DE102011056964B3

DE102011056964B3 - Zugelement-Positionssensor

Info

Publication number: DE102011056964B3
Application number: DE201110056964
Authority: DE
Inventors: Klaus Manfred Steinich; Peter Wirth; Dr. Kamp Gunnar
Original assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Current assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-12-24

Abstract

Der Zugelement-Positionssensor besteht zum Einen aus drei Gehäuseteilen, von denen die beiden äußeren topfförmig mit Boden zum mittleren hin ausgebildet sind, wovon das eine der Federmotor und das andere der Drehwinkelsensor ist. Der Drehwinkelsensor besteht dabei aus zwei Hallsensoren, denen stirnseitig gegenüber in je einem von zwei miteinander kämmenden Zahnrädern stirnseitig ein Gebermagnet rotiert in Abhängigkeit von der Rotation der Wickeltrommel. Hier kommt es speziell auf die Anordnung von Zahnrädern und Platinen im Aufnahmeteil dieses seitlichen Gehäuseteiles an. Auch der Federmotor kann komplett vormontiert und geschlossen bevorratet werden.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen Zugelement-Positionssensor, bei dem ein Zugelement auf einer Wickeltrommel auf- oder abgewickelt wird, und die dadurch bewirkte Drehung der Wickeltrommel von einem Drehwinkelsensor abgenommen und mittels einer Auswerteeinheit in eine Auszugslänge umgerechnet wird.
II. Technischer Hintergrund
Derartige Zugelement-Positionssensoren sind am Markt bekannt und werden in unterschiedlichen Ausführungsformen angeboten:

– Zum einen unterscheiden sie sich durch das verwendete Zugelement:

Bei einem meist mehrdrähtigen, dünnen Stahlseil als Zugelement wird das Seil einlagig auf der Wickeltrommel nebeneinander gewickelt, was die Auswertung dahingehend vereinfacht, dass jede Umdrehung der gleichen Auszugslänge entspricht. Nachteil sind die begrenzte Belastung des Seiles und eine von Breite und Durchmesser der Seiltrommel abhängige Auszugslänge.
Bei einem Band als Zugelement wird das Band spiralig in einer Radialebene in mehreren Lagen übereinander gewickelt, sodass eine Umdrehung unterschiedlichen Auszugslängen entspricht, je nachdem ob man sich mehr im Kern oder mehr an der Außenseite der Spirale befindet.

– Die Funktionsteile der Wickeltrommel einerseits und die diese in Aufwickelrichtung vorspannende Spiralfeder kann unterschiedlich sein: In Axialrichtung hintereinander angeordnet ist die Montage einfacher und weniger gefährlich, ergibt jedoch eine relativ große axiale Baulänge.

Ein axial kurzes Gehäuse ist erzielbar, wenn die Spiralfeder direkt im Inneren der Wickeltrommel untergebracht wird, was jedoch die Montage erschwert, und dort einen ausreichend großen Freiraum bedingt. Bei einer nur einlagig erfolgenden Bewicklung mittels eines Seiles ist dies in der Regel gegeben.

– Als Winkelsensor wurden bisher mechanische Mehrgang-Potentiometer oder optische Encoder verwendet. Als weitere Alternative sind nun insbesondere magnetfeldrichtungs-empfindliche Winkelsensoren hinzugekommen, bei denen ein Magnet mit Polachse quer zur Rotationsachse der Wickeltrommel mit dieser gekoppelt wird und die Drehung des Magnetfeldes detektiert wird, wobei Zusatzmaßnahmen erfolgen müssen, um hier eine Multiturn-Abtastung zur Verfügung zu stellen.

Aus der DE 10001840 A1 ist eine Einziehvorrichtung für Sicherheitsgurte in PKWs bekannt, bei der ebenfalls eine Federvorspannung in Aufwickelrichtung erfolgt und die Anzahl der Umdrehungen mittels eines Drehwinkelsensors der Wickeltrommel für den Sicherheitsgurt ermittelt wird.
Auch dort besteht das Gehäuse aus in axialer Richtung drei aufeinanderfolgenden, axial durchgängigen Gehäuseteilen.
Auch die DE 19636448 C2 zeigt eine solche Einzieh-Einrichtung für Sicherheitsgurte, ebenfalls mit drei axial aneinander anschließenden Gehäuseteilen.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen Zugelement-Positionssensor zu schaffen, der einerseits den Einsatz eines Zugbandes als Zugelement ermöglicht, des weiteren mit möglichst wenigen verschiedenen Gehäuseteilen die Herstellung von Positionssensoren mit unterschiedlichen Auszugslängen und Zugelementen sowie Redundanzstufen ermöglicht und durch Vormontage von Baugruppen eine schnelle und vor allem gefahrlose Montage ermöglicht, indem insbesondere der Federmotor direkt vom Federhersteller fertig vormontiert und zugeliefert werden kann.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 13 und 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Gehäuse ist durch den Aufbau aus drei aufeinander folgenden Teilen sehr flexibel im Hinblick auf die Schaffung unterschiedlicher Sensoren und vor allem sehr montagefreundlich, indem es aus drei in axialer Richtung aufeinander folgenden Gehäuseteilen besteht, von denen das mittlere im Wesentlichen axial durchgängig offen ist und die Wickeltrommel enthält, während von den seitlichen Gehäuseteilen das eine die Spiralfeder enthält und das andere seitliche Gehäuseteil den Drehwinkelsensor.
Alternativ kann das Gehäuse auch nur aus zwei analog aufeinanderfolgenden Teilen bestehen, nämlich dann, wenn die Spiralfeder nicht separat in einem der beiden äußeren Gehäuseteilen untergebracht ist, sondern im Inneren der Wickeltrommel, und dadurch eines der beiden äußeren Gehäuseteilen wegfällt. Das Gehäuseteilen mit der Wickeltrommel ist dann ebenfalls ein außenliegendes Gehäuseteil. Im Folgenden wird vom Fall der drei Gehäuseteile ausgegangen.
