DE102011116910A1 - Device for detecting rotational angle of shaft of servomotor or potentiometer, has rotary element provided with external thread and located in or on screw thread guide, and hall sensor detected at distance between sensor and magnet - Google Patents

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Abstract

The device (10) has a hall sensor (16) arranged on a rotary element (15) for detecting an angular position of a permanent magnet (14) during rotation of a shaft (13). The rotary element is provided with an external thread and located in or on a screw thread guide (26). The sensor is detected at a distance between the sensor and the magnet. A rotational axis of the rotary element is aligned parallel to the shaft, where the shaft is connectable with the rotary element in a torque-proof manner. The sensor is located on a circuit board (19), which is arranged parallel to the rotary element.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels 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 angle of rotation 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 oder Potentiometers, sind bereits bekannt. Der Magnet wird bei diesen Vorrichtungen auf dem Wellenende und koaxial zur Welle befestigt. Anschließend wird das Wellenende mit Magnet 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 or potentiometer, 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 with a magnet in a bearing of a sensor housing in which the Hall sensor and usually also the evaluation are arranged.

Die bisher bekannten Sensorvorrichtungen haben den Nachteil, dass keine Messung von Winkeln > 360° möglich ist. Außerdem liefert bei einem leicht schrägen Einsetzen der Welle mit dem Magneten in die Lagerbuchse des Gehäuses der Hall-Sensor fehlerhafte Signale. Darüber hinaus ist die Auflösung der Sensorvorrichtung insbesondere bei Wellen mit kleinem Durchmesser relativ gering.The previously known sensor devices have the disadvantage that no measurement of angles> 360 ° is possible. In addition, 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 auch von Drehwinkeln > 360° bereitzustellen, die außerdem weniger empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen ist und zudem eine höhere Auflösung aufweist als die bisher bekannten Vorrichtungen.The present invention is therefore an object of the invention to provide a device for detecting angles of rotation> 360 °, which is also 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 des Drehwinkels einer Welle, mit einem Magneten, der bei Drehung der Welle ebenfalls seine Winkelposition verändert, und mit mindestens 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, wobei das Drehelement mit einem Gewinde versehen ist und in oder auf einer Gewindeführung sitzt und wobei der mindestens eine Hall-Sensor auch den Abstand zwischen ihm und dem Magneten erfasst.The object is achieved by a device for detecting the angle of rotation of a shaft, with a magnet which also changes its angular position upon rotation of the shaft, and with at least one Hall sensor for detecting the angular position of the magnet, which is characterized in that the magnet is arranged on a rotary member which also undergoes rotation upon rotation of the shaft, wherein the rotary member is provided with a thread and is seated in or on a thread guide and wherein the at least one Hall sensor also detects the distance between it and the magnet.

Dadurch, dass der Magnet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr auf der Welle sondern auf einem separaten, mit einem Gewinde versehenen Drehelement angeordnet ist, können auch Drehwinkel der Welle > 360° erfasst werden. Der Magnet ändert nicht nur seine Winkelposition sondern auch seine axiale Position, wenn sich die Welle um mehr als 360° dreht. Sowohl die Winkelposition als auch die axiale Position des Magneten können von einem oder mehreren Hall-Sensoren erfasst werden, da sich die Signale der Sensoren auch bei einer Abstandsänderung zwischen ihnen und dem Magneten verändern. Die separate Anordnung von Magnet und Welle hat außerdem den Vorteil, dass ein leicht schräges Einsetzen der Welle dann keinen Einfluss auf die Relativposition von Magnet und Hall-Sensor hat und somit die Messgenauigkeit nicht beeinflusst.Because the magnet in the device according to the invention is no longer arranged on the shaft but on a separate, threaded rotary element, rotational angles of the shaft> 360 ° can also be detected. The magnet changes not only its angular position but also its axial position as the shaft rotates more than 360 °. Both the angular position and the axial position of the magnet can be detected by one or more Hall sensors, since the signals of the sensors change even with a change in distance between them and the magnet. The separate arrangement of magnet and shaft also has the advantage that 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.For transmitting the rotational movement of the shaft to the rotary member with the magnet, there are various conceivable design options.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Drehelement mit dem Magneten über ein Außengewinde in einem Gehäuse gelagert, wobei durch eine Federvorspannung das Spiel innerhalb des Außengewindes eliminiert wird. In dieses Drehelement ragt das Antriebselement, welches über ein Federspannelement vorgespannt ist. Die Übertragung der Drehung der Welle erfolgt über einen Kraftschluss zwischen Antriebs- und Drehelement.In a preferred embodiment, the rotary member is mounted with the magnet via an external thread in a housing, wherein the play within the external thread is eliminated by a spring bias. In this rotary element protrudes the drive element, which is biased by a spring tensioning element. The transmission of the rotation of the shaft via a frictional connection between the drive and rotary element.

