DE102018115682A1

DE102018115682A1 - Spindellinearverstellantrieb

Info

Publication number: DE102018115682A1
Application number: DE102018115682.0A
Authority: DE
Inventors: Frederick Runte
Original assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: DE102018115682B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindellinearverstellantrieb umfassend eine Spindel (3), eine mit der Spindel (3) zusammenwirkende Spindelmutter (4), eine elektrische Motoreinheit (1) mit einem Frequenzumrichter zum Rotieren der Spindel (3) und einen Positionsgeber, welcher ausgebildet ist zum berührungslosen Erfassen einer Position der Spindelmutter (4) auf der Spindel (3), wobei der Positionsgeber eine Mehrzahl von entlang der Spindel (3) verteilt angeordneten unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) vorsieht, welche von einem der Spindelmutter (4) zugeordneten Magneten (5) betätigbar sind, wobei die einzelnen Ausgänge der unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) gegen unterschiedliche Ausgangswiderstände (16, 17, 18) verschaltet sind, wobei die Ausgänge in einem Ausgangssammelpunkt (21) derart zusammengefasst sind, dass sie gemeinsam einer Auswerteeinheit zugeführt sind, und wobei die unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) bezogen auf den Ausgangssammelpunkt (21) über einen Pullup-Widerstand (19) gegen eine Versorgungsspannung des Positionsgebers verschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindellinearverstellantrieb mit einer Spindel, mit einer Spindelmutter, welche im Zusammenwirken mit der Spindel längsverschiebbar gehalten ist, mit einer elektrischen Motoreinheit und einem Frequenzumrichter zum Rotieren der Spindel und mit einem Positionsgeber zum Erfassen einer Position der Spindelmutter auf der Spindel.
Spindellinearverstellantriebe der vorgenannten Art werden heute für die unterschiedlichsten Positionieraufgaben eingesetzt. Beispielsweise finden sich derartige Spindellinearverstellantriebe in motorisch verstellbaren Möbeln wie Zahnarztstühlen, OP-Tischen und dergleichen. Zur Positionserfassung beziehungsweise Endlagenabschaltung sind als Teil der Antriebe mechanische Schaltelemente beziehungsweise Reedkontakte vorgesehen. Jeweils ist es hierbei so, dass durch die mechanische Beanspruchung dieser Komponenten ein gewisser Verschleiß auftreten kann und insofern letztlich die Funktionalität des Spindellinearverstellantriebs beeinflusst ist. Darüber hinaus sind der Positionsgeber mit den Schaltelementen und eine zugeordnete Steuerung regelmäßig in einer separaten, an dem eigentlichen Spindellinearverstellantrieb angebauten Gehäuseeinheit vorgesehen. Es ergibt sich insofern ein zusätzlicher Montage- und Prüfaufwand in Bezug auf die korrekte Zuordnung der Funktionskomponenten zueinander.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen äußerst robusten und kompakt bauenden Spindellinearverstellantrieb vorzusehen.
Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Demzufolge umfasst der Spindellinearverstellantrieb eine Spindel, eine mit der Spindel zusammenwirkende Spindelmutter, eine elektrischen Motoreinheit mit einem Frequenzumrichter zum Rotieren der Spindel und einen Positionsgeber, welcher ausgebildet ist zum Erfassen einer Position der Spindelmutter auf der Spindel. Der Positionsgeber sieht eine Mehrzahl von entlang der Spindel verteilt angeordneten unipolaren Hallsensoren vor, welche mit einem der Spindelmutter zugeordneten Magneten betätigbar sind. Die Ausgänge der verschiedenen unipolaren Hallsensoren sind gegen unterschiedliche Ausgangswiderstände verschaltet und in einem Ausgangssammelpunkt derart zusammengefasst, dass sie gemeinsam einer Auswerteeinheit zugeführt sind. Bezogen auf den Ausgangssammelpunkt der Ausgänge sind die unipolaren Hallsensoren über einen Pullup-Widerstand gegen eine Versorgungsspannung des Positionsgebers verschaltet.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zum einen die Positionserfassung berührungslos über unipolare Hallsensoren möglich wird. Darüber hinaus können die verschiedenen Sensoren durch das Vorsehen unterschiedlicher Ausgangswiderstände gemeinsam überwacht beziehungsweise über eine einzige, gemeinsame Signalleitung mit der Auswerteeinheit verbunden werden. Dabei können die unterschiedlichen Hallsensoren über das jeweilige Spannungsniveau identifiziert beziehungsweise unterschieden werden. Zudem sorgt der Pullup-Widerstand, über den der Ausgangssammelpunkt an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, zusammen mit den unterschiedlichen Ausgangswiderständen dafür, dass eine drahtbruchsichere Analyse beziehungsweise Signalauswertung möglich ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die unipolaren Hallsensoren auf einer gemeinsamen Platine des Positionsgebers angeordnet und zusammen mit der Spindel und der Spindelmutter in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut. Als gemeinsames Gehäuse kann beispielsweise ein Hohlrohr vorgesehen sein, welches die Spindel, die Spindelmutter und die Platine mit den unipolaren Hallsensoren umgreift. Vorteilhaft kann durch die Anordnung all dieser Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse der Aufbau des erfindungsgemäßen Spindellinearverstellantriebs sehr kompakt erfolgen und es entfällt die Notwendigkeit, die korrekte Zuordnung unterschiedlicher Gehäusekomponenten zueinander zu kontrollieren.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein erster unipolarer Hallsensor einer ersten Endposition der Spindelmutter und ein zweiter unipolarer Hallsensor einer zweiten Endposition der Spindelmutter zugeordnet. Optional ist wenigstens ein weiterer unipolarer Hallsensor zwischen dem ersten unipolaren Hallsensor und dem zweiten unipolaren Hallsensor vorgesehen. Bevorzugt sind benachbarte unipolare Hallsensoren gleichmäßig beabstandet. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen der verschiedenen unipolaren Hallsensoren die Position der Spindelmutter auf der Spindel sehr genau und exakt bestimmt und überwacht werden. Es ist insofern möglich, den Spindellinearverstellantrieb präzise zu steuern beziehungsweise eine vorgegebene Soll-Position exakt anzufahren.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Abstand der unipolaren Hallsensoren so gewählt, dass sich stets nur ein unipolarer Hallsensor in einem Magnetfeldwirkbereich des Magneten befindet, welcher der Spindelmutter zugeordnet ist. Vorteilhaft vereinfacht sich hierdurch die Positionserfassung beziehungsweise Auswertung des Positionssignals.
Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spindellinearverstellantriebs,
2 einen Längsschnitt durch den Spindellinearverstellantrieb nach 1,
3 einen Querschnitt durch den Spindellinearverstellantrieb nach 1,
4 eine vergrößerte Darstellung des Details X nach 3,
5 eine Auswerteschaltanordnung für drei unipolare Hallsensoren eines Positionsgebers des erfindungsgemäßen Spindellinearverstellantriebs und
6 ein Spannungsdiagramm für die unipolaren Hallsensoren in der Schaltanordnung nach 5.