Die offenen äußeren Stirnseiten der seitlichen Gehäuseteile sind durch stirnseitig aufgesetzte und befestigte Deckel dicht verschlossen.
Beide seitlichen Gehäuseteile können dabei komplett bestückt und vormontiert werden und – vorzugsweise bereits mit aufgesetzten und verschraubten Stirn-Deckeln – als fertige Einheiten mit dem mittleren Gehäuseteil zum Schluss lediglich verschraubt werden. Dies ist u. a. dadurch möglich, dass die beiden seitlichen Gehäuseteile jeweils topfförmig ausgebildet sind mit dem Boden des Topfes dem mittleren Gehäuseteil zugewandt, und dort lediglich eine kleine zentrale Öffnung für das Hindurchführen der Drehverbindung aufweisen und Verschraubungsöffnungen am Rand. Vorzugsweise sind die Gehäuseteile vom Querschnitt rechteckig und die Verschraubungsöffnungen befinden sich in den Ecken.
Sowohl das seitliche Gehäuseteil mit der Drehfeder kann als Federmotor fertig vormontiert werden als auch das seitliche Gehäuseteil mit dem Winkelsensor kann als Sensoreinheit komplett vormontiert werden:
Beim Federmotor bedeutet dies, dass die Feder in das Gehäuseteil eingesetzt und auch der dieses seitliche Gehäuseteil nach außen verschließende Stirndeckel aufgesetzt und verschraubt wird, allerdings indem zuvor in die stirnseitigen Enden von axial durch dieses seitliche Gehäuseteil durchgehenden Schrauböffnungen formschlüssig und damit nicht drehbar Muttern mit einem polygonen, z. B. sechseckigen, Außenumfang eingelegt werden oder bereits ein gespritzt wurden, die durch den aufgesetzten Stirndeckel abgedeckt und formschlüssig fixiert werden.
Dabei kann die Feder je nach gewünschter Wickel-Richtung in zwei unterschiedlichen Drehlagen ins Gehäuseteil eingesetzt und mit ihrem äußeren Ende formschlüssig mit dem Gehäuseteil verbunden werden. Dementsprechend muss dann auch das Gehäuseteil mit der Wickel-Trommel in der entsprechenden Drehlage fixiert werden.
In dem anderen seitlichen Gehäuseteil wird der auf die vektorielle Lage des Magnetfeldes reagierende Sensor angeordnet und vormontiert:
Zu diesem Zweck werden in entsprechende Lagerungsbohrungen in den Boden des seitlichen Gehäuseteils die Lagerzapfen von mindestens 2 miteinander kämmenden Zahnrädern eingesteckt, die soweit in den Boden der seitlichen Gehäuseteiles hinein oder gar hindurch ragen, dass beim anschließenden Montieren der drei Gehäuseteile gegeneinander mindestens der Lagerungszapfen des einen Zahnrades drehfest und formschlüssig in Kontakt mit der Wickeltrommel gerät und deren Drehung dadurch von dem einen Zahnrad abgenommen wird, welches meist im Zentrum des Gehäuses eingesteckt ist.
Das wenigstens eine weitere Zahnrad benötigt keinen direkten Kontakt mit der Wickeltrommel, sondern wird durch die Kämmung der Zahnräder angetrieben.
Die Permanent-Magnete, die mit quer verlaufender Polachse zur Rotationsachse auf bzw. in diesen Zahnrädern angeordnet sind, müssen nun axial jeweils einem Sensor, beispielsweise ein Hallsensor, insbesondere ein Multihallsensor, gegenüber liegend positioniert werden.
Dabei sollen möglichst homogen und parallel verlaufende Magnetfeld-Linien in einer Rotationsebene zur Rotationsachse, die durch den Sensor verläuft, erreicht werden. Im einfachsten Fall genügt hierfür ein Magnet-Dipol quer zur Rotationsachse in der Rotationsebene liegen. Besser sind zum Beispiel zwei symmetrisch zur Rotationsachse angeordnete, radial beanstandete Stabmagnete mit umgekehrter Polrichtung.
Diese Sensoren befinden sich auf einer Platine, die dementsprechend sowohl axial als auch radial exakt gegenüber den Zahnrädern positioniert werden muss.
Dies geschieht vorzugsweise, indem über die Zahnräder zunächst ein mindestens auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, topfförmiges Aufnahmeteil übergestülpt und formschlüssig auf dem Boden des Gehäuseteiles positioniert und drehfest verbunden, anschließend vorzugsweise auch verschraubt wird. In die dann nach außen weisende topfförmige Öffnung wird ebenfalls formschlüssig sowohl in axialer Richtung durch Anschlagflächen als auch in Umfangsrichtung durch Positionierzapfen oder ähnliches die Elektronik-Platine eingesetzt, auf der sich die magnetfeldrichtungsempfindlichen Sensoren befinden und meist auch die Auswerteelektronik. Die Trennwand des Aufnahmeteiles zwischen Magneten und Sensoren ist dabei unkritisch, da sie aus einem magnetisch nicht abschirmenden Material besteht, und zwar vorzugsweise aus Kunststoff, wie auch die Gehäuseteile.
Die Platine reicht jedoch seitlich vorzugsweise nicht bis zu den Innen-Umfangsflächen des Aufnahmeteiles, sondern belässt dazwischen einen umlaufenden Ringspalt.
Dadurch kann eine topfförmige Schirmkappe aus magnetisch abschirmendem Material mit der offenen Seite des Topfes voraus über die Platine gestülpt in das Aufnahmeteil eingesetzt werden, und schirmt damit den Drehwinkelsensor auf der Platine magnetisch in drei Raumrichtungen nach außen ab.
Die Schirmkappe kann jedoch auch grösser gewählt werden und über das Aufnahmeteil gestülpt werden. Dann ist der Ringspalt nicht notwendig.
