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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Multi-turn-Drehgeber und insbesondere einen Drehgeber zur Bestimmung einer absoluten Drehposition einer Welle für mehrere Umdrehungen gemäß dem einleitenden Teil der Ansprüche 1 und 2.
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Stand der Technik
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Drehgeber, die die absolute Winkelposition erfassen, können in zwei Kategorien unterteilt werden: Single-turn- und Multi-turn-Geber.
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Single-turn-Drehgeber liefern pro Umdrehung (360°) ein Signal, welches dem gegebenen Winkel entspricht. Mehrfache Umdrehungen werden nicht erfasst. Beispiele hierfür sind die digitalen Geber mit Gray-Code. Preiswertere Ausführungen sind magnetische Geber, bei denen ein sich drehender Magnet in zwei magnetfeldempfindlichen Sensorelementen je ein Sinus- und ein Kosinussignal pro 360° generiert. Durch eine nachgeschaltete Auswerteelektronik werden beide Signale aufbereitet und entweder als digitales, pulsweitenmoduliertes oder analoges Ausgangssignal zur Verfügung gestellt. Das analoge Ausgangssignal kann z. B. ein 4–20 mA Stromsignal sein, bei dem sich der Strom linear über den Drehwinkel z. B. von 0° bis 360° ändert. Aktuell am Markt werden kompakte und preiswerte Hall-IC's angeboten, in denen zwei Hall-Elemente und die Signalaufbereitungselektronik integriert sind.
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Multi-turn-Drehgeber geben im Vergleich zu den Single-turn-Drehgebern noch die Information über eine bestimmte Anzahl von 360°-Umdrehungen. Derartige Geber werden z. B. als Lenkwinkelgeber verwendet. Multi-turn-Drehgeber können bzgl. ihrer Konstruktion grob in zwei Klassen unterschieden werden.
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Die klassische Version ist, dass im Geber ein Untersetzungsgetriebe vorhanden ist. Die Eingangsdrehachse des Gebers ist mit einem Single-turn-Drehgeber versehen. An den verschiedenen Elementen des Untersetzungsgetriebes sind Zähler angebracht, mit denen die Anzahl der Umdrehungen gezählt wird. Der konstruktive Aufwand und der Montageaufwand sind jedoch hoch, da der Drehgeber aus vielen einzelnen Komponenten besteht, die aufeinander abgestimmt werden müssen.
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Die zweite Gruppe an Multi-turn-Drehgebern ist etwas einfacher aufgebaut und vermeidet das Untersetzungsgetriebe und damit den konstruktiven Aufwand sowie den Montageaufwand. Dieser Typ von Multi-turn-Drehgebern besteht nur aus einem Single-turn-Drehgeber und einer elektronischen Zähleinrichtung, d. h., in diesen Gebern ist kein Untersetzungsgetriebe vorhanden. Damit der Geber auch die Position im abgeschalteten Zustand erfassen kann, hat der Geber eine eigene Energieversorgung wie beispielsweise eine langlebige Batterie/Akkumulator und/oder einen induktiven Harvester. Um die Ausfallsicherheit zu gewährleisten, z. B. um zu vermeiden, dass der Drehgeber die Drehposition bei einer Stromunterbrechung vergisst, müssen wiederum Vorrichtungen zur Absicherung vorgesehen werden. Da die Batterie oder der Akkumulator verschleißen, ergibt sich ein erhöhter Wartungsbedarf.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Multi-turn-Drehgeber bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile überwindet. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Multi-turn-Drehgeber bereitzustellen, der kostengünstig Komponenten verwendet und der leicht zu montieren und zu warten ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfüllt durch einen Drehgeber gemäß den Ansprüchen 1 oder 2.
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Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung gemäß eines Aspektes einen Drehgeber zur Bestimmung einer absoluten Drehposition einer Welle für mehrere Umdrehungen bereit, der folgendes umfasst: ein erstes Getriebeelement; eine erste Sensoreinrichtung; und eine Sensorelektronik, die die Signale der ersten Sensoreinrichtung verarbeitet und als analoges, Pulsweiten moduliertes oder digitales Ausgangssignal aufbereitet. Der Drehgeber der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Getriebeelement, so ausgelegt ist, dass das erste Getriebeelement an die Drehbewegung der Welle so ankoppelbar ist, dass die Drehbewegung von mehreren Umdrehungen der Welle in eine lineare oder eine schwenkende Bewegung des ersten Getriebeelements umgesetzt werden kann; und die erste Sensoreinrichtung die Position des ersten Getriebeelements erfasst.