Ein erfindungsgemäßer Spindellinearverstellantrieb umfasst als wesentliche Funktionskomponenten eine elektrische Motoreinheit 1 mit einem nicht separat dargestellten Frequenzumrichter, ein mechanisches Getriebe 2 mit einem Schneckenrad 14 und einer Spindel 3, eine mit der Spindel 3 zusammenwirkende Spindelmutter 4 sowie einen Positionsgeber zum Erfassen einer Position der Spindelmutter 4 auf der Spindel 3.
Der Positionsgeber sieht eine Mehrzahl von entlang der Spindel 3 verteilt angeordneten unipolaren Hallsensoren 11, 12, 13 vor, welche gleichmäßig beabstandet zueinander auf einer gemeinsamen Platine 10 in die Längsrichtung der Spindel 3 angeordnet sind. Die Spindelmutter 4 sieht einen Magneten 5 vor, welcher zur Erfassung der Position der Spindelmutter 4 berührungslos mit den unipolaren Hallsensoren 11, 12, 13 zusammenwirkt.
Weiter sieht der Spindellinearverstellantrieb zwei Aufnahmen 7, 8 vor, die ausgebildet sind zur Integration des Spindellinearverstellantriebs in eine übergeordnete Systemumgebung, beispielsweise in einen Zahnarztstuhl, einen OP-Tisch oder eine Massageliege. Die steuerungstechnische Einbindung in ein Gesamtsystem beziehungsweise die Energieversorgung der Motoreinheit 1 erfolgt über elektrische Anschlüsse 9.
Um die Spindelmutter 4 in eine Längsrichtung der Spindel 3 zu bewegen, wird mittels der elektrischen Motoreinheit 1 eine Schnecke 22 rotiert. Ein mit der Schnecke 22 zusammenwirkendes Schneckenrad 14 überträgt die Drehbewegung auf die Spindel 3. Die Spindelmutter 4, welche in einer Längsführung 15 eines die Spindel 3 umgreifenden Gehäuses 6 geführt ist, wird infolge der Rotation der Spindel 3 in die Längsrichtung der Spindel 3 bewegt. Der Magnet 5, welcher der Spindelmutter 4 zugeordnet ist, gerät infolge der Längsbewegung der Spindelmutter 4 mit seinem Magnetfeldwirkbereich in einen Erfassungsbereich der unipolaren Hallsensoren 11, 12, 13. Insofern kann über das Signal der unipolaren Hallsensoren 11, 12, 13 die Position der Spindelmutter 4 in dem Gehäuse 6 des Spindellinearverstellantriebs erfasst werden.
Ausgangssignale der unipolaren Hallsensoren 11, 12, 13 werden gemeinsam über eine Sammelleitung 20 einer nicht dargestellten Auswerteeinheit, insbesondere einem Mikroprozessor zugeführt, welcher mit der elektrischen Motoreinheit 1 beziehungsweise dem Frequenzumrichter zusammenwirkt. Ein erster Hallsensor 11, welcher einer ersten Endposition der Spindelmutter 4 zugeordnet ist, wird zu diesem Zweck über einen ersten Ausgangwiderstand 16 und über einen zweiten Ausgangswiderstand 17 und über einen dritten Ausgangswiderstand 18 verschaltet. Über den dritten Ausgangswiderstand 18 ist ebenfalls ein zweiter unipolarer Hallsensor 12 verschaltet, welcher einer zweiten Endposition der Spindelmutter zugeordnet ist. Ein weiterer unipolarer Hallsensor 13, welcher zwischen dem ersten unipolaren Hallsensor 11 und dem zweiten unipolaren Hallsensor 12 auf der Platine 10 des Positionsgebers angeordnet ist, wird über den zweiten Ausgangswiderstand 17 und den dritten Ausgangswiderstand 18 verschaltet. Es ist insofern bei dem erfindungsgemäßen Spindellinearverstellantrieb gewährleistet, dass ausgangsseitig die unipolaren Hallsensoren 11, 12, 13 mit unterschiedlichen Ausgangswiderständen 16, 17, 18 verschaltet sind. Sofern die Ausgänge der unipolaren Hallsensoren 11, 12, 13 dann in einem Ausgangssammelpunkt 21 zusammengeführt und über die Sammelleitung 20 der Auswerteeinheit zugeführt werden, kann anhand des Signals auf der Sammelleitung 20 die Position der Spindelmutter 4 anhand des Signalpegels festgestellt werden. Es kann insofern aufgrund der unterschiedlichen Widerstände am Ausgangssammelpunkt 21 ein Signal des ersten unipolaren Hallsensors 11 von einem Signal des zweiten unipolaren Hallsensors 12 sowie des weiteren unipolaren Hallsensors 13 unterschieden werden.
Im Zusammenwirken mit den Ausgangswiderständen 16, 17, 18 ist eine Drahtbruchsicherung für die Auswerteschaltanordnung realisiert, indem der Ausgangssammelpunkt 21 über einen Pullup-Widerstand 19 gegen die Versorgungsspannung verschaltet ist. Insofern liegt in einem signallosen Zustand ein Spannungswert von beispielsweise 5 V auf der Sammelleitung 20 an und wird der Auswerteeinheit zugeführt. Tritt demgegenüber ein Drahtbruch auf, liegt das 5 V-Signal auf der Sammelleitung 20 nicht an.

