DE102011115260A1

DE102011115260A1 - Device for detecting angular position of shaft of servomotor, has Hall-sensor detecting angular position of magnets, where magnets are arranged on rotation element e.g. toothed wheel, which finds rotation during rotation of shaft

Info

Publication number: DE102011115260A1
Application number: DE201110115260
Authority: DE
Inventors: Peter Borst; Dipl.-Phys. Giebel Waldemar
Original assignee: BO INNO GmbH; BO-INNO GmbH; ETO Sensoric KG
Current assignee: BO INNO GmbH; BO-INNO GmbH; ETO Sensoric KG
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-04

Abstract

The device (10) has magnets (14) changing an angular position of the magnets during rotation of a shaft (13). A Hall-sensor (16) arranged on a board (19) detects the angular position of the magnets. The magnets are arranged on a rotation element e.g. toothed wheel (15), which finds the rotation during rotation of the shaft. A rotation axis of the rotation element is aligned parallel to the shaft. The shaft is connected with a tooth element i.e. disk (20), in a torque-proof manner. Circumference of the disk is partially provided with a toothing. The shaft is supported in the board.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition einer Welle mit einem Magneten, der bei Drehung der Welle ebenfalls seine Winkelposition verändert, und mit einem Hall-Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Magneten.The invention relates to a device for detecting the angular position of a shaft with a magnet, which also changes its angular position upon rotation of the shaft, and with a Hall sensor for detecting the angular position of the magnet.

Solche Sensorvorrichtungen zur Erfassung der Winkelposition einer Welle, beispielsweise der Welle eines Stellmotors, sind bereits bekannt. Der Magnet wird bei diesen Vorrichtungen auf dem Wellenende und koaxial zur Welle befestigt. Anschließend wird das Wellenende in ein Lager eines Sensorgehäuses eingesetzt, in dem der Hall-Sensor sowie in der Regel auch die Auswerteelektronik angeordnet sind.Such sensor devices for detecting the angular position of a shaft, for example the shaft of a servomotor, are already known. The magnet is fixed in these devices on the shaft end and coaxial with the shaft. Subsequently, the shaft end is inserted into a bearing of a sensor housing, in which the Hall sensor and, as a rule, also the evaluation electronics are arranged.

Die bisher bekannten Sensorvorrichtungen haben den Nachteil, dass bei einem leicht schrägen Einsetzen der Welle mit dem Magneten in die Lagerbuchse des Gehäuses der Hall-Sensor fehlerhafte Signale liefert. Darüber hinaus ist die Auflösung der Sensorvorrichtung insbesondere bei Wellen mit kleinem Durchmesser relativ gering.The previously known sensor devices have the disadvantage that with a slightly oblique insertion of the shaft with the magnet in the bearing bush of the housing of the Hall sensor provides erroneous signals. In addition, the resolution of the sensor device is relatively low, especially in the case of small-diameter shafts.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition bereitzustellen, die weniger empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen ist und zudem eine höhere Auflösung aufweist als die bisher bekannten Vorrichtungen.The present invention is therefore based on the object to provide a device for detecting the angular position, which is less sensitive to manufacturing tolerances and also has a higher resolution than the previously known devices.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition einer Welle, mit einem Magneten, der bei Drehung der Welle ebenfalls seine Winkelposition verändert, und mit einem Hall-Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Magneten, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnet auf einem Drehelement angeordnet ist, das bei Drehung der Welle ebenfalls eine Drehung erfährt.The object is achieved by a device for detecting the angular position of a shaft, with a magnet which also changes its angular position upon rotation of the shaft, and with a Hall sensor for detecting the angular position of the magnet, which is characterized in that the magnet a rotary member is arranged, which also undergoes rotation upon rotation of the shaft.

Dadurch, dass der Magnet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr auf der Welle sondern auf einem separaten Drehelement angeordnet ist, kann er in einem festen Abstand zum Hall-Sensor und parallel zu diesem in der Vorrichtung angeordnet werden. Ein leicht schräges Einsetzen der Welle hat dann keinen Einfluss auf die Relativposition von Magnet und Hall-Sensor und beeinflusst somit die Messgenauigkeit nicht.Because the magnet in the device according to the invention is no longer arranged on the shaft but on a separate rotary element, it can be arranged at a fixed distance from the Hall sensor and parallel to it in the device. A slightly oblique insertion of the shaft then has no influence on the relative position of the magnet and Hall sensor and thus does not affect the measurement accuracy.