Beim Überstülpen werden die von der Platine weg führenden Kabel durch eine entsprechende Öffnung in der Schirmkappe hindurch nach außen geführt, und durch diese oder eine weitere Öffnung der Schirmkappe anschließend der Innenraum zwischen Aufnahmeteil und Schirmkappe mit insbesondere aushärtendem Kunststoff vergossen, sodass die in diesem Innenraum befindliche Platine vollständig von dem Kunststoff umgeben und geschützt ist.
Dabei sind die Verbindungen, mit denen das Aufnahmeteil am Boden des Gehäuseteiles zuvor befestigt, insbesondere verschraubt wurde, ausreichend dicht, sodass kein Vergussmaterial in den Innenraum zwischen Boden des Gehäuseteiles und dem Aufnahmeteil eindringen kann, indem sich ja die drehenden Zahnräder befinden.
Die Auswerte-Einheit kann sich dabei innerhalb des Gehäuses auf der Platine befinden, oder nach außerhalb des Gehäuses ausgelagert sein. Im Falle der mindestens zwei Zahnräder mit darauf befindlichen Magneten errechnet die Auswerte-Einheit aus der Differenz der Dreh Lagen der beiden Zahnräder sowohl die Drehlage der Wickel-Trommel innerhalb von 360° als auch die Anzahl der zurückgelegten vollständigen Umdrehungen. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass auch bei einem Stromausfall die Gesamt-Abwicklung der Wickel-Trommel jederzeit neu ermittelt werden kann.
Alternativ genügt auch ein einziger, mit der Wickel-Trommel mitdrehender Geber-Magnet, wenn die Auswerte-Einheit dessen zurückgelegte vollständige Umdrehungen immer mitzählt und dauerhaft auch ohne Energiezufuhr speichert, z. B. in einem FERAM oder MRAM.
Die so fertig vormontierte Sensoreinheit kann nun – noch ohne Stirndeckel – auf die eine Seite des mittleren Gehäuseteiles aufgesetzt werden, welches die Wickeltrommel und das Zugelement enthält, und an welches von der anderen Seite der Federmotor angesetzt ist.
Durch einfaches Einsetzen von langen, alle drei Gehäuseteile durchdringenden, Axialschrauben von der Sensoreinheit her bis in die eingelegten Muttern der Federeinheit hinein können alle drei Gehäuseteile miteinander verschraubt werden. Zum Schluss muss lediglich der Stirndeckel auf die Sensoreinheit aufgeschraubt werden. Falls der Stirndeckel bereits vorher aufgesetzt wurde, erstrecken sich die Axialschrauben durch den Stirndeckel hindurch. Der Stecker zum Herausführen der Signale befindet sich dabei vorzugsweise in einer Seitenwand des seitlichen Gehäuseteiles.
Der Stecker besteht dabei vorzugsweise aus einem Steckergehäuse und einem Innenstecker mit den einzelnen Kontaktstiften. Der Innenstecker umfasst eine Führungsschablone mit darin formschlüssig von radial außen eingelegten, vorzugsweise gecrimpten, Kontaktstiften für die einzelnen Litzen des von der Elektronik herausführenden Kabels, und die Führungsschablone mit den eingesteckten Kontaktstiften muss zur Fixierung lediglich von innen axial in das Steckergehäuse eingeschoben und mittels Bajonettverschluss fixiert werden. Dies erleichtert die Steckermontage wesentlich gegenüber dem Anlöten jeder einzelnen Ader an einem Pin eines konventionell aufgebauten Steckers.
Wahlweise kann die Sensoreinheit auch redundant ausgebildet werden, indem sowohl zum Zählen der ganzen Umdrehungen als auch zum Ermitteln der Teilumdrehungen jeweils zwei zugeordnete Sensoren vorhanden sind, die auch von nur je einem Zahnrad und damit Magnetfeld beaufschlagt sein können, sodass also z. B. vier Sensoren vorhanden sein können. Denn die ganzen Umdrehungen werden ja ermittelt aus der Differenz der Drehzahlen von miteinander kämmenden Zahnrädern, die unterschiedliche Zähnezahlen, insbesondere nur um einen Zahn unterschiedliche Zähnezahlen, aufweisen, was durch entsprechendes Verrechnen der Auswerteeinheit umgerechnet wird in die zurückgelegten ganzen Umdrehungen und die zusätzlichen Teilumdrehungen des zentralen Zahnrades.
Die Permanentmagnete auf den Zahnrädern befinden sich dabei in einem zur Stirnfläche der Zahnräder hin offenen Topf aus magnetisierbarem Material oder die Zahnräder selbst sind aus magnetisierbarem Material hergestellt und insbesondere topfförmig ausgebildet.
Auf diese Art und Weise kann also ein Baukasten geschaffen werden zum Erstellen von Positionssensoren mit verschieden großen Aufnahmeeinheiten, gleich großen, aber unterschiedlich ausgestatteten Platinen und Zahnrädern mit unterschiedlichen Zähnezahlen. Darüber hinaus kann der Baukasten auch Gehäuseteile umfassen, die z. B. in axialer Richtung unterschiedlich lang sind, oder auch in radialer Richtung unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Ebenso kann der Baukasten als Zugelemente sowohl ein Seil als auch ein Band umfassen.
Dementsprechend können die Wickeltrommeln unterschiedlichen Durchmesser und/oder unterschiedliche Breite besitzen.
Ebenso kann der Baukasten fertig vormontierte Federmotoren, zum Beispiel mit unterschiedlichen langen Federn oder Federn mit unterschiedlicher Wickelrichtung, aufweisen und/oder fertig vor montierte Sensoreinheiten.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1a, b: eine fertig montierte erste Bauform im Längsschnitt und in axialer Ansicht,
2a: den Positionssensor der 1 mit geöffnetem ersten Gehäuseteil,
2b: den Positionssensor der 1 mit geöffnetem zweiten Gehäuseteil,
2c: den Positionssensor der 1 mit geöffnetem dritten Gehäuseteil,
3: Positionssensoren mit unterschiedlich bestückten ersten Gehäuseteilen,
4: eine Darstellung des Montagezustandes des Positionssensors der 1,
5: den Positionssensor der 1 mit unterschiedlichen, daran befestigten, Montagewinkeln,
6: eine zweite Bauform des erfindungsgemäßen Positionssensors.