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Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Drehgeber zur Bestimmung einer absoluten Drehposition einer Welle für mehrere Umdrehungen bereitgestellt, der folgendes umfasst: ein erstes Getriebeelement; ein zweites Getriebeelement, das mit der Welle verbunden ist; eine erste Sensoreinrichtung; und eine Sensorelektronik, die die Signale der ersten Sensoreinrichtung verarbeitet und als analoges, Pulsweiten moduliertes oder digitales Ausgangssignal aufbereitet. Der Drehgeber der vorliegenden Erfindung gemäß dieses Aspekts zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Getriebeelement so ausgelegt ist, dass es in das zweite Getriebeelement eingreift, so dass die Drehbewegung von mehreren Umdrehungen der Welle in eine lineare oder in eine schwenkende Bewegung des ersten Getriebeelements umgesetzt wird; und die erste Sensoreinrichtung die Position des ersten Getriebeelements erfasst.
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Der Vorteil der Drehgeber gemäß der beiden vorher genannten Aspekte ist, dass sich ein Getriebeelement, das sich proportional zur Drehbewegung einer Achse linear oder schwenkend bewegt, konstruktive leicht realisieren lässt und dabei praktisch wartungsfrei ist. Durch die Umsetzung der periodischen Drehbewegung in eine lineare oder schwenkende Bewegung können auch mehrere Perioden in eine nicht-periodische Bewegung abgebildet werden.
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Das erste Getriebeelement, das für die Umsetzung der Drehbewegung verantwortlich ist, lässt sich auf verschiedene Wiese realisieren. Die verschiedenen Möglichkeiten der Realisierung des ersten Getriebeelements können alternativ oder in Kombination verwendet werden, je nachdem, wie die Welle, deren Drehbewegung erfasst werden soll, konstruiert ist.
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In einer Ausführungsform umfasst das erste Getriebeelement eine Zahnstange, die in ein zweites Getriebeelement, das sich an der Welle befindet, eingreifen kann, um die Drehbewegung von mehreren Umdrehungen der Welle in eine lineare Bewegung umzusetzen. Diese Ausführungsform kann gewählt werden, wenn sich an der Welle bereits ein Schneckenrad befindet oder ein solches leicht angebracht werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erste Getriebeelement eine Mutter, die verdrehsicher auf ein zweites Getriebeelement, das mit der Welle fest verbunden ist, gesetzt werden kann, um die Drehbewegung von mehreren Umdrehungen der Welle in eine lineare Bewegung umzusetzen. Diese Ausführungsform kann gewählt werden, wenn sich an der Welle bereits eine Gewindestange oder eine Kugelgewindestange befindet oder selbige leicht angebracht werden können.
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In einer noch anderen Ausführungsform umfasst das erste Getriebeelement (8) ein Fingerelement, das in ein zweites Getriebeelement, das mit der Welle fest verbunden sind, eingreifen kann, um die Drehbewegung von mehreren Umdrehungen der Welle in eine schwenkende Bewegung umzusetzen. Diese Ausführungsform kann gewählt werden, wenn sich an der Welle bereits ein Schneckenrad, eine Gewindestange oder eine Kugelgewindestange befindet oder selbige leicht angebracht werden können. Durch die Hebelwirkung des Getriebeelements können kann die Drehbewegung für mehrere Umdrehungen in eine Schwenkbewegung mit einem großen Hub umgesetzt werden, wodurch die Genauigkeit der Winkelmessung verbessert wird.
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Zur Erfassung der linearen bzw. schwenkenden Bewegung können Sensoren verwendet werden, die nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten. Zum Beispiel kann die erste Sensoreinrichtung optische, kapazitive, induktive, potentiometrische oder magnetische Elemente umfassen, die je nach Umgebungsbedingungen verwendet werden. Z. B. wird in einer hellen Umgebung eher auf kapazitive, induktive, potentiometrische oder magnetische Elemente zurückgegriffen. Ist eine berührungslose Erfassung der Bewegung erwünscht, die robust gegenüber elektrischen und optischen Einflüssen ist, kommen Magnetsensoren zum Einsatz.
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Prinzipiell umfasst die erste Sensoreinrichtung mindestens einen Signalgeber und mindestens einen Signalaufnehmer. Der Signalgeber ist eine Quelle für eine physikalische Größe, wie beispielsweise Licht, ein elektrisches Potential oder ein Magnetfeld. Der Signalaufnehmer erfasst die physikalische Größe und erzeugt. daraus ein elektrisches Signal.
