; ferner wurde die Spannungsdifferenz (Signal-Spitzenwert zu Signal-Spitzenwert) der Ausgangssignale A, B verschiedener Magnetwiderstandselemente MR1, MR2 und MR3 bei einer Veränderung des Abstands D bzw. Zwischenraums von der Magnetdetektionsfläche des Magnetsensorelements 7 bis zur gegenüberliegenden Fläche des Magnetelements 6 im Bereich D = [3,0/2,5/2,0/1,5/1,0mm] gemessen. Die Ausgangssignalspannung variiert hierbei im Bereich einiger 10 mV. Der auf das Magnetfeld des Materials der Grundplatte 3 und der Teilscheibe 4 (nicht dargestellt in 4) ausgeübte Einfluss ist ausreichend gering und wurde hier außer Acht gelassen. Die resultierenden Messergebnisse sind in 5 gezeigt. Entlang der x-Achse sind hierbei die verschiedenen Abstände D aufgetragen, entlang der y-Achse die A- und B-Ausgangssignalspannungen MR1A, MR1B, MR2A, MR2B, MR3A, MR3B der drei untersuchten Magnetelemente MR1, MR2, MR3.
  • Wie aus dem Diagramm von 5 ersichtlich ist, wird das Ausgangssignal bzw. die gemessene Spannungsdifferenz des Magnetwiderstandselements am größten, wenn die Magnetkräfte des Vorspannungs-Magnetelements und des Magnetelements gleich sind und der Abstand t1 zwischen der Magnetdetektionsfläche des Magnetwiderstandselements und dem Vorspannungs-Magnetelement dem Abstand D von der Magnetdetektionsfläche des Magnetsensorelements bis zum Magnetelement gleich ist, das heißt, wenn der Abstand D etwa 2,0 mm beträgt. Es ist aus 5 ferner ersichtlich, dass ein hinreichendes Ausgangssignal erhalten wird, sofern der Unterschied zwischen den beiden Abständen t1 und D höchstens 25 beträgt.
  • Auch die Signalform des Ausgangssignals des Magnetwiderstandselements war bei gleichen Abständen t1 und D am stabilsten.
  • Daraus lässt sich erkennen, dass bei gleichen Magnetkräften des Vorspannungs-Magnetelements und des ringförmigen Magnetelements bei gleichem Abstand t1 zwischen der Detektionsfläche des Magnetwiderstandselements und dem Vorspannungs-Magnetelement einerseits und Abstand D von der Detektionsfläche des Magnetwiderstandselements bis zum Magnetelement andererseits ein Ausgangssignal mit hinreichend großer Signalamplitude bei gleichzeitig niedriger Verzerrung erhalten wird.
  • Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit Drehgebern eingesetzt werden, die zur Positionsfeststellung von verschiedensten beweglichen Teilen von industriellen Maschinen wie etwa Robotern oder automatischen Maschinen oder beweglichen Körpern. von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen o.ä. verwendet werden. Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung für absolute Multiturn-Drehgeber; grundsätzlich können die erfindungsgemäßen Maßnahmen aber auch bei magnetischen Drehgebern zum Einsatz kommen usw..

Claims (6)

  1. Drehgeber zur Messung des Ausmaßes der rotatorischen Positionsveränderung eines rotierenden Objekts, mit – einer Teilscheibe (4) zum Messen des Ausmaßes der rotatorischen Positionsveränderung; – einem Magnetelement (6) zum Bestimmen der Umdrehungszahl des rotierenden Objekts; – einem Magnetsensorelement (7), das zumindest einem Teilbereich des Magnetelements (6) gegenüberliegend angeordnet ist und welches das Magnetfeld des Magnetelements (6) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (6) dem Magnetsensorelement (7) über die Teilscheibe (4) hinweg gegenüberliegend angeordnet ist.
  2. Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der entgegengesetzten Fläche einer Grundplatte (3), auf der das Magnetsensorelement (7) angeordnet ist, ein Vorspannungs-Magnetelement (8) angeordnet ist, das ein Vorspannungsmagnetfeld für das Magnetsensorelement (7) erzeugt.
  3. Drehgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Vorspannungs-Magnetelement (8), das Magnetsensorelement (7) und das Magnetelement (6) so angeordnet sind, dass die jeweiligen Magnetfeldstärken des Vorspannungs-Magnetelements (8) und des Magnetelements (6) im Detektionsbereich des Magnetsensorelements (7) etwa gleich werden.
  4. Drehgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannungs-Magnetelement (8), das Magnetsensorelement (7) und das Magnetelement (6) derart angeordnet sind, dass der Abstand (t1) zwischen der Detektionsfläche des Magnetsensorelements (7) und dem Vorspannungs-Magnetelement (8) einerseits und der Abstand (D) von der Detektionsfläche des Magnetsensorelements (7) bis zum Magnetelement (6) andererseits in etwa gleich groß sind.
  5. Drehgeber nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsensorelement (7) als MR-Element oder als Hall-Element ausgebildet ist.
  6. Drehgeber nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (6) ringförmig ausgebildet und in eine Hohlwelle integriert angeordnet ist.
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