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.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher beschrieben.Hereinafter, a preferred embodiment of a device according to the invention will be described in 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 vergrößerte Detaildarstellung der Vorrichtung aus 1; 2 an enlarged detail of the device 1 ;

3 ein Diagramm der Spannung am Hall-Sensor der Vorrichtung aus 1. 3 a diagram of the voltage at the Hall sensor of the device 1 ,

Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ein Gehäuse 11 auf, in dem eine Welle 13 gelagert 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 15 drehbar angeordnet. Das Drehelement 15 ist mit einem Außengewinde 25 versehen (2), das in einer Gewindeführung 26 des Gehäuses 11 eingesetzt ist. Die Drehachse des Drehelements 15 ist koaxial zur Welle 13 ausgerichtet. Dem Magneten gegenüberliegend ist ein Hall-Sensor 16 vorgesehen, der auf einer Platine 19 befestigt ist. Zwischen dem Magneten 14 und dem Hall-Sensor 16 ist ein Luftspalt 18 vorhanden, dessen Größe davon abhängt, wie weit das Außengewinde 25 das Drehelement 15 in die Gewindeführung 26 ein- oder aus dieser herausgedreht ist. Die Größe des Luftspalts 18 wird vom Hall-Sensor 16 erfasst.According to 1 has the device according to the invention 10 a housing 11 in which a wave 13 is stored. 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 15 rotatably arranged. The rotary element 15 is with an external thread 25 Mistake ( 2 ), in a thread guide 26 of the housing 11 is used. The axis of rotation of the rotary element 15 is coaxial with the shaft 13 aligned. Opposite the magnet is a Hall sensor 16 provided on a circuit board 19 is attached. Between the magnet 14 and the Hall sensor 16 is an air gap 18 whose size depends on how far the external thread 25 the rotary element 15 in the thread guide 26 in or out of this is turned out. The size of the air gap 18 is from the Hall sensor 16 detected.

Die Winkelposition der in das Gehäuse 11 eingesetzten Welle 13 wird über ein Antriebselement 20 auf das Drehelement 15 übertragen. Wie insbesondere auch 2 zeigt, ist das Antriebselement 20 eine Kugel, die von einer Feder 21 in eine Ausnehmung des Drehelements 15 gedrückt wird.The angular position of the housing 11 inserted shaft 13 is via a drive element 20 on the rotary element 15 transfer. As in particular 2 shows is the driving element 20 a ball made by a spring 21 in a recess of the rotary element 15 is pressed.

Die Übertragung der Drehbewegung der Welle 13 auf das Drehelement 15 erfolgt somit über einen Kraftschluss.The transmission of the rotary motion of the shaft 13 on the rotary element 15 thus takes place via a frictional connection.

Erfährt die Welle eine Drehung um mehr als 360°, so wird das Außengewinde 25 des Drehelements 15 weiter in die Gewindeführung 26 ein- oder aus dieser herausgedreht. Das Spiel zwischen Außengewinde 25 und Gewindeführung 26 wird durch eine hier nicht näher dargestellte Federvorspannung eliminiert. Entsprechend der Position des Drehelements 15 verändert sich die Breite des Luftspalts 18. Die Veränderung der Breite des Luftspalts 18 wird ebenso wie die Winkelposition des Magneten 14 vom Hall-Sensor 16 erfasst, sodass auch Winkeldrehungen der Welle 13 von mehr als 360° präzise gemessen werden können.If the shaft experiences a rotation of more than 360 °, the external thread becomes 25 of the rotary element 15 further into the thread guide 26 turned on or off. The game between external thread 25 and thread guide 26 is eliminated by a spring bias not shown here. According to the position of the rotary member 15 the width of the air gap changes 18 , The change in the width of the air gap 18 as well as the angular position of the magnet 14 from the Hall sensor 16 recorded, so that also angular rotations of the shaft 13 of more than 360 ° can be precisely measured.