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In einer Ausführungsform ist der Signalgeber ein magnetfelderzeugendes Element, beispielsweise ein Permanentmagnet, und der Signalaufnehmer ist ein Magnetfeldsensor, beispielsweise ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor. Wie bereits vorher erwähnt wurde, ist die Verwendung von Sensoren nach magnetischen Prinzipien vorteilhaft für eine berührungslose Erfassung der Bewegung, die robust gegenüber elektrischen und optischen Einflüssen ist. Die Verwendung eines Magneten als signalgebendes Element und eines Hallsensors oder eines magnetoresistiven Sensors als signalaufnehmenden Elements ist dabei besonders kosteneffizient, da solche Elemente in großer Vielfalt kommerziell verfügbar sind und für eine besondere Konfiguration ausgewählt werden können.
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Die signalgebenden Elemente und die signalaufnehmenden Elemente können auf verschiedene Weisen angeordnet werden, um die lineare bzw. schwenkende Bewegung des ersten Getriebeelements zu erfassen. Die verschiedenen Konfigurationen können je nach konstruktiven Gegebenheiten gewählt werden.
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In einer Ausführungsform ist eine Vielzahl von Signalgebern als ein Linearmaßstab angeordnet. Da die Signalgeber als passive Bauelemente ausgeführt werden können, die ohne Stromversorgung auskommen, ist diese Variante besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
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In einer anderen Ausführungsform ist eine Vielzahl von Signalaufnehmern als ein Linearmaßstab angeordnet ist. Diese Variante liefert ein komplexes Signalmuster der Signalaufnehmer, das entsprechend ausgewertet die Winkelauflösung und Störsicherheit verbessert.
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Es können in einer Ausführungsform auch beide Ausführungsformen vorteilhaft kombiniert werden, um die Betriebssicherheit und Genauigkeit weiter zu verbessern. In diesem Fall misst eine Vielzahl von Signalaufnehmern die physikalischen Größen einer Vielzahl von Signalgebern, die sich relativ zueinander bewegen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Linearmaßstab auf dem ersten Getriebeelement angeordnet. Alternativ dazu kann der Linearmaßstab dem ersten Getriebeelement gegenüberliegend angeordnet werden, um eine Verschiebung des ersten Getriebeelements relativ zum Linearmaßstab zu erfassen.
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In einer besonders kosteneffizienten Ausführungsform ist der Linearmaßstab auf dem ersten Getriebeelement angeordnet und besteht aus einer Vielzahl von Signalgebern. Der Signalaufnehmer ist dem Linearmaßstab gegenüberliegend angeordnet. Dadurch kann der Linearmaßstab aus passiven Elementen, z. B. Permanentmagneten, aufgebaut werden und benötigt keine Leitungen für eine Stromversorgung. Ein Sensor, z. B. ein Einfach- oder Doppel-Hall-Sensor auf einem Chip, erfasst dann die Bewegung des Linearmaßstabs. Die Kontaktierung des Sensors ist einfach, da er ortsfest in Bezug auf ein Drehgebergehäuse montiert werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform, im Fall, dass das erste Getriebeelement als Fingerelement, das die Drehbewegung in eine schwenkende Bewegung umsetzt, ausgeführt ist, kann die erste Sensoreinrichtung als ein Single-turn-Drehgeber ausgeführt werden, der die Schwenkbewegung des Fingerelements an einem Drehpunkt des Fingerelements erfasst. Dies hat den Vorteil, dass einfache, kommerziell in großer Vielfalt erhältliche Magnet/Hall-Elemente eingesetzt werden können, was die Herstellung kosteneffizient macht.
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In einer weiteren Ausführungsform, im Fall, dass das erste Getriebeelement als Fingerelement, das die Drehbewegung in eine schwenkende Bewegung umsetzt, ausgeführt ist, ist der Signalaufnehmer an einem Ende des Fingerelements angebracht ist. Entsprechend sind eine Vielzahl von Signalgeber, z. B. Permanentmagnete, als Linear- oder Winkelmaßstab dem Signalaufnehmer gegenüberliegend angeordnet. Durch den einzelnen Signalaufnehmer ist die elektrische Signalauswertung einfach.
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Alternativ dazu kann an dem Ende des Fingerelements der Signalgeber angebracht werden. Entsprechen sind eine Vielzahl von Signalaufnehmern, z. B. Hall-Sensoren, als Linear- oder Winkelmaßstab dem Signalgeber gegenüberliegend angeordnet. Da der Linear- oder Winkelmaßstab in Bezug auf das Drehgebergehäuse ortsfest montiert ist, wird die Verdrahtung vereinfacht.
