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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und betrifft einen Encoder, wie er beispielsweise in der Telekommunikationstechnik, in der Automobiltechnik, in der Solartechnik oder in der Raumfahrt zum Einsatz kommen kann.
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Encoder oder Drehgeber oder Drehwinkelgeber sind Sensoren für Drehwinkel, der meist digitale Ausgangssignale liefern, die am anderen Ende der Sensorleitung im Auswertegerät decodiert werden müssen (Wikipedia, Stichwort Encoder).
Solche Sensoren werden zur Erfassung von Lageänderungen oder Winkeländerungen eingesetzt, die eine Wegstrecke und Wegrichtung oder eine Winkeländerung oder Drehrichtung erfassen können.
Am häufigsten werden rotierende optische Encoder verwendet.
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Encoder mit Schleifkontakten arbeiten prinzipiell wie ein Drehschalter. Übliche Auflösungen sind etwa 32 Positionen pro Umdrehung. Nachteil der preiswerten Lösung mit Schleifkontakten ist der mechanische Verschleiß. Von Vorteil ist der geringe Ruhestromverbrauch, der bei geeigneter Auslegung der Raststellungen Null sein kann und sich damit für Fernbedienungen eignet.
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Encoder mit photoelektrischer Abtastung werden nach dem abbildenden Messprinzip, das für Teilungsperioden bis hinunter zu 20 µm geeignet ist, und dem interferentiellen Messprinzip, das Teilungsperioden bis herab zu 4 µm ermöglicht, unterschieden.
Zur Be- oder Durchleuchtung eines Gitters ist ein Speisestrom im Milliampere-Bereich erforderlich, so dass optische Verfahren weniger in batteriebetriebenen Geräten zum Einsatz kommen.
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Bei dem abbildenden Messprinzip ist zwischen einer Leuchtdiode und zwei leicht versetzt angeordneten Photodetektoren eine mit Schlitzen versehene Scheibe angeordnet. Rotiert nun diese Scheibe, werden die beiden Photodetektoren abwechselnd beleuchtet. Aus diesen zwei Ausgangssignalen bildet der Empfänger die Drehrichtung und zählt die Impulse. Hochwertige Messsysteme benutzen vier Sensoren, die jeweils zu zweit antiparallel geschaltet sind, um einen definierten Nulldurchgang zu erhalten und so Drift- und Alterungserscheinungen zu kompensieren.
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Bei der Mehrfeldabtastung wird ein Lichtstrahl, der durch eine Lichtquelle, meist eine Infrarot-Leuchtdiode, erzeugt wird, durch einen Kondensor, eine mit Strichen versehene Abtastplatte und eine Maßverkörperung auf ein photooptisches Bauelement, meist ein Phototransistor, geleitet. Die Abtastplatte trägt ein Gitter mit geringfügig anderer Teilung, so dass durch den Moire-Effekt auf den Photodetektoren ein vergrößertes Abbild der Teilung entsteht. Einfachste Ausführungen, wie sie zum Beispiel bei Computermäusen verwendet werden, verzichten auf Kondensor und Abtastplatte.
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Ein anderes Messprinzip ist die Einfeld-Abtastung im Auflichtverfahren. Dabei wird der Lichtstrahl durch den Kondensor und eine Abtastplatte, die mit zwei verschachtelten Phasengittern ausgerüstet ist, auf eine Maßverkörperung gelenkt. Der Lichtstrahl wird dann auf der Maßverkörperung reflektiert und durch Beugungsgitter zurückgeleitet. Dabei entstehen wiederum vier phasenverschobene Bilder der Abtastplatte, die wie bei der Mehrfeldabtastung ausgewertet werden. Das Verfahren ist bei Linearmaßstäben anwendbar, da es eine leichte Welligkeit der Maßverkörperung toleriert und auch gegenüber einer leichten lokalen Verschmutzung unempfindlich ist.
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Bei dem interferentiellen Messprinzip wird die Beugungserscheinung an einem Gitter ausgenutzt, um ein Messsignal zu erzeugen. Dazu wird der Lichtstrahl durch einen Kondensor auf eine Maßverkörperung geleitet, dort reflektiert und durch den Kondensor zu den photoelektrischen Sensoren zurückgeleitet. Die ein Phasengitter tragende transparente Abtastplatte sorgt dafür, dass drei gebeugte Strahlanteile (Beugungsordnung -1, 0, +1) erzeugt werden. Nach der Reflexion an der ebenfalls ein Phasengitter tragenden Maßverkörperung wird die Abtastplatte durch die Strahlen erneut passiert, wobei die nullte Beugungsordnung ausgelöscht wird. Anschließend werden die ±1. Beugungsordnung so auf drei Photoelemente abgebildet, dass diese dabei ein um jeweils 120° versetztes Signal erzeugen. Diese drei Signale werden dann in einer Folgeelektronik in die industrietaugliche 2-Signal-Form umgesetzt.