Die 1 bis 5 zeigen einen Zugelement-Positionssensor 1, bei dem als Zugelement 3 ein Metallband verwendet wird, wie die perspektivischen Darstellungen der 2a bis 5 erkennen lassen.
Wie am besten der Längsschnitt der 1a zeigt, besteht das Gehäuse des Positionssensors 1 aus drei in axialer Richtung aneinander anschließenden Gehäuseteilen 8a, b, c, die jeweils einen quadratischen Querschnitt besitzen, und von denen im ersten Gehäuseteil 8a der Drehwinkelsensor 6 untergebracht ist, im mittleren Gehäuseteil 8b die Wickeltrommel 2 für das bandförmige Zugelement und der dritte Gehäuseteil 8c die spiralig in einer Ebene gewickelte Bandfeder 4 enthält, die die Wickeltrommel 2 in die Aufwickelrichtung vorspannt.
Dabei sind in den 2a–c jeweils einer der Gehäuseteile geöffnet in teilweiser Explosionsdarstellung dargestellt, so dass deren Bestückung und innerer Aufbau besser erkennbar ist, wie im Folgenden erläutert:
Im mittleren Gehäuseteil 8b ist zum einen die Wickeltrommel 2 für das Zugelement 3 in Form eines Metallbandes befestigt, dessen eines Ende auf der Umfangsfläche der Wickeltrommel 2 mittels des dargestellten Befestigungsstiftes befestigt ist.
Das bandförmige Zugelement 3 verlässt das mittlere Gehäuseteil 8b durch eine Öffnung, in der in einem Bürstengehäuse 34, welches ein separates Teil dieses mittleren Gehäuseteiles 8b ist, in Durchgangsrichtung hintereinander von jeder Seite des Bandes her zwei Reinigungsbürsten 31 an dem Band angreifen, um das Eindringen von Verschmutzungen in das Gehäuseteil 8b zu minimieren. Das Bürstengehäuse 34 ist dabei in axialer Richtung offen, sodass an den Bürsten 31 anhaftender Schmutz seitlich herausfallen kann, auch ohne die Bürsten 31 aus dem Bürstengehäuse 34 zu entnehmen kann, was nur durch Öffnen des mittleren Gehäuseteiles 8b möglich wäre.
Am äußeren freien Ende des zugförmigen Bandelementes 3 ist im Endbereich ein Puffer 32 aus elastischem, gummiartigen Material aufgespritzt, und am freien Ende besitzt das Zugelement eine Befestigungsöse 33 zum Befestigen an demjenigen Bauteil, dessen Position relativ zum Positionssensor 1 detektiert werden soll.
Die Wickeltrommel 2 sitzt drehfest auf einer Welle 5, die beidseits axial über die Wickeltrommel 2 vorsteht und bis in die beiden angrenzenden seitlichen Gehäuseteile 8a, 8c hineinragt, und in diesen auch jeweils gelagert ist.
Das mittlere Gehäuseteil 8b ist deshalb in axialer Richtung im Wesentlichen über den gesamten Innenraum offen, während die beiden seitlichen Gehäuseteile 8a, 8c topfförmig ausgebildet sind mit dem Boden zum mittleren Gehäuseteil 8b hinweisend, in dem lediglich Durchgangsöffnungen für diese Welle 5 vorhanden sind.
In den in 1a rechten seitlichen Gehäuseteil 8c ist die spiralige Bandfeder 4 untergebracht, in dem – wie am besten 2c zeigt – auf dem Außenumfang der Welle 5 eine Zentralbuchse axial aufgesteckt ist, die an einer Umfangsstelle einen Schlitz aufweist, in dem das freie innere Ende der spiraligen Feder 4 formschlüssig befestigt ist.
Alle drei Gehäuseteile 8a, b, c weisen in ihren Ecken über die gesamte axiale Länge durchgehende Schraubkanäle 9 auf, die in der äußeren Stirnfläche des Gehäuseteiles 8c, welches die Feder 4 enthält, in polygonen Ausnehmungen 13 enden, in die man von der Stirnseite des topfförmigen Gehäuseteiles 8c aus entsprechende Einlegemuttern 13 einlegen kann.
In dem anschließend der Deckel 12 auf die offene Stirnseite des mit der Feder 4 ausgestatteten Gehäuseteiles 8c aufgesetzt und mittels der Schrauben 28' verschraubt wird, bildet dieses fertig vormontierte Gehäuseteil 8c, auch wenn es noch nicht am mittleren Gehäuseteil 8b montiert ist, einen komplett vormontierten Federmotor, in dem die Feder 4 komplett eingehaust aufgenommen ist und somit gelagert und transportiert werden kann, ohne die Gefahr, dass die Feder 4 aufgehen kann, da sie nur mit begrenzter Spannung und noch nicht aufgezogen im geschlossenen Gehäuseteil 8c untergebracht ist.
In dem in 1a linken Gehäuseteil 8a ist der Drehwinkelsensor 6 untergebracht:
In diesen Gehäuseteil ragt die Welle 5 mit einem unrund ausgebildeten Endbereich hinein, sodass das – besser in 2a ersichtliche – zentrale topfförmige Zahnrad 16a von der offenen Seite dieses Gehäuseteiles 8a her auf die Welle formschlüssig aufgesteckt und mit dieser drehfest verbunden werden kann.
Daneben und mit dem ersten Zahnrad 16a kämmend wird ein zweites Zahnrad 16b mit seinem Lagerzapfen in eine entsprechende Sacklochbohrung des Bodens dieses Gehäuseteiles 8a eingesteckt, die vorher mit einer gleitarmen Kunststoffbuchse 19 ausgestattet werden konnte.