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In einer Ausführungsform umfasst der Drehgeber weiterhin einen Single-turn-Drehgeber als eine zweite Sensoreinrichtung, wobei die zweite Sensoreinrichtung eine absolute Winkelposition der Welle für eine Umdrehung erfasst, wobei die erste Sensoreinrichtung eine Umdrehungszahl der Welle erfasst, und wobei die Sensorelektronik die Signale der ersten und zweiten Sensoreinrichtung verarbeitet, um ein Signal für die absolute Drehposition der Welle für mehrere Umdrehungen zu erzeugen. In diesem Fall kann eine einfache und kostengünstige Sensoranordnung als erste Sensoreinrichtung verwendet werden, die keine genaue Winkelposition liefern muss. Für den Single-turn-Drehgeber kann ein unkomplizierter und preisgünstiger Single-turn-Drehgeber, beispielsweise ein Hall-IC mit einem Magneten verwendet werden. D. h. dadurch kann ein besonders kostengünstiger Multi-turn-Drehgeber realisiert werden.
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In einer Ausführungsform sind das erste Getriebeelement, die erste Sensoreinrichtung und die Sensorelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Dadurch können Wartungsarbeiten erleichtert werden, da der gesamte Drehgeber in einem Stück ausgetauscht werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drehgeber weiterhin eine Vorspanneinrichtung, die so ausgelegt ist, dass das erste Getriebeelement spielfrei in das zweite Getriebeelement eingreifen kann. Insbesondere bei Drehrichtungswechsel wird dabei die Genauigkeit der Drehwinkelerfassung verbessert. Zusätzlich verbessert sich der Eingriff der Zahnstrukturen des ersten und zweiten Getriebeelements und die Gefahr des Durchrutschens wird vermindert.
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Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, die Vorspanneinrichtung zu realisieren.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorspanneinrichtung mindestens eine Feder, die das erste Getriebeelement gegen eine Endposition eines Bewegungsumfanges des ersten Getriebeelements drückt. Dadurch werden die Zähne des ersten Getriebeelements immer in einer Richtung zu einer Endposition des Bewegungsumfanges der Drehachse bzw. des ersten Getriebeelements gedrückt. Selbst bei einem Durchrutschen der Getriebeelemente nehmen die Getriebezähne sofort wieder Kontakt auf und eine Änderung des Drehwinkels kann sofort erfasst werden, ohne dass Fehler durch Spiel entstehen.
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In einer alternativen Ausführungsform dazu umfasst die Vorspanneinrichtung mindestens zwei Federn, die das erste Getriebeelement in eine Mittenposition eines Bewegungsumfanges des ersten Getriebeelements drückt. Diese Ausführungsform kann bevorzugt für Drehgeber verwendet werden, die eine Drehstellung um eine Mittellage erfassen sollen, wie beispielsweise bei einer Lenkung. Die Vorspanneinrichtung kann auch dazu verwendet werden eine Rückstellkraft in die Mittellage für die Welle bereitzustellen.
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In einer Abwandlung dazu können die zwei Federn so angeordnet werden, dass sie nur in den Endlagen des Bewegungsumfangs des ersten Getriebeelements wirken. Damit wird die Kraftwirkung der Vorspanneinrichtung auf die kritischen Punkte des Getriebes beschränkt und die Vorspanneinrichtung wirkt gleichzeitig als ”sanfter” Anschlag.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drehgeber weiterhin eine Anschlagvorrichtung, die den Bewegungsumfang des ersten Getriebeelements definiert. Damit kann ein Überdrehen einer Welle, die nur für ein bestimmte Umdrehungsanzahl vorgesehen ist, vermieden werden. Dadurch werden die Welle und dazugehörende Getriebeelemente geschützt und die Betriebssicherheit erhöht sich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Drehgeber so ausgelegt, dass er die absolute Drehposition einer Welle von 10 Umdrehungen, vorzugsweise von 4 Umdrehungen erfassen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Drehgeber redundant ausgeführt, um die Betriebssicherheit, Genauigkeit und Ausfallsicherheit zu verbessern. Um dies zu erreichen kann eines der folgenden Elemente mehrfach ausgeführt ist: das erste Getriebeelement, das zweite Getriebeelement, die erste Sensoreinrichtung, und die zweite Sensoreinrichtung.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigen:
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1 einen Multi-turn-Drehgeber der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 einen Multi-turn-Drehgeber der vorliegenden Erfindung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 einen Multi-turn-Drehgeber der vorliegenden Erfindung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
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Im Folgenden wird ein Multi-turn-Drehgeber beschrieben, der die absolute Winkelposition über eine begrenzte Anzahl von Umdrehungen, z. B. 4 × 360° bestimmt.
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Der Drehgeber beruht auf dem Prinzip, dass eine Drehbewegung in eine lineare oder eine schwenkende Bewegung umgesetzt wird. In beiden Fällen können preiswerte magnetische Sensorelemente wie beispielsweise Hall-Elemente oder magnetoresistive Elemente verwendet werden.