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Weiterhin sind auch Encoder mit einer magnetischen Abtastung bekannt. Dabei besteht die Maßverkörperung aus einem hartmagnetischen Träger, in dem durch Magnetisierung eine Teilung eingeschrieben wurde (ein Polrad oder Magnetband). Das Lesen der magnetischen Codierung kann durch Hallelemente oder magnetoresistive Sensoren erfolgen. Mit den beiden unterschiedlichen Technologien lässt sich ein berührungsloses Auslesen der Magnetisierung realisieren. Die magnetische Abtastung wird angewendet, wenn das Messsystem nicht mit erträglichem Aufwand gekapselt werden kann. Sie kann gegenüber Flüssigkeiten und Schmutz unempfindlich hergestellt werden. Ferromagnetische Fremdkörper im Spalt zwischen Sensor und Maßverkörperung können das Messprinzip stören. Der negative Einfluss von externen magnetischen Störfeldern ist abhängig von der gewählten Sensortechnologie, Sensordesign und magnetischen Feldstärke der Maßverkörperung.
Für den Betrieb des Leseverstärkers ist nur ein geringer Ruhestrom im Mikroampere-Bereich erforderlich, so dass dieses Verfahren für batteriebetriebene Geräte mit Selbstabschaltung gut geeignet ist, etwa für digitale Messschieber.
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Hall-Sensoren bestehen aus möglichst dünnen kristallinen dotierten Halbleiter-Schichten, die seitlich zumeist vier Elektroden besitzen. Durch die zwei gegenüberliegenden Elektroden wird ein Strom eingespeist, die beiden orthogonal dazu liegenden Elektroden dienen der Abnahme der Hall-Spannung. Wird ein solcher Hall-Sensor von einem senkrecht zur Schicht verlaufenden Magnetfeld durchströmt, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum vorzeichenbehafteten Betrag des Vektorproduktes aus magnetischer Flussdichte und Strom ist. Die Ursache ist die Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in der Schicht. Es ist proportional zum Strom, zur Ladungsträgerbeweglichkeit und umgekehrt proportional zur Schichtdicke (je dünner die Schicht, desto größer die Ladungsträger-Geschwindigkeit und desto größer ist die Lorentz-Kraft) (Wikipedia, Stichwort Hall-Sensor).
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Aufgrund der Proportionalität der Hallspannung zur Ladungsträgerbeweglichkeit und der Konzentration der Majoritätsladungsträger ist der Halleffekt eine eingeführte Methode der Bestimmung dieser Kenngrößen in der Halbleitertechnologie.
Ein Hall-Sensor liefert auch dann ein Signal, wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist. Dies ist der Vorteil im Vergleich zu einer einfachen Spule als Magnetfeldsensor (z. B. Induktionsschleife, Rogowski-Spule), die nur die Ableitung des Magnetfeldes nach der Zeit feststellen kann. Ein weiterer wichtiger Vorteil von Hall-Sensoren ist, dass zu ihrer Realisierung keine ferro- oder ferrimagnetischen Materialien (wie z. B. Nickel oder Eisen) benötigt werden. Damit wird das zu messende Magnetfeld nicht schon dadurch verändert, dass man den Sensor hinein bringt. Magnetoresistive Sensoren oder Fluxgate-Magnetometer besitzen diese Eigenschaft nicht.
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Aus der
CN 1950677 A ist ein Mehrfachrotations-Absolutwertgeber-Encoder bekannt, der einen rotierenden Magneten, zwei Sensoren und eine Auswerteeinheit aufweist. Dabei rotiert der Magnet an den zwei Sensoren vorbei.
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Weiter ist aus der
CN 101576396 A ein Mehrfachrotations-Absolutwertgeber-Encoder bekannt, bei dem auf dem Wellenende befestigter rotierender Magnet angeordnet ist, an dem ein Sensor vorbeirotiert und eine Auswerteeinheit vorhanden ist.
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Gemäß der
US 6124710 A1 ist ein rotierender Magnetencoder bekannt, bei dem ein sich drehender Magnet an einem festen Hall-Sensor vorbeirotiert und der Hall-Sensor ein Digitalsignal erzeugt.