Diese ist so positioniert, dass die Zahnräder 16a, 16b miteinander kämmen, angetrieben über die Wickeltrommel 2, wobei sich die Zahnräder 16a, 16b hinsichtlich ihrer Zähnezahl unterscheiden, vorzugsweise nur um einen Zahn.
In dem topfförmigen Innenraum der beiden Zahnräder 16a, b ist jeweils ein Gebermagnet 20a, b in Form zum Beispiel eines Stabmagneten mit Polachse quer zur Rotationsachse 10 der Welle 5 drehfest zum jeweiligen Zahnrad 16a, b angeordnet und dreht mit diesem mit.
Diese Drehung des Magnetfeldes der beiden Gebermagnete 20a, b wird detektiert mittels je eines magnetfeldempfindlichen Sensors 15, beispielsweise eines Hallsensors, der stirnseitig den Magneten 20a, b gegenüberliegend angeordnet ist. Wie am besten 1a zeigt, befinden sich die Sensoren 15 dabei auf einer Platine 17, auf der sich auch der Rest der Auswerteelektronik befindet, mit der die von den Sensoren 15 ermittelte Drehung der Gebermagnete 20a, b in eine Auszugslänge des bandförmigen Zugelementes 3 umgerechnet wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Umdrehung der Wickeltrommel 2 ganz unterschiedlichen Auszugslängen entsprechen kann, je nachdem, wie stark die momentane Restbewicklung der Wickeltrommel 2 mit dem bandförmigen Zugelement 3 ist.
Die Auswerteelektronik auf der Platine 17 ist über Kabel 29 mit dem Stecker 22 verbunden, der in einer der Seitenflächen des Gehäuseteiles 8a angeordnet ist.
Um die positionsgenaue Anordnung der Sensoren 15 gegenüber den Zahnrädern 16a, b auf einfache Art und Weise bei der Montage zu erreichen, wird zunächst ein Aufnahmeteil 11, das aus magnetisch nicht abschirmenden Material, in der Regel Kunststoff, besteht und zu beiden Stirnseiten hin topfförmig ausgebildet ist, über die bereits montierten Zahnräder 16a, b übergestülpt und formschlüssig gegenüber dem Boden des Gehäuseteiles 8a positioniert mittels Anschlagflächen und Positionierzapfen, und vorzugsweise anschließend auch fixiert durch Verschrauben dieses Aufnahmeteiles 11 gegenüber dem Boden des Gehäuseteiles 8a. Anschließend wird in den zur Stirnseite hin offenen topfförmigen Bereich des Aufnahmeteiles 11 die Platine 17 formschlüssig eingelegt und positioniert, was ebenfalls über entsprechende Anschlagflächen und Positionierstifte erfolgt, die in dieser topfförmigen, offenen Seite des Aufnahmeteiles 11 ausgebildet ist.
Anschließend wird über die eingelegte Platine 17 eine ebenfalls topfförmige Schirmkappe 18 aus magnetisch abschirmenden Material mit der offenen Stirnseite voraus über die Platine 17 gestülpt, wofür zwischen dem Außenumfang der Platine 17 und dem Innenumfang des topfförmigen Aufnahmeteiles 11 ein entsprechender Ringspalt vorhanden ist. Dabei müssen die von der Platine 17 wegführenden Signalleitungen in Form der Kabel 29 durch eine entsprechende Kabelöffnung 30 in der Schirmkappe 18 hindurch gefädelt werden. Anschließend kann der Innenraum zwischen der Schirmkappe 18 und dem Aufnahmeteil 11, in dem sich die Platine 17 befindet, vollständig mit aushärtendem Kunststoff vergossen werden, wodurch die gesamte Auswerteelektronik umhüllt und geschützt wird einschließlich der Sensoren 15. Hierfür wird die Kabelöffnung 30 oder eine separate Vergussöffnung in der Schirmkappe 18 benutzt.
Sobald die Kabel 29 mit dem Stecker 22 verbunden sind, ist dieser Gehäuseteil 8a mit dem Drehwinkelsensor 6 komplett vormontiert bis auf das stirnseitige Aufsetzen und Verschrauben des Deckels 12.
Dabei kann – axial betrachtet – das Aufnahmeteil 11 eine andere Kontur besitzen als der innere Freiraum des aufnehmenden Gehäuseteiles 8a, um vor allem an der Stelle, an der der Stecker in dem Gehäuseteil 8a sitzt, zwischen dem Aufnahmeteil 11 und dem Gehäuseteil 8a ausreichend Raum zum Hinführen der Kabel 29 zum Stecker zur Verfügung zu stellen. Bei einem runden Innenraum des Gehäuseteiles 8a kann das Aufnahmeteil 11 beispielsweise an einer Seite abgeflacht oder elliptisch gestaltet sein.
Dabei ist zu bemerken, dass die Schrauböffnungen 9 im Deckel 12 und die darunter liegenden Sackloch-Gewindebohrungen in den seitlichen Gehäuseteilen 8a, c nicht genau in den Ecken, sondern seitlich dazu versetzt und zwar in jeder Ecke zwei solcher Schrauböffnungen 9 mit darunter liegenden Sacklochgewinden angeordnet sind, für einen später erläuterten Zweck.
Dabei sind die beiden äußeren Gehäuseteile 8a, c jeweils hermetisch dicht verschlossen: Die Deckel 12 sind gegenüber den äußeren Gehäuseteilen 8a, c über Dichtringe 37a abgedichtet, und die Welle 5, die den Boden des jeweils äußeren Gehäuseteiles 8a, c durchdringt, ist gegenüber diesem mittels einem Dichtring 37b abgedichtet.
Ferner ist der im Gehäuseteil 8a mit dem Drehwinkelsensor vorhandene Stecker 22 abgedichtet, und zwar einerseits der Außenstecker über einem Dichtring 37c gegenüber dem Gehäuseteil und mittels eines weiteres Dichtringes 37c gegenüber dem darin aufgenommenen Innenstecker.