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Das Prinzip wird im Folgenden anhand von drei Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Anzumerken ist, dass sowohl die Ausführungsformen als Ganzes miteinander kombiniert werden können, um Redundanz herzustellen und die Betriebssicherheit zu erhöhen, als auch einzelne Komponenten von einer Ausführungsform auf die andere Ausführungsform vorteilhaft übertragen und kombiniert werden können, ohne dass dies immer explizit erwähnt werden muss.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine drehbare Welle, das Bezugszeichen 2 ein zweites Getriebeelement 2, das mit der drehbaren Welle verbunden ist. In der ersten Ausführungsform ist das zweite Getriebeelement 2 in Form eines Schneckenrads oder eines Gewindes realisiert. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein erstes Getriebeelement, das als eine Zahnstange realisiert ist, dessen Profil spielarm auf das Profil des zweiten Getriebeelements 2 abgestimmt ist. Gegebenenfalls kann ein Mechanismus 14, der beispielsweise 2 Federn 14A und 14B umfassen kann, verwendet werden, welcher das erste Getriebeelement 3 und das zweite Getriebeelement 2 gegeneinander drückt zur Minimierung des Spiels. In 1 bezeichnen weiterhin die Bezugszeichen 4 und 5 einen Lineargeber, der ein Signal erzeugen kann, das proportional zum Verdrehwinkel der Welle 1 und des zweiten Getriebeelements 2 ist. Die Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnen einen Single-turn-Drehgeber, der in der ersten Ausführungsform optional verwendet werden kann.
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Der Lineargeber 4 und 5 enthält mindestens einen Signalgeber 4 und mindestens einen Signalaufnehmer oder Sensor 5. In 1 wird der Signalgeber 4 als Linearmaßstab verwendet. Es können verschiedene Sensorprinzipien verwendet werden. Z. B. kann ein optischer Sensor als Signalaufnehmer verwendet werden. In diesem Fall kann als Signalgeber ein Material mit räumlich unterschiedlichem Absorptions- oder Reflexionsvermögen verwendet werden, so dass der Sensor 5 Intensitätsänderungen des am Signalgeber 4 reflektierten Lichts aufgrund einer Verschiebung der relativen Position zwischen Signalgeber 4 und Signalaufnehmer (Sensor) 5 erfassen kann. Im Fall eines Lineargebers ist der Signalgeber 4 in der Regel in Form eines Linearmaßstabs 12 ausgebildet, d. h. bei Verwendung beispielsweise eines optischen Sensors ändern sich die optischen Eigenschaften des Linearmaßstabs in einer Richtung auf vorgegebene Weise. Im Allgemeinen verändert sich eine physikalische Größe in mindestens einer Richtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Magnetfeldsensoren oder induktive Sensoren verwendet.
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Bei Verwendung eines Magnetfeldmesssystems können verschiedene Typen von Signalaufnehmern (Sensoren) 5 verwendet werden. Magnetfeldsensoren beruhen auf Wirkungen des magnetischen Feldes auf hart- oder weichmagnetische Werkstoffe oder andere Festkörper (Halbleiter, Widerstandsschichten). Leicht verfügbar sind magnetoresitive Magnetfeldsensoren und Magnetfeldsensoren, die auf dem galvanomagnetischen Effekt beruhen, wie z. B. sogenannte Hall-Sensoren.
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Im Fall von magnetoresitiven Magnetfeldsensoren wird der Effekt genutzt, dass sich der Widerstand in einer Dünnschicht unter dem Einfluss eines magnetischen Flusses ändert. Entsprechend dem zugrundeliegenden Effekt unterscheidet man GMR-Sensoren (nach dem GMR-Effekt, Giant MagnetoResistiver Effekt) und AMR-Sensoren (nach dem AMR-Effekt, Anisotroper MagnetoResistiver Effekt).
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Alle genannten Sensortypen, GMR-Sensoren, AMR-Sensoren und Hall-Sensoren sind kostengünstig kommerziell verfügbar und können mit geringem Aufwand verbaut werden.
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Als Signalgeber 4 wird im einfachsten Fall ein Permanentmagnet verwendet. Ändert sich die Lage des Permanentmagneten relativ zur Sensorposition, verändert sich der magnetische Fluss durch den Magnetfeldsensor, der dann ein entsprechendes elektrisches Signal ausgibt. Mit einem Permanentmagneten als Signalgeber 4 in Kombination mit einem der oben genannten Magnetfeldsensoren können auf besonders einfache Weise Lineargeber (und auch Drehgeber) realisiert werden.