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Nachteilig bei den Lösungen des Standes der Technik ist, dass entweder keine digitalen Werte erhältlich sind und/oder aufwändige Vorrichtungen zur Rotation von vielen Magneten vorhanden sein müssen, die die Encoder verteuern. Hinzu kommt, dass die Encoder nach dem Stand der Technik nicht unter allen Einsatzbedingungen, wie beispielsweise bei erhöhten oder erniedrigten Temperaturen oder aggressive Medien, störungsfrei und über einen langen Zeitraum verschleißarm arbeiten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Encoders, der preisgünstig ist und in einem weiten Bereich von Einsatzbedingungen störungsarm und über einen langen Zeitraum verschleißarm arbeitet.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
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Der erfindungsgemäße Encoder enthält mindestens zwei Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und je Permanent- und/oder Elektromagnet und/oder Supraleiter mindestens einen Magnet-Sensor, wobei Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und Magnet-Sensor jeweils räumlich gegenüberliegend angeordnet sind, und mindestens ein Breit-Flach-Formteil, welches mindestens zwischen dem oder den Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder dem oder den Supraleitern und dem jeweils mindestens einen Magnet-Sensor angeordnet ist, wobei das Breit-Flach-Formteil mindestens teilweise aus einem Material besteht, welches für Magnetfelder undurchlässig ist, und/oder die Abmessungen des Breit-Flach-Formteils dieses mindestens teilweise für Magnetfelder undurchlässig machen, und wobei das Breit-Flach-Formteil Öffnungen durch die gesamte Dicke des Breit-Flach-Formteils aufweist und/oder Bereiche aufweist, die aus einem für Magnetfelder durchlässigen Materials bestehen, oder Bereiche aufweist, die geringere Dicken des Breit-Flach-Formteiles aufweisen und damit für Magnetfelder durchlässig sind, und diese Öffnungen oder Bereiche jeweils in einer Spur angeordnet sind, die bei horizontaler, vertikaler oder rotierender Bewegung des Breit-Flach-Formteils durch die gegenüberliegende Anordnung jeweils des Nord- oder Südpols eines Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder eines Supraleiters und jeweils eines Magnet-Sensors gebildet ist, und durch die Anzahl und Form der Öffnungen oder Bereiche je Breit-Flach-Formteil digitale Ausgangssignale festgelegt sind, und weiterhin enthaltend eine Auswerte- und/oder Funktionseinheit zur Auswertung oder Anwendung der digitalen Ausgangssignale des Encoders.
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Vorteilhafterweise sind 3 bis 10 Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und Magnet-Sensoren vorhanden, wobei die Anordnung der Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und Magnet-Sensoren auch in einer ungeraden Anzahl vorliegen kann.
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Weiterhin vorteilhafterweise kommen Permanentmagnete und Magnet-Sensoren zum Einsatz, wie noch vorteilhafterweise SmCo-Magnete und Unipolar schaltende Hall-Sensoren.
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Ebenfalls vorteilhafterweise sind als Breit-Flach-Formteil ein Band oder eine Scheibe vorhanden.
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Und auch vorteilhafterweise sind bei einem oder mehreren Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleitern jeweils gegenüber ihrem Süd- und Nordpol jeweils ein Breit-Flach-Formteil und danach jeweils ein Magnet-Sensor angeordnet.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn das Breit-Flach-Formteil mindestens teilweise aus einem metallischen, magnetischen, ferromagnetischen oder magnetisierbaren Material, wie noch vorteilhafterweise Stahl, besteht, das für Magnetfelder undurchlässig ist.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Breit-Flach-Formteil eine solche Dicke aufweist, dass es für Magnetfelder undurchlässig ist.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Breit-Flach-Formteil durch die gesamte Dicke des Breit-Flach-Formteils durchgehende Löcher aufweist, die eine runde Form aufweisen können oder ein Langloch sind.
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Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Breit-Flach-Formteil Bereiche aus Kunststoffen oder Glas aufweist, die für Magnetfelder durchlässig sind, und die eine runde Form aufweisen können oder in Form eines Langlochs ausgebildet sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, einen Encoder anzugeben, der preisgünstig ist und in einem weiten Bereich von Einsatzbedingungen störungsarm und über einen langen Zeitraum verschleißarm arbeitet.
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Erreicht wird dies durch einen Encoder, der mindestens zwei Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und je Permanent- und/oder Elektromagnet und/oder Supraleiter mindestens einen Magnet-Sensor und mindestens ein Breit-Flach-Formteil, welches mindestens zwischen dem oder den Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder dem oder den Supraleitern und dem jeweils mindestens einen Magnet-Sensor angeordnet ist, enthält.
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Dabei werden als Magnete vorteilhafterweise Permanentmagnete, beispielsweise aus SmCo eingesetzt, die eine hohe Feldstärke aufweisen und bei möglichst hohen oder tiefen Temperaturen oder aggressiven Medien oder Vakuum störungsarm und über einen langen Zeitraum verschleißarm arbeiten. Der Betriebstemperaturbereich derartiger SmCo-Permanentmagnete liegt vorteilhafterweise zwischen -273°C und +250°C.
Für den Einsatz bei tiefen Temperaturen und Vakuum, wie beispielsweise im Weltraum, können als Magnete auch Supraleiter eingesetzt werden.
Supraleitende Materialien weisen einen elektrischen Widerstand von Null auf, wenn deren Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur liegt. Dabei können Magnetfelder quasi in dem supraleitenden Material „eingefroren“ werden, die dann für den erfindungsgemäßen Encoder einsetzbar sind.
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Je nach Einsatzgebiet sind ebenfalls Elektromagneten für den erfindungsgemäßen Encoder einsetzbar.
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Als Magnet-Sensoren können alle nach dem Stand der Technik bekannten und für den jeweiligen Anwendungsfall einsetzbaren Magnet-Sensoren für den erfindungsgemäßen Encoder eingesetzt werden, wie beispielsweise Hall-Sensoren oder ein unipolar-schaltender Hall-Sensor. Die Betriebsspannung derartiger Hall-Sensoren liegt vorteilhafterweise zwischen 3 und 28V. Ebenso beträgt die Betriebstemperatur dieser Hall-Sensoren vorteilhafterweise zwischen - 55 °C und + 150°C.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Magnet-Sensoren erzeugen oder verändern ein elektrisches Signal in Abhängigkeit vom umgebenden Magnetfeld oder dessen Änderung.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die eingesetzten Magnet-Sensoren eine große Festigkeit gegen Partikel und Röntgenstrahlung aufweisen, was Hall-Sensoren aufweisen. Dadurch ist ihr Einsatz auch im Weltraum oder in Atomkraftwerken möglich.