Wie 3 verdeutlicht, setzt sich die am Hall-Sensor 16 erzeugte Spannung uB aus zwei Komponenten zusammen. Bewegt sich die Welle 13 in Pfeilrichtung s (1) durch Bewegung des Drehelements 15 im Gewindeabschnitt 26 auf den Hall-Sensor 16 zu, so entsteht am Hall-Sensor 16 ein linear ansteigender Spannungsanteil 30. Da bei der Bewegung der Welle in Pfeilrichtung s die Welle 13 und damit auch der Magnet 14 gleichzeitig um ihre Längsachse rotieren, entsteht am Hall-Sensor 16 ein weiterer Spannungsanteil 31, der sägezahnförmig verläuft. Sobald die Welle eine Drehung um 360° ausgeführt hat, fällt dieser Spannungsanteil 31 auf 0 ab, um danach wieder linear anzusteigen, bis die nächste vollständige Umdrehung erreicht ist. Für die Auswertung des Winkels ist dabei die Position Nord-Süd des Magnetfelds entscheidend, die vom Hall-Sensor 16 ausgewertet wird.As 3 clarifies, the sits at the Hall sensor 16 generated voltage u B composed of two components. The wave is moving 13 in the direction of the arrow s ( 1 ) by movement of the rotary member 15 in the threaded section 26 on the Hall sensor 16 to, so arises at the Hall sensor 16 a linearly increasing voltage component 30 , As with the movement of the shaft in the direction of arrow s, the shaft 13 and with it the magnet 14 rotate at the same time about its longitudinal axis, arises at the Hall sensor 16 another voltage component 31 which runs sawtooth-shaped. Once the shaft has rotated 360 °, this voltage component drops 31 to 0, then increase linearly again until the next complete revolution is reached. For the evaluation of the angle, the position north-south of the magnetic field is decisive, that of the Hall sensor 16 is evaluated.

Es versteht sich, dass selbstverständlich auch mehrere Hall-Sensoren, insbesondere zwei Hall-Sensoren vorgesehen sein können. Ein Hall-Sensor kann eingesetzt werden, um die Größe des Luftspalts zu messen, der andere um die Winkelposition zu erfassen.It is understood that, of course, a plurality of Hall sensors, in particular two Hall sensors can be provided. A Hall sensor can be used to measure the size of the air gap, the other to detect the angular position.

Claims (6)

Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle (13) mit einem Magneten (14), der bei Drehung der Welle (13) ebenfalls seine Winkelposition verändert, und mit mindestens einem Hall-Sensor (16) zur Erfassung der Winkelposition des Magneten (14) auf einem Drehelement (15) angeordnet ist, das bei Drehung der Welle (13) ebenfalls eine Drehung erfährt, wobei das Drehelement (15) mit einem Gewinde (25) versehen ist und in oder auf einer Gewindeführung (26) sitzt und wobei der mindestens eine Hall-Sensor (16) auch den Abstand zwischen ihm und dem Magneten (14) erfasst.Device for detecting the angle of rotation of a shaft ( 13 ) with a magnet ( 14 ), which upon rotation of the shaft ( 13 ) also changes its angular position, and with at least one Hall sensor ( 16 ) for detecting the angular position of the magnet ( 14 ) on a rotary element ( 15 ) is arranged, which upon rotation of the shaft ( 13 ) also undergoes a rotation, wherein the rotary element ( 15 ) with a thread ( 25 ) and in or on a thread guide ( 26 ) and wherein the at least one Hall sensor ( 16 ) also the distance between it and the magnet ( 14 ) detected. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des Drehelements (15) parallel zur Welle (13) ausgerichtet ist.Device according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the rotary element ( 15 ) parallel to the shaft ( 13 ) is aligned. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (16) in einem Gehäuse (11) durch einen Luftspalt (18) beabstandet zum Magneten (14) angeordnet ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the Hall sensor ( 16 ) in a housing ( 11 ) through an air gap ( 18 ) spaced from the magnet ( 14 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (16) auf einer Platine (19) angeordnet ist, die zumindest im Wesentlichen parallel zum Drehelement (15) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 3, 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (13) durch Kraftschluss drehfest mit dem Drehelement (15) verbindbar ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shaft ( 13 ) by non-positive rotation with the rotary member ( 15 ) is connectable. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (13) über ein federvorgespanntes Antriebselement (20) kraftschlüssig mit dem Drehelement (15) verbindbar ist.Apparatus according to claim 5, characterized in that the shaft ( 13 ) via a spring-biased drive element ( 20 ) non-positively with the rotary element ( 15 ) is connectable.
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