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Bei Verwendung eines induktiven Messsystems umfasst ein induktiver Signalaufnehmer (Sensor) 5 eine Spule mit einem Ferritkern. Durch einen Oszillator wird ein Wechselstrom in der Spule erzeugt, wodurch ein Magnetfeld entsteht, das aus einer Fläche des Ferritkerns austreten kann. Das Magnetfeld induziert in elektrisch leitenden Objekten ein Magnetfeld, das die elektrischen Eigenschaften der Spule in Form der Spulenimpedanz beeinflusst, wodurch sich eine Schwingungsamplitude der Oszillatorschwingung ändert. Das induzierte Magnetfeld hängt vom Abstand und vom Bewegungszustand des elektrisch leitenden Objekts ab. Mit anderen Worten, der Sensor 5 sendet ein elektromagnetisches Feld aus, welches in einem vorbeigeführten, elektrisch leitenden Material, Wirbelströme hervorruft. Die Veränderung des Magnetfeldes wirkt auf den Oszillator zurück und der Sensor kann ein entsprechendes Signal ausgeben.
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Im Lineargeber, wie er in 1 dargestellt ist, ist der Signalgeber 4 auf dem ersten Getriebeelement 3, das sich linear abhängig von der Drehbewegung der Welle 1 bewegt, angebracht, und der Signalaufnehmer (Sensor) 5 ist ortsfest in Bezug z. B. eines Gehäuses angebracht, so dass der Sensor 5 zu dem Signalgeber 4 zeigt. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass die Stromversorgung der aktiven Elemente, wie z. B der Sensor mit Signalverarbeitung, einfacher ist.
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Im Fall eines Magnetmesssystems wird auf dem ersten Getriebeelement 3 eine Permanentmagnet 4 als Signalgeber fest angebracht. Der Sensor 5 ist als Signalaufnehmer dem Permanentmagnet 4 gegenüberliegend in einem bestimmten Abstand angeordnet, so dem Permanentmagnet elektrisch leitfähigen Platte 4 erfassen kann.
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Im Fall eines induktiven Messsystems wird auf dem ersten Getriebeelement 3 eine elektrisch leitfähige Platte 4 als Signalgeber fest angebracht. Der Sensor 5 ist als Signalaufnehmer der elektrisch leitfähigen Platte 4 gegenüberliegend in einem bestimmten Abstand angeordnet, so dass er Verschiebungen zwischen dem Sensor 5 und der elektrisch leitfähigen Platte 4 erfassen kann.
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Obwohl in der Ausführungsform von 1 der Signalgeber auf dem ersten Getriebeelement 3 angebracht ist, kann die Signalgeber-/Signalaufnehmeranordnung umgekehrt konfiguriert werden. D. h. der Sensor 5 ist dann auf dem ersten Getriebeelement 3 angebracht und bewegt sich mit dem ersten Getriebeelement 3 mit. Der Signalgeber 5 ist entsprechend ortsfest in Bezug zu beispielsweise einem Gehäuse angebracht.
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Im einfachsten Fall enthält der Linearmaßstab 12 nur einen einzelnen Magneten oder einen einzelnen Sensor. Um die Genauigkeit zu verbessern oder um zusätzliche Informationen beispielsweise zur Verbesserung der Winkelauflösung und/oder zur Bestimmung von Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung und/oder Fehlfunktionen zu erhalten, kann der Linearmaßstab 12 auch komplexer ausgeführt werden, beispielsweise durch Anordnung einer Vielzahl von Magneten in einem bestimmten Muster. Alternativ dazu kann der Linearmaßstab 12 durch Anordnung einer Vielzahl von Sensoren in einem bestimmten Muster gebildet werden. Im Fall eines induktiven Messsystems kann der Linearmaßstab 12 durch eine leitfähige Platte gebildet werden, die ein vorbestimmtes Leitfähigkeitsmuster aufweist.
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In den vorherigen Ausführungsformen wurden entweder eine Vielzahl von Signalgebern oder eine Vielzahl von Signalaufnehmern verwendet, um die Genauigkeit und Ausfallsicherheit zu verbessern. Wenn Genauigkeit und Ausfallsicherheit werter gesteigert werden soll, kann sowohl eine Vielzahl von Signalgebern als auch eine Vielzahl von Signalaufnehmern, die die Vielzahl von Signalgebern abtasten, verwendet werden.
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Der Linearmaßstab 12 kann je nach technischen Gegebenheiten (Platz, elektrische Anschlüsse etc.) auf dem beweglichen ersten Getriebeelement 3 oder ortsfest in Bezug auf z. B. ein Gehäuse angebracht sein.