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Als Breit-Flach-Formteil ist vorteilhafterweise ein Band oder eine Scheibe vorhanden. Dies kann nach der gewünschten Bewegung des Breit-Flach-Formteiles ausgewählt werden, ob eine horizontale Bewegung durch das Breit-Flach-Formteil ausgeführt werden soll oder eine vertikale Bewegung oder eine rotierende Bewegung.
Das Breit-Flach-Formteil kann seine Position relativ zu den Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleitern und Magnet-Sensoren also rotativ oder translativ ändern und dadurch ein Rotations- oder Linearencoder sein.
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Die Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder die Supraleiter und Magnet-Sensoren sind jeweils räumlich gegenüberliegend angeordnet.
Mindestens zwei solcher Paarungen liegen nebeneinander angeordnet erfindungsgemäß vor. Dabei weisen die Nordpole der nebeneinander liegenden Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder die Supraleiter jeweils in die gleiche Richtung in Bezug auf den Magnet-Sensor.
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Drei bis zehn Paarungen von Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und Magnet-Sensoren können nebeneinander vorliegen oder auch in einer ungeraden Anzahl.
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Es ist erfindungsgemäß aber auch möglich, dass bei einem oder mehreren Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleitern jeweils gegenüber ihrem Süd- und Nordpol jeweils ein Breit-Flach-Formteil und danach jeweils ein Magnet-Sensor angeordnet sind. Diese vertikale Anordnung von Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und Magnet-Sensoren mit dazwischenliegenden Breit-Flach-Formteilen kann mehrfach übereinander wiederholt werden, wobei die binäre Kodierung der Breit-Flach-Erzeugnisse durch Anzahl und Form der Öffnungen oder Bereiche, die für Magnetfelder durchlässig sind, gleich oder unterschiedlich sein kann und zur Steuerung verschiedener Elemente eingesetzt werden kann. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass im Falle einer rotierenden Bewegung der Breit-Flach-Formteile die Drehachse für alle vertikal übereinander angeordnete Breit-Flach-Formteile die gleiche Achse ist.
Damit kann auch in vertikaler Richtung eine größere Anzahl an digitalen Ausgangssignalen von den Magnet-Sensoren realisiert werden. Dies kann bei entsprechenden Platzverhältnissen für den Einbau des Encoders vorteilhaft sein.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Erfordernis ist es, das das oder die Breit-Flach-Formteile mindestens teilweise aus einem Material bestehen, welches für Magnetfelder undurchlässig ist.
Dies können beispielsweise metallische, magnetische, ferromagnetische oder magnetisierbare Materialien sein, die keine Sättigung des Magnetfeldes im Breit-Flach-Formteil realisieren. Ein derartiges Material ist vorteilhafterweise Stahl.
Dies kann auch bei entsprechenden Abmessungen des Breit-Flach-Formteils erreicht werden, indem beispielsweise das Breit-Flach-Formteil so dick ist, dass keine Sättigung des Magnetfeldes eintritt und damit dieses Breit-Flach-Formteil in diesen Bereichen für Magnetfelder undurchlässig ist.
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Weiter ist es erfindungsgemäß erforderlich, dass das Breit-Flach-Formteil Öffnungen und/oder Bereiche aufweist, die für Magnetfelder durchlässig sind.
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Dies kann beispielsweise durch Öffnungen durch die gesamte Dicke des Breit-Flach-Formteils erreicht werden.
Es ist auch möglich, dass das Breit-Flach-Formteil Bereiche aufweist, die aus einem für Magnetfelder durchlässigen Material bestehen, oder Bereiche aufweist, die geringere Dicken des Breit-Flach-Formteiles aufweisen und damit für Magnetfelder durchlässig sind.
Derartige andere Materialien können beispielsweise Kunststoffe, wie PTFE oder PA, oder Glas sein.
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Diese Öffnungen oder Bereiche im Breit-Flach-Formteil müssen dabei erfindungsgemäß jeweils in zwei oder mehr Spuren angeordnet sein.
Eine Spur wird von dem Bereich gebildet, der genau zwischen dem Nord- oder Südpol je eines Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleiters und je eines Magnet-Sensors liegt. Dabei kann Spur in Abhängigkeit von der horizontalen oder vertikalen oder rotierenden Bewegung des Breit-Flach-Formteils eine längliche Form oder eine kreisrunde Form aufweisen.
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Die Anzahl und Form der Öffnungen oder Bereiche je Breit-Flach-Formteil sind je Anwendungsfall für die gewünschten digitalen Ausgangssignale festgelegt. Dies kann je Spur und je Breit-Flach-Formteil unterschiedlich sein, so dass beispielsweise auch bei einer bestehenden Anordnung von Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleitern und Magnet-Sensoren durch Auswechselung des Breit-Flach-Formteils andere digitale Ausgangssignale erreicht werden. Solange ein Breit-Flach-Formteil mit festgelegten Öffnungen und Bereichen in Form und Anzahl eingesetzt ist, solange werden die gleichen digitalen oder absoluten Ausgangssignale erhalten.