Zur Übertragung der Drehbewegung der Welle auf das Drehelement mit dem Magneten gibt es verschiedene denkbare Ausführungsmöglichkeiten. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Drehelement als Zahnrad ausgebildet und die Welle mit einem Zahnelement drehfest verbindbar, dessen Verzahnung mit dem Zahnrad kämmt. Die Übertragung der Drehung der Welle könnte jedoch auch über einen Riemen oder dergleichen erfolgen. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Zahnelements und des Zahnrades kann ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehung der Welle und der Drehung des Magneten realisiert werden, das eine hohe Auflösung der Vorrichtung ergibt.For transmitting the rotational movement of the shaft to the rotary member with the magnet, there are various conceivable design options. In a preferred embodiment, the rotary member is formed as a gear and the shaft rotatably connected to a toothed element whose teeth mesh with the gear. However, the transmission of the rotation of the shaft could also be via a belt or the like. By a corresponding dimensioning of the toothed element and the gear, a transmission ratio between the rotation of the shaft and the rotation of the magnet can be realized, which results in a high resolution of the device.

Das Zahnelement kann beispielsweise eine Scheibe sein, deren Umfang zumindest teilweise mit einer Verzahnung versehen ist. Das Zahnrad kann dabei aus zwei gegeneinander vorgespannten Scheiben gebildet sein, um ein Spiel ausschließen zu können.The toothed element may for example be a disc whose circumference is at least partially provided with a toothing. The gear can be formed from two mutually prestressed discs to exclude a game can.

Weiter ist es möglich, den Magnet und das Zahnrad einteilig auszubilden, wobei das Zahnrad aus Kunststoff gefertigt ist und der Magnet kunststoffgebunden ist. Dabei kann das Zahnrad direkt an den Magneten angespritzt werden.Further, it is possible to form the magnet and the gear in one piece, wherein the gear is made of plastic and the magnet is plastic-bonded. The gear can be molded directly onto the magnet.

Bei dieser Ausgestaltung ist es außerdem möglich, den Magneten axial zu magnetisieren. Insgesamt erhält dadurch der Magnet mit dem angefügten Zahnrad die gleichen Eigenschaften wie ein diametral magnetischer Ringmagnet.In this embodiment, it is also possible to magnetize the magnet axially. Overall, this gives the magnet with the attached gear the same properties as a diametrically magnetic ring magnet.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Hall-Sensor in einem Gehäuse durch einen Luftspalt beabstandet zum Magneten angeordnet ist. Das Gehäuse schirmt die Magnet-Hall-Sensor-Anordnung nach außen ab und vermeidet somit Störeinflüsse auf das Messergebnis.Further advantages arise when the Hall sensor is arranged in a housing spaced by an air gap to the magnet. The housing shields the magnetic Hall sensor arrangement to the outside and thus avoids interference on the measurement result.

Der Hall-Sensor kann dabei vorzugsweise auf einer Platine angeordnet sein, die zumindest im Wesentlichen parallel zum Zahnrad ausgerichtet ist. Auf der Platine kann die Auswerteelektronik der Vorrichtung sitzen, sodass insgesamt eine kompakte Bauweise der Vorrichtung erreicht werden kann.The Hall sensor can preferably be arranged on a circuit board, which is aligned at least substantially parallel to the gear. On the board, the evaluation of the device can sit, so that a total of a compact design of the device can be achieved.

Zur Erhöhung der Präzision kann außerdem das Zahnrad von zwei gegeneinander vorgespannten gezahnten Scheiben gebildet sein.To increase the precision, the gear can also be formed by two counter-toothed discs.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Welle zusätzlich in der Platine gelagert ist. Auf diese Weise wird die Welle an zwei Stellen, in der Hauptlagerbuchse und in der Platine gelagert, wodurch eine deutlich bessere Führung der Welle und damit auch eine höhere Messgenauigkeit erzielbar sind.Further advantages arise when the shaft is additionally stored in the board. In this way, the shaft is mounted in two places, in the main bearing bush and in the board, whereby a much better management of the shaft and thus a higher measurement accuracy can be achieved.

Nachfolgend wird elf bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher beschrieben.In the following, eleven preferred embodiments of a device according to the invention will be described in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung; 1 a cross section through a device according to the invention;

2 eine teilweise geöffnete und perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 1 ohne Platine. 2 a partially opened and perspective view of the device 1 without circuit board.

Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ein Gehäuse 11 auf, an dessen Unterseite eine Lagerbuchse 12 für eine Welle 13 angeordnet ist. Mit der Vorrichtung 10 soll die Winkelposition der Welle 13 erfasst werden. Dazu ist im Inneren des Gehäuses 11 ein Permanentmagnet 14 auf einem Drehelement in Form eines Zahnrades 15 drehbar angeordnet. Die Drehachse des Drehelements 15 ist dabei parallel zur Welle 13 ausgerichtet. Dem Magneten gegenüberliegend ist ein Hall-Sensor 16 vorgesehen, der auf der Unterseite einer Platine 19 befestigt ist. Zwischen der Platine 19 und dem Magneten 14 sind Abstandshalter 17 vorgesehen, die dafür sorgen, dass zwischen dem Magneten 14 und dem Hall-Sensor 16 ein Luftspalt 18 konstanter Größe vorhanden ist.According to 1 has the device according to the invention 10 a housing 11 on, at the bottom of a bearing bush 12 for a wave 13 is arranged. With the device 10 should be the angular position of the shaft 13 be recorded. This is inside the case 11 a permanent magnet 14 on a rotary element in the form of a gear 15 rotatably arranged. The axis of rotation of the rotary element 15 is parallel to the shaft 13 aligned. Opposite the magnet is a Hall sensor 16 provided on the underside of a circuit board 19 is attached. Between the board 19 and the magnet 14 are spacers 17 provided that ensure that between the magnet 14 and the Hall sensor 16 an air gap 18 constant size is present.