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Die Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnen einen Single-turn-Drehgeber, der in der ersten Ausführungsform gemäß 1 optional verwendet werden kann. Wenn der Single-turn-Drehgeber verwendet wird, wird der Lineargeber 4 und 5 nur zum Zählen/Bestimmen der Umdrehungen der Welle 1 und des zweiten Getriebeelements 2 verwendet.
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Wie beim oben beschriebenen Lineargeber setzt sich der Singel-turn-Drehgeber 6 und 7 aus einem Signalgeber 6 und einem Signalaufnehmer 7 und evtl. Signalauswerteelektronik zusammen. Am Markt gibt es diverse Hall-IC's (Signalaufnehmer 7), mit denen mittels eines sich drehenden Magneten (Signalgeber 6) unkompliziert und preisgünstig ein Singel-turn-Drehgeber realisiert werden kann. Hingegen erfordert die Sensoreinrichtung 4 und 5 mehr Aufwand für das gleiche Ergebnis. Um den Multi-turn Drehgeber zu realisieren, benötigt man folglich den Single-turn-Drehgeber 6 und 7 und eine Zähleinrichtung für die Anzahl der Umdrehungen. Für diese reine Zählfunktion ist es für den Lineargeber 4 und 5 ausreichend, wenn der Signalgeber 4 ein Magnet ist und der Signalaufnehmer 5 aus einer linearen Anordnung von einfachen Hall-Elementen besteht, die schalten, wenn der Magnet 4 bei der n-ten Umdrehung vorbeikommt.
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Die Bezugszeichen 14A und 14B bezeichnen allgemein einen Mechanismus zum Vorspannen des ersten Getriebeelements um beispielsweise ein sicheres Einrasten des ersten und zweiten Getriebeelements zu gewährleisten. In einer nicht gezeigten einfachen Ausführungsform wird das erste Getriebeelement 3 mit beispielsweise einer Feder direkt gegen das zweite Getriebeelement 2 gedrückt.
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1 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Vorspannelementen 14A und 14B, beispielsweise Federn, Blattfedern u. a., die im Bereich der Endlagen des Bewegungsumfanges des ersten Getriebeelements angeordnet sind. Die Vorspannelementen 14A und 14B greifen, wenn ein Überdrehen der Welle 1 droht. Im Falle eines Durchdrehens des ersten Getriebeelements 3, z. B. wenn die Welle überdreht wird, wird sichergestellt, dass das erste Getriebeelement 3 bei Drehrichtungsumkehr der Welle 1 wieder in das zweite Getriebeelement 2 eingreift. Bei entsprechender Auslegung dient es auch zur Eliminierung des Spiels zwischen dem ersten und zweiten Getriebeelement 2 und 3. Beispielsweise können die Vorspannelementen 14A und 14B so ausgelegt werden, dass in einer Mittellage des ersten Getriebeelements 3 ein gleichmäßiger Druck ausgeübt wird. Beim Verdrehen in einer Richtung verstärkt sich der Druck in einer Richtung, der gleichzeitig als Rückstellkraft in die Mittellage wirkt. Dies ist vorteilhaft z. B. bei einer Lenkung. Bei Drehrichtungsumkehr muss kein Spiel zwischen den Zähnen des ersten und zweiten Getriebeelements überwunden werden, da eine der Federn immer die Zähne aneinanderdrückt. Gleiches kann auch erreicht werden mit nur einer Feder, beispielsweise 14A, die so ausgelegt ist, dass sie über den gesamten Bewegungsbereich des ersten Getriebeelements Druck ausübt.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der ersten Ausführungsform beschrieben. Auf der sich drehenden Welle 1 befindet sich das Schneckenrad 2. Die Drehbewegung des Schneckenrades 2 wird in die Zahnstange 3 gekoppelt. Diese führt beim Drehen der Welle 1 eine lineare Bewegung aus. Auf der Zahnstange befindet sich ein linearer Maßstab 4 der von einem Sensor 5 abgetastet wird. Bei der Ausführung des linearen Messsystems 4 und 5 kann auf bekannte induktive, magnetische, potentiometrische, optische oder kapazitive Messverfahren zurückgegriffen werden. Alternativ dazu kann auf der Zahnstange auch der Sensor angebracht werden, der sich entsprechend der linearen Bewegung der Zahnstange relativ zu einem Linearmaßstab bewegt.