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Die Form der Öffnungen oder Bereiche je Breit-Flach-Formteil sind vorteilhafterweise runde Löcher oder Bereiche oder in Form eines Langloches, wobei diese im Falle einer rotierenden Bewegung des Breit-Flach-Formteils auch gekrümmt sind.
Ein Langloch bezeichnet in der Technik eine längliche Bohrung oder Nut. Seine schmalen Seiten werden durch Halbkreise abgeschlossen, deren Durchmesser der Breite des Langlochs entsprechen. Die Längsseiten des Langloches verlaufen parallel zueinander (Wikipedia, Stichwort Langloch).
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In jedem Fall ist es erforderlich, dass die magnetische Feldstärke der mindestens zwei Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter nicht so groß ist, dass eine Sättigung des Magnetfeldes im Breit-Flach-Formteil erreicht wird und andererseits aber auch so groß, dass bei Hindurchtritt des Magnetfeldes durch die Öffnungen oder Bereiche, die für Magnetfelder durchlässig sind, das Magnetfeld mindestens noch den Magnet-Sensor erreicht.
Durch den Hindurchtritt des Magnetfeldes durch das Breit-Flach-Formteil in bestimmten Abschnitten oder auch durch das Verhindern des Hindurchtritts des Magnetfeldes in anderen Abschnitten wird der magnetische Fluss unterbrochen und moduliert in Abhängigkeit von der Position des Breit-Flach-Formteiles, so dass seine Position bestimmt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass der Raum zwischen den gegenüberliegend angeordnetem Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleitern und den Magnet-Sensoren und auch um das Breit-Flach-Formteil mit Fluiden oder Luft oder Kunststoff oder Wasser oder Vakuum gefüllt ist. Dabei ist nur von Bedeutung, dass einerseits die Bewegung des Breit-Flach-Formteiles nicht behindert wird und andererseits das Medium magnetisch durchlässig ist, um den Magnetfluss vom gegenüberliegend angeordnetem Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleiter zum Magnet-Sensor nicht zu behindern oder zu verhindern.
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Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, dass Bauelemente vorhanden sind, die das von den gegenüberliegend angeordnetem Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleitern ausgesandte Magnetfeld verändern, fokussieren, verstärken, abschwächen oder lenken. Dies können beispielsweise ferromagnetische Bauelemente sein.
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Die von den Magnet-Sensoren erzeugten Ausgangssignale werden einer Auswerte- und/oder Funktionseinheit zur Auswertung oder Anwendung der digitalen oder absoluten Ausgangssignale des Encoders zugeleitet.
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Mit dem erfindungsgemäßen Encoder wird erstmals ein einfacher und kostengünstiger Aufbau angegeben, der grundsätzlich nur aus zwei Paarungen von sich jeweils gegenüberliegend angeordnetem Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleiter und Magnet-Sensor und einem dazwischen angeordneten Breit-Flach-Formteil besteht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Encoder wird das Signal der Paare aus Magnet-Sensor und den Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder dem oder den Supraleitern, welches das Breit-Flach-Formteil bei Relativbewegung zu den Paaren aus Magnet-Sensor und den Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder dem oder den Supraleitern erzeugt, geändert, so dass die absolute Position des Breit-Flach-Formteils durch Auswertung der Signale bestimmt werden kann.
Mit den magnetisch durchlässigen (Öffnungen oder Bereiche) und magnetisch undurchlässigen Bereichen des Breit-Flach-Formteils wird somit die absolute Positionsinformation des Breit-Flach-Formteiles abgebildet.
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Weiter repräsentiert bei dem erfindungsgemäßen Encoder das Signal eines jeden Paares aus Magnet-Sensor und den Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder dem oder den Supraleitern ein einzelnes Bit eines Digital-Signals.
Je Paar aus gegenüberliegend angeordnetem Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleiter und Magnet-Sensor wird je Spur ein Bit als Ausgangssignal erzeugt.
Eine Anzahl von n Bit wird demzufolge durch n Paare aus gegenüberliegend angeordnetem Permanent- und/oder Elektromagneten und/oder Supraleiter und Magnet-Sensor erzeugt.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass sowohl die Permanent- und/oder Elektromagnete und/oder Supraleiter und Magnet-Sensoren unbeweglich an einem festgelegten Ort vorhanden sind und lediglich das Breit-Flach-Erzeugnis horizontal und/oder vertikal und/oder rotierend bewegt wird. Dies ist von großem Vorteil vor allem für extreme Einsatzbedingungen, da nur ein bewegliches Teil vorhanden ist, welches auch einfach und leicht ausgetauscht werden kann.
Ebenso tritt durch die berührungslose Bewegung des Breit-Flach-Formteils kein Verschleiß auf, ebenso wie keine Geräusche.
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Weiter ist es erfindungsgemäß von Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Encoder sofort digitale Ausgangssignale erzeugt werden, die problemlos weiterverarbeitet werden können.