Die Winkelposition der in die Lagerbuchse 12 eingesetzten Welle 13 wird über ein Zahnelement 20 auf das Zahnrad 15 übertragen. Wie insbesondere auch 2 zeigt, ist das Zahnelement 20 eine Scheibe, die an ihrem Umfang eine Verzahnung 21 aufweist, die mit dem Zahnrad 15 kämmt. Da der Durchmesser der Scheibe 20 deutlich größer ist als der Durchmesser des Zahnrades 15, werden kleine Winkelbewegungen der Welle 13 in deutlich größere Winkelbewegungen des Magneten 14 übersetzt, wodurch die Vorrichtung 10 eine sehr hohe Auflösung erreicht.The angular position of the bearing bush 12 inserted shaft 13 is about a toothed element 20 on the gear 15 transfer. As in particular 2 shows is the tooth element 20 a disc that has a toothing on its circumference 21 that is with the gear 15 combs. As the diameter of the disc 20 is significantly larger than the diameter of the gear 15 , small angular movements of the shaft 13 in significantly larger angular movements of the magnet 14 translates, eliminating the device 10 achieved a very high resolution.

Dadurch, dass der Magnet 14, der Hall-Sensor 16, das Zahnrad 15 sowie die Scheibe 20 im Gehäuse 11 vorinstalliert sind, hat ein gegebenenfalls nicht korrektes Einsetzen der Welle 13 in die Lagebuchse 12 keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit der Vorrichtung 10. Darüber hinaus ist die Welle 13 im dargestellten Beispiel nicht nur in der Lagerbuchse 12 auf der Unterseite des Gehäuses 11 sondern auch an einer zweiten Lagerbuchse 22 auf der Unterseite der Platine 20 gelagert. Durch diese zweifache Lagerung der Welle 13 kann ein schräges Einführen der Welle 13 in die Vorrichtung 10 praktisch ausgeschlossen werden. Insgesamt stellt daher die Vorrichtung 10 eine Winkelmesseinrichtung hoher Präzision und hoher Auflösung dar.Because of the magnet 14 , the Hall sensor 16 , the gear 15 as well as the disc 20 in the case 11 preinstalled, may have incorrect insertion of the shaft 13 in the position socket 12 no influence on the measuring accuracy of the device 10 , In addition, the wave 13 in the example shown not only in the bearing bush 12 on the bottom of the case 11 but also on a second bearing bush 22 on the bottom of the board 20 stored. Through this double storage of the shaft 13 can be an oblique insertion of the shaft 13 into the device 10 be practically excluded. Overall, therefore, represents the device 10 an angle measuring device of high precision and high resolution.

Claims

Device for detecting the angular position of a shaft ( 13 ) with a magnet ( 14 ), which upon rotation of the shaft ( 13 ) also changed its angular position, and with a Hall sensor ( 16 ) for detecting the angular position of the magnet ( 14 ), characterized in that the magnet ( 14 ) on a rotary element ( 15 ) is arranged, which upon rotation of the shaft ( 13 ) also undergoes a rotation.

Device according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the rotary element ( 15 ) parallel to the shaft ( 13 ) is aligned.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the rotary element ( 15 ) is formed as a gear and the shaft ( 13 ) with a toothed element ( 20 ) rotatably connected, whose teeth ( 21 ) with the gear ( 15 ) combs.

Apparatus according to claim 3, characterized in that the toothed element ( 20 ) is a disc whose circumference at least partially with a toothing ( 21 ) is provided.

Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the gear ( 15 ) is formed by two oppositely biased toothed discs.

Device according to one of claims 3-5, characterized in that the magnet ( 14 ) and the gear ( 15 ) are integrally formed, wherein the gear ( 15 ) made of plastic and the magnet ( 14 ) is plastic-bound.

Apparatus according to claim 6, characterized in that the plastic-bonded magnet ( 14 ) is axially magnetized.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Hall sensor ( 16 ) in a housing ( 11 ) through an air gap ( 18 ) spaced from the magnet ( 14 ) is arranged.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the Hall sensor ( 16 ) on a board ( 19 ) is arranged, which at least substantially parallel to the rotary element ( 15 ) is arranged.

Apparatus according to claim 9, characterized in that an end portion of the shaft ( 13 ) in the board ( 19 ) is stored.