Claims

Spindellinearverstellantrieb umfassend eine Spindel (3), eine mit der Spindel (3) zusammenwirkende Spindelmutter (4), eine elektrische Motoreinheit (1) mit einem Frequenzumrichter zum Rotieren der Spindel (3) und einen Positionsgeber, welcher ausgebildet ist zum berührungslosen Erfassen einer Position der Spindelmutter (4) auf der Spindel (3), wobei der Positionsgeber eine Mehrzahl von entlang der Spindel (3) verteilt angeordneten unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) vorsieht, welche von einem der Spindelmutter (4) zugeordneten Magneten (5) betätigbar sind, wobei die einzelnen Ausgänge der unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) gegen unterschiedliche Ausgangswiderstände (16, 17, 18) verschaltet sind, wobei die Ausgänge in einem Ausgangssammelpunkt (21) derart zusammengefasst sind, dass sie gemeinsam einer Auswerteeinheit zugeführt sind, und wobei die unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) bezogen auf den Ausgangssammelpunkt (21) über einen Pullup-Widerstand (19) gegen eine Versorgungsspannung des Positionsgebers verschaltet sind.
Spindellinearverstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Auswerteeinheit ein Mikrocontroller vorgesehen ist.
Spindellinearverstellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) so gewählt ist, dass sich stets nur ein unipolarer Hallsensor (11, 12, 13) in einem Magnetfeldwirkbereich des Magnets (5) befindet.
Spindellinearverstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensoren (11, 12, 13) auf einer gemeinsamen Platine (10) des Positionsgebers angeordnet sind.
Spindellinearverstellantrieb nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (10) mit den unipolaren Hallsensoren (11, 12, 13) und die Spindel (3) mit der Spindelmutter (4) in einem gemeinsamen Gehäuse (6) vorgesehen sind und/oder dass die Spindelmutter (4) in dem Gehäuse (6) längsgeführt ist.
Spindellinearverstellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als gemeinsames Gehäuse (6) ein Hohlrohr vorgesehen ist.
Spindellinearverstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster unipolarer Hallsensor (11) einer ersten Endposition der Spindelmutter (4) und ein zweiter unipolarer Hallsensor (12) einer zweiten Endposition der Spindelmutter (4) zugeordnet ist.
Spindellinearverstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer unipolarer Hallsensor (13) zwischen dem ersten unipolaren Hallsensor (11) und dem zweiten unipolaren Hallsensor (12) vorgesehen ist und/oder dass benachbarte unipolare Hallsensoren (11, 12, 13) einen gleichen Abstand aufweisen.