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Alternativ kann an der Drehachse 1 ein Single-turn-Drehgeber befestigt werden, welcher aus einem Winkelmassstab 6, z. B. ein Magnet oder eine Code-Scheibe, und einem dazugehörigen Sensor 7 besteht. Dieser Single-turn-Geber erfasst den Drehwinkel der Achse von 0°–360°. Bei der Ausführung des Single-turn-Messsystems 6 und 7 kann auf bekannte induktive, magnetische, potentiometrische, optische oder kapazitive Messverfahren zurückgegriffen werden. Der Lineargeber 4 und 5 kann in diesem Fall einfacher ausgelegt werden, da dieser nur die konkrete Anzahl der Umdrehungen der Achse 1 anzeigen muss. In einer nachfolgenden Elektronik werden die Signale des Single-turn-Drehgebers und des Lineargebers verarbeitet und als analoges, pulsweitenmoduliertes oder digitales Ausgangssignal aufbereitet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Drehbewegung der Achse 1 und des Schneckenrads 2 in eine schwenkende Bewegung eines Stabes („Finger”) 8 umgewandelt wird. In der Ausführungsform gemäß 2 werden solche Elemente, die identisch zu Elementen der 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen benannt. Für Erklärungen dazu wir auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
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Der „Finger” 8 ist drehbar im Drehpunkt 9 gelagert. Am Ende 11 des Fingers 8 befindet sich der Lineargeber 4 und 5, der analog zu dem Lineargeber von 1 aufgebaut sein kann. Der Lineargeber 4 und 5 dient in diesem Fall der Bestimrung des Drehwinkels des Fingers 8. Am Drehpunkt 9 des „Fingers” 8 kann alternativ zu dem Lineargeber 4 und 5 ein Winkelmesssystem 10 verwendet werden, welches vergleichbar wie der Single-turn-Drehgeber 6 und 7 ausgeführt sein kann.
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Auch bei dieser Ausführungsform kann an der Drehachse 1 optional ein Single-Turn-Drehgeber 6 und 7 angebracht werden. In diesem Fall hat der Lineargeber 4 und 5 (Winkelmesssystem) lediglich die Funktion, die konkrete Anzahl der Umdrehungen zu erfassen.
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Das Profil des Schneckenrades 2 und die Konstruktion des Teils des „Fingers” 8, welcher in das Schneckenrad 2 eingreift, sind in Bezug auf Material und Geometrie aufeinander abzustimmen.
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3 zeigt eine Variante der Ausführungsform von 1. In der Ausführungsform gemäß 3 werden wieder solche Elemente, die identisch zu Elementen der 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen benannt. Für Erklärungen dazu wir wieder auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
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In der Ausführungsform gemäß 3 kann anstelle des Schneckenrades auch eine Gewindestange oder Kugelgewindestange als zweites Getriebeelement 2 verwendet werden. In jedem Fall wird anstelle der Zahnstange eine Mutter als erstes Getriebeelement 3 eingesetzt. Hier ist darauf zu achten, dass die Mutter verdrehsicher angeordnet ist. Auf dem Außenumfang der Mutter wird das lineare Messsystem 4 und 5 angebracht.
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Für alle beschriebenen Ausführungsformen gelten folgende Konstruktionsprinzipien.
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Alle Komponenten einschließlich der Signalelektronik können in ein gemeinsames Gehäuse untergebracht werden.
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Alle sich bewegenden Teile (Achse 1, Zahnstange 3 oder Mutter, „Finger” 8) sind durch Lager (Kugellager, Gleitlager) möglichst spiel- und reibungsarm zu führen.
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Zahnstange 3 oder Mutter sowie „Finger” 8 sind durch geeignete Maßnahmen (z. B. Spiralfedern oder Blattfedern) derart gegen das Schneckenrad zu drücken, dass im Fall der Drehrichtungsumkehr und/oder externer mechanischer Störungen (Vibration oder Shock) ein möglichst geringer Fehler auftritt.
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Zahnstange 3 oder Mutter sowie „Finger” 8 sind durch geeignete Maßnahmen (z. B. Spiralfedern oder Blattfedern) vorzuspannen, so dass im Fall der Drehrichtungsumkehr oder nach einem möglichen Durchdrehen, z. B. des Schneckenrades 2, die Zahnstange 3, die Mutter 3 oder der „Finger” 8 wieder problemlos und positionsrichtig in das Schneckenrad 2 eingreifen kann.
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Die beschriebenen Drehgeber sind redundant auslegbar. Das bedeutet, dass alle Elektronikkomponenten doppelt ausgelegt werden können. Im einfachsten Fall werden die Sensorelemente entweder übereinander oder räumlich dicht nebeneinander angeordnet. So hat man zwei separate Sensorkonfigurationen, die auch in zwei separaten Signalelektroniken verarbeitet werden können. Am Ausgang stehen dann zwei redundante Gebersignale zur Verfügung. Ebenso können aber auch bei hochwertigen Anwendungen mechanische Komponenten wie erste und zweite Getriebeelemente doppelt ausgeführt werden.