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Der erfindungsgemäße Encoder kann einerseits auch auf die Nutzung bekannter sehr starker externer Magnetfelder eingerichtet werden, andererseits kann er ebenfalls gegen den Einfluss externer Magnetfelder abgeschirmt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Dabei zeigt
- 1 einen erfindungsgemäßen 4-bit-absolut-Encoder
- 2 den erfindungsgemäßen 4-bit-absolut-Encoder von 1 mit Angabe der vier Spuren
- 3 eine erfindungsgemäße einzelne Anordnung aus Magnetsensor (hier ein Hallsensor), Breit-Flach-Formteil (hier eine Codescheibe), und Magnet (hier ein Dauermagnet) als Prinzipdarstellung im Querschnitt
- 4 einen erfindungsgemäßen 5-bit-absolut-Encoder in linearer Anordnung
- 5 den erfindungsgemäßen 5-bit-absolut-Encoder in linearer Anordnung gemäß 4 in verschiedenen Ansichten
- 6 ein erfindungsgemäßer 6-bit-absolut-Encoder in kompakter Anordnung mit zwei Breit-Flach-Formteilen (hier zwei Codescheiben) auf einer gemeinsamen Welle
- 7 den erfindungsgemäßen 6-bit-absolut-Encoder mit zwei Codescheiben gemäß 6 als Prinzipdarstellung im Querschnitt
- 8 einen erfindungsgemäßen 4-bit-absolut-Encoder mit einer Code-Scheibe mit Bereichen aus einem magnetisch durchlässigen Material
- 9 den erfindungsgemäßen 4-bit-absolut-Encoder gemäß 8 als Prinzipdarstellung im Querschnitt mit einer Code-Scheibe mit Bereichen mit verringerten Wandstärken des Materials der Codescheibe
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Beispiel 1
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Als Magnet-Sensoren 1 kommen vier unipolare nichtrastende Hall-Sensoren vom Typ Infineon TLE4905 zum Einsatz (1 und 2).
Als Magnete 2 werden vier den Hallsensoren gegenüberliegende zylindrische Samarium-Cobalt-Dauermagnete mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Länge von 3 mm verwendet.
Das Breit-Flach-Formteil 3 wird hierbei durch eine rotierende kreisrunde Code-Scheibe aus 0,3 mm Stahlblech mit einem Durchmesser von 5 cm realisiert.
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Die Positionsinformation ist absolut binär in der Scheibe 3 durch die Anordnung von Langlöchern 4 in je einer Spur 6, 7, 8, 9 abgebildet. Die Anordnung aus den Langlöchern 4, durch die das Magnetfeld der Dauermagnete 2 hindurchtritt, und den durch den magnetisch undurchlässige Stahl der Code-Scheibe 3 gebildeten Abschnitten ohne Durchtritt des Magnetfeldes zu den Hall-Sensoren 1 bildet dabei das binäre Muster.
Dieses binäre Muster ist aufgrund der Scheibenform des Breit-Flach-Formteils 3 kreisförmig und in vier konzentrischen Spuren 6, 7, 8, 9 ausgebildet.
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Die Code-Scheibe rotiert mit einer Geschwindigkeit von 500 U/min um die Rotationsachse 5 normal auf der Scheibenebene.
Der Südpole der Magnete 2 liegen auf den Stirnflächen der zylinderförmigen Dauermagnete 2 in Richtung der Hall-Sensoren 1.
Der Abstand zwischen den Stirnflächen der zylindrischen Dauermagnete 2 und der den Magneten 2 zugewandten Oberfläche der Code-Scheibe 3 beträgt 2 mm.
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Der Abstand zwischen Codescheibe 3 und Sensor 1 beträgt 0,5 mm.
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Aufgrund des binären Codes der vier Magnet-Sensor-Paare ergibt sich für jede Spur
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7,
8,
9 ein einzelnes Bit eines Digital-Signals (Tabelle 1), welches von der anwenderseitigen Auswerte- und/oder Funktionseinheit digital ausgewertet wird und so die absolute Winkel-Position der Code-Scheibe erkennt und damit die absolute Winkel-Position der mit der Code-Scheibe verbundenen anwenderseitigen Welle.