Für die Endmontage des Positionssensors 1 wird nun wie folgt vorgegangen:
Auf die mit Wickeltrommel 2 und Welle 5 bestückte mittlere Gehäuseteil 8b wird auf der einen Seite das Gehäuseteil 8c als fertig vormontierter Federmotor aufgesteckt, wofür lediglich eine solche Drehlage gesucht werden muss, dass die Zentralbuchse 35 auf den unrunden Endbereich der Welle 5 aufgesteckt werden kann.
Anschließend oder bereits vorher wurde das andere Gehäuseteil 8 mit dem darin fertig vormontierten Drehwinkelsensor 6 angesteckt, indem das zentrale Zahnrad 16a auf den unrunden Endbereich der Welle 5 formschlüssig aufgesteckt wird.
Nunmehr können die drei Gehäuseteile verschraubt werden über Schrauben 28, die über die gesamte Länge aller drei Gehäuseteile 8a, b, c in deren Eckbereichen durchgehen. Zu diesem Zweck werden die Schrauben 28 von der noch nicht mit Deckel 12 versehenen offenen Stirnseite des Gehäuseteiles 8a mit dem Drehwinkelsensor 6 her in die Schrauböffnungen in den Ecken eingeschoben, aber noch nicht bis in das gegenüberliegende Gehäuseteil 8c, denn dieses muss zunächst durch Verdrehen um die Rotationsachse um eine entsprechende Anzahl von Umdrehungen dieses Gehäuseteiles 8c gegenüber dem mittleren Gehäuseteil 8b ein Vorspannen der Feder 4 im Gehäuseteil 8c durchgeführt werden, und erst danach werden die Schrauben 28 auch in das Gehäuseteil 8c vorwärts geschoben und gegenüber den dort formschlüssig aufgenommenen Einlegemuttern 14 festgezogen.
Als letzter Arbeitsschritt muss nun lediglich der Deckel 12 auf die bisher noch offene Stirnseite des Gehäuseteiles 8a mit dem Drehwinkelsensor 6 aufgesetzt und verschraubt werden.
Wie unter anderem 4 zeigt, verbleiben nun in jedem der Stirndeckel 12 noch vier von den diagonalen, leicht versetzten Schrauböffnungen 9 übrig, in denen noch keine Schraube sitzt.
Diese können dazu benutzt werden, an den Stirnflächen des fertig montierten Sensors Befestigungswinkel 36, die in der Regel aus Metall bestehen, zu Verschrauben.
Dabei können die Befestigungswinkel mit dem freien Schenkel von dem Positionssensor 1 axial wegragend oder auch unter diesen hineinragend montiert werden, und wegen der quadratischen Querschnittsfläche des Positionssensors 1 können die Befestigungswinkel 36 auch in vier verschiedenen Drehlagen an diesen verschraubt werden, je nach dem in welche Richtung, bezogen auf die Befestigungswinkel 36, das Zugelement und/oder der Stecker 32 abragen sollen.
3 zeigt ferner, wie das Gehäuseteil 8a mit unterschiedlichen Varianten des Drehwinkelsensors 6 ausgestattet werden kann:
Zum einen können neben dem zentralen Zahnrad nur ein weiteres oder auch bis zu vier weitere Zahnräder montiert werden, was beispielsweise eine redundante Auslegung des Drehwinkelsensors 6 mittels entsprechender Anzahl von magnetfeldempfindlichen Sensoren 15 ermöglicht.
Dementsprechend kann eine größere oder kleinere Platine benötigt werden, die dann auch in einem größeren oder kleineren Aufnahmeteil 11 untergebracht wird, wobei ein und dasselbe Gehäuseteil 8a Anschlagflächen und Positionierzapfen für die unterschiedlichen Größen des Aufnahmeteiles 11 aufweist und natürlich auch für die maximale Anzahl von einzustecken und zu lagernden Zahnrädern, zum Beispiel 16c.
In einer weiteren Ausführungsform befinden sich die Schraublöcher 9 des Aufnahmeteiles 11 zum Verschrauben gegenüber dem Boden des Gehäuseteiles 8a außerhalb des freien Innenraumes des Aufnahmeteiles 11, sodass es möglich ist, das Aufnahmeteil 11 mit der Platine 17 und der Schirmkappe 18 zu bestücken und zu vergießen, bevor das so bestückte Aufnahmeteil 11 in das Gehäuseteil 8a eingesetzt und gegenüber diesen verschraubt wird.
6 zeigt eine zweite Bauform des Positionssensors 1, bei der das mittlere Gehäuseteil 8b anders gestaltet ist, nämlich zur Verwendung eines dünnen Seiles als Zugelement, welches dann auf der Wickeltrommel 2 vorzugsweise nicht in einer Radialebene übereinander, sondern auf dessen Umfangsfläche einlagig nebeneinander aufgewickelt wird.
Um dies zu ermöglichen, besitzt zum einen die Wickeltrommel 2 einen möglichst großen Außenumfang, mit einer Erstreckung in axialer Richtung, die die axiale Länge des mittleren Gehäuseteiles 8b möglichst weitgehend ausnutzt.
Vor allem um ein einlagiges Bewickeln der Wickeltrommel 2 ohne Überspringen sicherzustellen, ist die Auslauföffnung für das Zugelement aus dem Gehäuseteil 8b möglichst weit von der Wickeltrommel 2 radial weg verlegt, weshalb das mittlere Gehäuseteil 8b in diesem Fall einen langen radialen Fortsatz aufweist, der sich in Richtung einer der Außenseiten des Gehäuseteiles 8b von diesem weg erstreckt, und an dessen freien Ende sich die Auslauföffnung für das Zugelement befindet.
Damit wird klar, dass mit Hilfe eines Bausatzes aus zum Beispiel unterschiedlichen mittleren Gehäuseteilen, unterschiedlichen Wickeltrommeln 2, unterschiedlichen Bestückungen des Gehäuseteiles für den Drehwinkelsensor 6 usw. mit Hilfe weniger unterschiedlicher Bauteile sehr unterschiedlich gestaltete und einsetzbare Zugelement-Positionssensoren geschaffen werden können.