Tab.1 Wahrheitstabelle / Signalpegel 4-Bit Encoder von Fig.2
| Position Codescheibe (Dezimal-Winkel im Gegenuhrzeigersinn) | Hallsensor A höchstwertigstes Bit (MSB) | Hallsensor B | Hallsensor C | Hallsensor D niederwertigstes Bit (LSB) |
| 0 | Niedrig | Niedrig | Niedrig | Niedrig |
| 22,5 | Niedrig | Niedrig | Niedrig | Hoch |
| 45 | Niedrig | Niedrig | Hoch | Niedrig |
| 67,5 | Niedrig | Niedrig | Hoch | Hoch |
| 90 | Niedrig | Hoch | Niedrig | Niedrig |
| 112,5 | Niedrig | Hoch | Niedrig | Hoch |
| 135 | Niedrig | Hoch | Hoch | Niedrig |
| 157,5 | Niedrig | Hoch | Hoch | Hoch |
| 180 | Hoch | Niedrig | Niedrig | Niedrig |
| 202,5 | Hoch | Niedrig | Niedrig | Hoch |
| 225 | Hoch | Niedrig | Hoch | Niedrig |
| 247,5 | Hoch | Niedrig | Hoch | Hoch |
| 270 | Hoch | Hoch | Niedrig | Niedrig |
| 292,5 | Hoch | Hoch | Niedrig | Hoch |
| 315 | Hoch | Hoch | Hoch | Niedrig |
| 337,5 | Hoch | Hoch | Hoch | Hoch |
| 360 (=0) | Niedrig | Niedrig | Niedrig | Niedrig |
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Der so aufgebaute Encoder besteht aus preisgünstigen Bauelementen mit einem Open-Collector-Ausgang und arbeitet bei höheren oder tieferen Temperaturen von + 150 °C bis - 40 °C über 1000 h mechanisch robust, berührungslos, störungsfrei und verschleißfrei.
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Beispiel 2
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Fünf unipolare nichtrastende strahlungsharte Hallsensoren als Magnetsensoren 1 vom Typ TT Electronics Optek OMH3020B (bis 350krad) kommen zum Einsatz ( 4 und 5).
Als Magnete 2 werden den Hallsensoren 1 gegenüberliegende zylindrische Samarium-Cobalt-Dauermagnete mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Länge von 3 mm verwendet.
Das maßverkörpernde Breit-Flach-Formteil 3 ist eine linear bewegliche 10 cm lange und 3 cm breite rechteckige Code-Scheibe aus 0,3 mm Stahlblech. Die Positionsinformation ist absolut binär in der Scheibe 3 durch die Anordnung von Langlöchern 4 in fünf linearen, spezifischen Spuren abgebildet. Die Anordnung aus den Langlöchern 4, durch die das Magnetfeld der Dauermagnete 2 hindurchtritt, und die durch den magnetisch undurchlässige Stahl der Code-Scheibe 3 gebildeten Abschnitte ohne Durchtritt des Magnetfeldes zu den Hall-Sensoren 1 bilden das binäres Muster.
Dieses binäre Muster ist aufgrund der rechteckigen Form des Breit-Flach-Formteils 3 rechteckig in 5 parallele Spuren ausgebildet.
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Mit den gemäß Beispiel 2 erhaltenen Werten des Encoders wird die absolute Position des maßverkörpernden Breit-Flach-Formteil 3 und der damit anwenderseitig verbundenen Bauteile relativ zu den Kombinationen aus Hallsensoren 1 und Magnete 2 bestimmt.
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Der so aufgebaute Encoder besteht aus preisgünstigen Bauelementen mit einem Open-Collector-Ausgang und arbeitet bei höheren oder tieferen Temperaturen von + 150 °C bis - 40 °C über 1000 h mechanisch robust, berührungslos, störungsfrei und verschleißfrei.
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Beispiel 3
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Als Magnet-Sensoren 1 kommen sechs unipolare nichtrastende Hall-Sensoren vom Typ Infineon TLE4905 zum Einsatz (6).
Als Magnete 2 werden sechs den Hallsensoren gegenüberliegende zylindrische Dauermagnete mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Länge von 3 mm verwendet. Je drei nebeneinander angeordnete Dauermagnete 2 bestehen aus SmCo und die anderen je drei nebeneinander angeordneten Dauermagneten 2 bestehen aus NdFe.
Das Breit-Flach-Formteil 3 wird hierbei durch zwei auf einer gemeinsamen Welle 15 rotierende kreisrunde Code-Scheiben 12, 13 aus 0,3 mm Stahlblech mit einem Durchmesser von jeweils 5 cm realisiert.
Dadurch ist eine kompakte Bauform mit besonders geringen Abmessungen möglich.
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Die Positionsinformation ist absolut binär in der Scheiben 12, 13 durch die Anordnung von Langlöchern 4 in je einer Spur abgebildet. Dabei trägt jede der beiden Scheiben 3 drei einzelne Spuren mit einem anderen binären Lochmuster.
Die Anordnung aus den Langlöchern 4, durch die das Magnetfeld der Dauermagnete 2 hindurchtritt, und die durch den magnetisch undurchlässige Stahl der Code-Scheiben 12, 13 gebildeten Abschnitte ohne Durchtritt des Magnetfeldes zu den Hall-Sensoren 1 bildet dabei das binäres Muster.
Dieses binäre Muster ist aufgrund der Scheibenform der beiden Breit-Flach-Formteile 12, 13 kreisförmig und in 3 konzentrischen Spuren ausgebildet.
Die Code-Scheiben rotieren gemeinsam auf einer Welle 15 mit einer Geschwindigkeit von 1000 U/min um die Rotationsachse 5 normal auf der Scheibenebene.
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Der Südpole aller sechs Magnete 3 liegen auf den Stirnflächen der zylinderförmigen Dauermagneten 3 in Richtung der Hall-Sensoren 1.
Der Abstand zwischen den Stirnflächen der zylindrischen Dauermagneten 3 und der den Magneten 3 zugewandten Oberfläche der Code-Scheiben 12, 13 beträgt 2 mm.