Bezugszeichenliste

1: Zugelement-Positionssensor, Positionssensor
2: Wickeltrommel
3: Zugelement, zugförmiges Bandelement
4: spiralige Bandfeder, Feder
5: Welle
6: Drehwinkelsensor
8a: erster Gehäuseteil
8b: mittlerer Gehäuseteil
8c: dritter Gehäuseteil
9: Schraubkanäle, Schrauböffnungen
10: Rotationsachse
11: Aufnahmeteil
12: Deckel, Stirndeckel
13: polygone Ausnehmungen, Einlegemuttern
15: magnetempfindlicher Sensor
16a: topfförmiges Zahnrad
16b: Zahnrad
17: Platine
18: Schirmkappe
19: Kunststoffbuchse
20a, b: Gebermagnet
22: Stecker
28': Schrauben
29: Kabel
30: Kabelöffnung
31: Reinigungsbürsten, Bürsten
32: Puffer, Stecker
33: Befestigungsöse
34: Bürstengehäuse
35: Zentralbuchse
36: Befestigungswinkel

Claims

Zugelement-Positionssensor (1) mit – einem auf einer Wickeltrommel (2) aufgewickelten Zugelement (3), insbesondere einem Seil oder einem Band, wobei die Wickeltrommel mittels einer Feder (4) in die Aufwickelrichtung vorgespannt ist, – einem mit der Welle (5) der Wickeltrommel (2) direkt oder indirekt drehfest gekoppeltem Drehwinkel-Sensor (6), der sowohl die ganzen Umdrehungen als auch die Teilumdrehungen detektiert und – einem Gehäuse, wobei – das Gehäuse aus in axialer Richtung der Seiltrommel zwei oder drei aufeinanderfolgenden, in axialer Richtung durchgängigen, Gehäuseteilen (8a, b, c), insbesondere mit im Wesentlichen gleichem Außenquerschnitt, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass – der Drehwinkelsensor (6) in einem äußeren Gehäuseteil (8a) angeordnet ist, der einen magnetfeldrichtungsempfindlichen Sensor (15) und axial beabstandet dazu drehfest mit der Welle (5) der Wickeltrommel (2) gekoppelt mindestens einen Gebermagneten (20a) aufweist, – alle Gehäuseteile axial durchdringende, von dem äußeren Gehäuseteil (8a) mit dem Drehwinkelsensor (6) aus eingesetzte Axialschrauben vorhanden sind, die alle Gehäuseteile miteinander verschrauben.
Zugelement-Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteelektronik (7), insbesondere im Gehäuse, vorhanden ist, die die Signale des Drehwinkel-Sensors (6) in eine Auszuglänge des Zugelementes (3) umrechnet.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gehäuseteil (8b), in dem die Wickeltrommel (2) angeordnet ist, sich ein in Axialrichtung (10) im Wesentlichen offen durchgängiges Gehäuseteil ist und – das eine oder die beiden stirnseitig anschließenden Gehäuseteile (8a, c) jeweils topfförmig ausgebildet sind, wobei der Boden des Topfes dem mittleren Gehäuseteil (8b) zugewandt ist, und in axialer Richtung (10) das wenigstens eine topfförmige seitliche Gehäuseteil (8a, c) nur eine kleine zentrale Öffnung sowie Verschraubungsöffnungen (9) am Rand, insbesondere in den Ecken, besitzen und – das wenigstens eine äußere Gehäuseteil (8a, c) auf seiner äußeren Stirnseite ggfs. mittels aufgesetzter und befestigter Deckel (12) verschlossen ist.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetfeld-richtungs-empfindliche Sensor (15), der insbesondere nach dem Hallprinzip arbeitet und beispielsweise ein Multihall-Sensor ist, auf einer Platine (17), die die Auswerteelektronik (7) trägt, angeordnet ist.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (4) zum Vorspannen der Wickeltrommel (2) entweder im Inneren der Wickeltrommel (2) angeordnet ist oder in dem anderen seitlichen Gehäuseteil (8c) und in letzterem Fall in axial durchgängigen Schraubkanälen (9) zum Verschrauben mit den anderen Gehäuseteilen nahe der offenen Stirnseite formschlüssige Ausnehmungen (13) zum Einlegen von Einlegemuttern (14) vorhanden sind, die von dem aufgeschraubten Stirndeckel (12) abgedeckt sind.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – von dem Drehwinkelsensor (6), insbesondere dessen Auswerte-Elektronik (7), die ganzen Umdrehungen des Gebermagneten (20a) mitgezählt werden oder – der mindestens eine Gebermagnet (20a) auf der Stirnfläche eines Zahnrades (16a) angeordnet ist, – neben dem insbesondere zentralen Zahnrad (16a) und mit diesem kämmend mindestens ein weiteres Zahnrad (16b) in dem seitlichen Gehäuseteil (8a) gelagert ist, wobei von mindestens einem der weiteren Zahnräder (16b) die Zähnezahl sich von dem des ersten Zahnrades (16a) unterscheidet und – wobei jedes weitere Zahnrad (16b) ebenfalls mindestens einen Magneten mit Polachse (21) in der Rotationsebene des Zahnrades (16b) trägt und gegenüberliegend jeweils ein Sensor (15) angeordnet ist, – die Auswerteelektronik (7) aus dem Unterschied der Drehlagen der Zahnräder (16a, b) auch die zurückgelegten ganzen Umdrehungen ermittelt.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der magnetfeld-empfindliche Sensor (15), insbesondere die Platine (17), in einem Aufnahmeteil (11) formschlüssig positioniert ist, welches insbesondere aus Kunststoff besteht und seinerseits formschlüssig im äußeren Gehäuseteil (8a) aufgenommen ist, indem – das Aufnahmeteil (11) zumindest auf einer Stirnseite topfförmig ausgebildet ist, auf beiden Stirnseiten Positionierzapfen zum Positionieren gegenüber angrenzenden Bauteilen, einerseits dem Gehäuseteil (8a) und andererseits der Platine (17), aufweist, sowie – auf beiden Stirnseiten Anlageflächen zur Axialpositionierung in definierten, an den angrenzenden Bauteilen anliegenden Bereichen aufweist und – zwischen der in dem Aufnahmeteil (11) eingesetzten Platine (17) und dem Innenumfang des Aufnahmeteiles vorzugsweise ein Ringspalt verbleibt und – optional eine magnetisch abschirmende Schirmkappe (18) mit topfförmiger Gestaltung mit der offenen Seite voraus über die Platine (17) gestülpt ist und ggfs. in den Ringspalt eintaucht.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum im Aufnahmeteil (11), in dem sich die Platine (17) befindet, insbesondere der Innenraum zwischen Aufnahmeteil (11) und Schirmkappe (18), mit insbesondere aushärtendem Kunststoff vergossen ist und die Platine (17) mit dem Sensor (15) umgibt.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden des Gehäuseteiles (8a) zum Lagern der Zahnräder reibungsarme Kunststoffbuchsen (19) eingepresst sind.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelsensor (1b) redundant ausgebildet ist, indem sowohl zum Zählen der ganzen Umdrehungen als auch zum Ermitteln der Teilumdrehungen jeweils zwei gleichartige, insbesondere identische, magnetfeldrichtungs-empfindliche Sensoren (15, 15') vorhanden sind.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (20a, b) auf den Zahnrädern (16a, b) in einem zur Stirnfläche hin offenen Topf aus ferromagnetischem Material angeordnet sind und insbesondere die Zahnräder (16a, b) topfförmig und aus magnetisierbarem Material hergestellt sind.
Zugelement-Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang vom magnetfeldrichtungs-empfindlichen Sensor (15) nach außen über einen Stecker (22) erfolgt, der aus Steckergehäuse (23) und Innenstecker (24) besteht und der Innenstecker (24) mit dem Steckergehäuse (23) verbunden wird durch Einschieben von innen und Befestigen der Führungsschablone (25) mittels Bajonettverschluss im Steckergehäuse (23).
Baukasten zum Erstellen eines Positionssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Baukasten umfasst, – verschieden große Aufnahmeteile (11) und dazu passende Platinen (17) und ggfs. Schirmkappen (18) – gleich große, aber unterschiedlich bestückte Platinen (17),
Baukasten nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – Zahnräder (16a, b) mit unterschiedlichen Zähnezahlen, insbesondere gegenüber dem Zentralzahnrad nur um einen Zahn differierende Zähnezahlen.
Baukasten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baukasten Gehäuseteile (8a, b, c) mit in axialer Richtung unterschiedlicher Länge und/oder unterschiedlich großem Außendurchmesser und/oder Innendurchmesser umfasst und/oder der Baukasten als Zugelement (3) sowohl ein Seil als auch ein Band umfasst.
Baukasten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baukasten Wickeltrommeln (2) mit unterschiedlichem Durchmesser und/oder mit unterschiedlicher Breite umfasst.
Baukasten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baukasten vormontierte Federmotoren (27), bestehend aus einem Gehäuseteil (8c), auf der Außenseite eingelegten Einlegemuttern (14), eingesetzter Feder (4) und aufgeschraubtem, die Einlegemuttern (14) abdeckenden Stirndeckel (12) umfasst.
Verfahren zum Montieren eines Positionssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in das seitliche Gehäuseteil (8c) zum Aufnehmen der Feder (4) – die Feder (4) eingesetzt wird, – die Einlegemuttern (14) in die dafür vorgesehenen Ausnehmungen (13) formschlüssig eingelegt werden, – der Stirndeckel (12) aufgesetzt wird, so dass er die Einlegemuttern (14) abdeckt, und abseits der Einlegemuttern (14) verschraubt wird, – die beiden anderen, mit den Einbauten bestückten, Gehäuseteile (8a, b) an das Gehäuseteil (8c) mit der Feder (4) angesetzt und – durch Verschrauben von der vom Federgehäuse abgewandten Seite eingesetzten bis zu den Einlegemuttern (14) im Gehäuseteil (8c) durchgehenden Schrauben (28) die Gehäuseteile (8a, b, c) miteinander verschraubt werden.
Verfahren zum Montieren eines Positionssensors nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass – das Sensorgehäuseteil (8a) montiert wird, indem – in die Lagerungsbohrungen im Boden des Sensorgehäuseteiles die Lagerbuchsen (19) für die Zahnräder (16a, b) eingesetzt, insbesondere eingepresst, werden, – das Aufnahmeteil (11) über die Zahnräder (16a, b) gestülpt und mittels erster Positionierzapfen gegenüber dem Boden des Gehäuseteiles (8a) positioniert und aufgesetzt wird, – das Aufnahmeteil (11) – insbesondere mittels Durchstoßen der Bohrlöcher – gegenüber dem Boden des Gehäuseteiles (8a) verschraubt wird, – in die topfförmige Oberseite des Aufnahmeteiles (11) die Platine (17) auf entsprechende Positionierzapfen des Aufnahmeteiles (11) aufgesetzt wird, – Aufstecken der Schirmkappe (18) über die Platine (17) in das Aufnahmeteil (11) hinein unter Hindurchfädeln der von der Platine wegführenden Kabel (29) durch eine entsprechende Kabelöffnung (30) in der Schirmkappe (18), – Vergießen des Innenraumes zwischen dem Aufnahmeteil (11) und der Schirmkappe (18) durch eine Vergussöffnung in der Schirmkappe (18), – Verbinden der Kabelenden mit dem Stecker (22) in der Außenwand des Gehäuseteiles (8a) und – Aufsetzen des Stirndeckels (12) und Verschrauben mit dem Gehäuseteil (8a).