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Der Abstand zwischen den Codescheiben 12, 13 und den Sensoren 1 beträgt dabei 0,5mm.
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Aufgrund des binären Codes der sechs Magnet-Sensor-Paare ergibt sich für jede Spur ein einzelnes Bit eines Digital-Signals, welches von der anwenderseitigen Auswerte- und/oder Funktionseinheit digital ausgewertet wird und so die absolute Position der Codescheiben erkennt.
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Der so aufgebaute Encoder besteht aus preisgünstigen Bauelementen mit einem Open-Collector-Ausgang und arbeitet bei höheren oder tieferen Temperaturen von + 150 °C bis - 40 °C über 1000 h mechanisch robust, berührungslos, störungsfrei und verschleißfrei.
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Beispiel 4
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Als Magnet-Sensoren 1 kommen hierbei vier unipolare nichtrastende Hall-Sensoren vom Typ Infineon TLE4905 zum Einsatz (8).
Als Magnete 2 werden 4 den Hallsensoren gegenüberliegende zylindrische Neodym-Eisen-Dauermagnete mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Länge von 3 mm verwendet.
Das Breit-Flach-Formteil 3 ist eine rotierende kreisrunde Code-Scheibe aus 0,3 mm Stahlblech mit 8 cm Durchmesser.
Die Positionsinformation ist absolut binär in der Code-Scheibe 3 durch die Anordnung von länglichen magnetischen durchlässigen Bereichen 11 in je einer Spur wie in Beispiel 1 ausgebildet. Dabei bestehen die magnetisch durchlässigen Bereiche 11 aus PTFE.
Die Anordnung aus den länglichen magnetischen durchlässigen Bereichen 11, durch die das Magnetfeld der Dauermagnete 2 hindurchtritt, und die durch den magnetisch undurchlässige Stahl der Code-Scheibe 3 gebildeten Abschnitte ohne Durchtritt des Magnetfeldes zu den Hall-Sensoren 1 bilden dabei das binäres Muster.
Die weitere Funktionsweise und der Einsatz sowie die erreichten Ergebnisse sind identisch und/oder vergleichbar mit den Angaben in Beispiel 1.
Die Verwendung von magnetisch durchlässigen Bereichen 11 auf der Code-Scheibe 3 hat Vorteile bei der Rotation in einem dichten Medium, wie beispielsweise in Wasser. Auf der anderen Seite ist die Herstellung einer solchen Scheibe aufwändiger.
Die Verwendung von Neodym-Eisen-Dauermagnete 2 erlaubt durch das stärkere Magnetfeld die Verwendung von unempfindlicheren Sensoren 1 oder einen größeren Abstand bei der Verwendung von Sensoren 1 wie im Beispiel 1. Damit ist ein größerer Spalt zwischen Magneten 2 und Code-Scheibe 3 oder zwischen Code-Scheibe 3 und Sensoren 1 möglich.
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Beispiel 5
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Ein erfindungsgemäßer Encoder besteht aus zwei Hallsensoren 1 und zwei Neodym-Eisen-Dauermagneten 2 (9), die als Paare übereinander angeordnet sind. Zwischen den Paaren ist das Breit-Flach-Formteil 3 in Form einer rotierenden kreisrunden Code-Scheibe 2 aus 0,5 mm Stahlblech und 3 mm Durchmesser angeordnet.
Die Positionsinformation ist absolut binär in der Code-Scheibe 3 durch die Anordnung von länglichen Bereichen 14 mit verringerter Wandstärke in je einer Spur abgebildet. In den Bereichen mit verringerter Wandstärke 14 beträgt die Wandstärke 0,2 mm.
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Die Bereiche mit verringerter Wandstärke 14 werden dabei durch die Neodym-Eisen-Dauermagnete 2 über die Sättigung hinaus magnetisiert. Das Magnetfeld tritt damit durch das Material der Code-Scheibe in diesen Bereichen und erreicht den Hallsensor 1.
Die weitere Funktionsweise und der Einsatz sowie die erreichten Ergebnisse sind identisch und/oder vergleichbar mit den Angaben in Beispiel 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnet-Sensor
- 2
- Magnet
- 3
- Breit-Flach-Formteil
- 4
- Anordnung aus Langlöchern
- 5
- Rotationsachse des Breit-Flach-Formteils
- 6
- Spur eines Magnet-Sensors
- 7
- Spur eines Magnet-Sensors
- 8
- Spur eines Magnet-Sensors
- 9
- Spur eines Magnet-Sensors
- 10
- Bewegungsrichtung des Breit-Flach-Formteils
- 11
- Anordnung aus magnetisch durchlässigen Bereichen
- 12
- Breit-Flach-Formteil mit niederwertigem Bitmustern
- 13
- Breit-Flach-Formteil mit höchstwertigem Bitmustern
- 14
- Anordnung aus Bereichen mit verringerter Wandstärke
- 15
- gemeinsame Welle aller Breit-Flach-Formteile mit Bitmustern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 1950677 A [0012]
- CN 101576396 A [0013]
- US 6124710 A1 [0014]
