DE19857017A1

DE19857017A1 - Drehwegaufnehmer

Info

Publication number: DE19857017A1
Application number: DE19857017A
Authority: DE
Inventors: Pierre Roze; Denis Faure
Original assignee: Electricfil SA
Current assignee: Electricfil SA
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 1999-06-17
Also published as: US6252394B1; ITTO981038A0; GB9827374D0; FR2772470B1; GB2332280B; FR2772470A1; GB2332280A; IT1303600B1; ITTO981038A1

Description

Die Erfindung betrifft die Gattung der Drehwegaufnehmer im allgemeinen und vor allem berührungslose Drehwegaufnehmer, die durch das Fehlen einer mechanischen Verbindung zwischen minde stens einer Meßzelle und dem Teil, von dem sie die Stellung, den Weg, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung messen, gekennzeichnet sind.

Die Erfindung betrifft insbesondere berührungslose Drehwegauf nehmer, bei denen die Kopplung zwischen dem beweglichen Teil und der Meßzelle mittels eines magnetischen, elektromagne tischen oder elektrostatischen Feldes hergestellt ist, wobei die Stärke der Kopplung eine Funktion der Relativstellung des Teils und des Aufnehmers ist.

Die Erfindung wird insbesondere vor allem auf dem Gebiet der berührungslosen Drehwegaufnehmer angewendet, die Hall-Meß zellen gebrauchen.

In der Gattung der Drehwegaufnehmer mit Kontakt, beispielswei se der potentiometrischen, weist ein Aufnehmer einen Rotor auf, der mit Schleifkontakten ausgestattet ist, die überlei tende Bahnen auf einem Stator reiben. Der Rotor ist durch Ver bindungs- oder Anschlußmitteln mit einer Antriebswelle eines Teils verbunden, von dem die Stellung und/oder der Weg zu er kennen ist bzw. sind.

In der Gattung der magnetischen berührungslosen Drehwegaufneh mer ist ein Aufnehmer mit einem Stator bekannt, der mit einer oder mehreren Meßzellen ausgestattet ist, die für eine magne tische Induktion oder eine magnetische Induktionsveränderung empfindlich sind, wie beispielsweise Hall-Meßzellen. Ein sol cher Aufnehmer umfaßt gleichfalls einen Rotor, der mit einer beweglichen Meßscheibe mit magnetischen Elementen ausgestattet und dabei von den Meßzellen durch mindestens einen Kopplungs luftspalt abgegrenzt ist. Die Meßzellen sind geeignet, gemäß der Stellung und/oder des Weges des beweglichen Elements ein Signal zu liefern. Bei der herkömmlichen Art ist der Rotor ei nes solchen Aufnehmers durch Verbindungsmittel mit einer An triebswelle eines Teils verbunden, dessen Stellung und/oder Weg zu erkennen sind bzw. ist.

Ein Drehwegaufnehmer mit oder ohne Kontakt erfordert ein Her stellen einer mechanischen Verbindung, mittels Verbindungsmit teln, zwischen dem Rotor und der Antriebswelle des Teils, des sen Stellung und/oder Weg zu erkennen sind bzw. ist. Bei spielsweise ist der Rotor im allgemeinen am Kopf der Antriebs welle mit einer zugehörigen Aufnahme als Verbindungsmittel versehen, die die Form eines D oder eines I haben kann.

Ein solcher Aufnehmer wird so zusammengeschraubt, daß die me chanische Verbindung zwischen dem Rotor des Aufnehmers und der Antriebswelle, sowie die Befestigung des Gehäuses des Auf nehmers auf dem Träger des zugehörigen Teils, dessen Weg zu erkennen ist, sichergestellt ist. Es scheint, daß der Zusam menbau eines solchen Aufnehmers bestimmte Schwierigkeiten be reitet. Denn es ist zu berücksichtigen, daß unter Beachtung von Fertigungstoleranzen und funktionellem Spiel eine Fal schausrichtung des Rotors bezüglich der Antriebswelle auftre ten kann, was zu einer Veränderung der Einstellung des Rotors bezüglich des Stators führen kann.

Für beispielsweise einen potentiometrischen Drehwegaufnehmer mit Kontakt, bei dem die mit dem Rotor verbundenen Schleifkon takte auf den mit dem Stator verbundenen Bahnen reiben, ergibt sich daraus ein Betrieb unter zu einer schnellen Verschlech terung führenden anormalen Bedingung, selbst wenn der Betrieb eines solchen Aufnehmers während der Messung nicht verändert wird oder der elektrische Kontakt immer sichergestellt ist.

Für berührungslose Drehwegaufnehmer, insbesondere für magneti sche Aufnehmer, verändert eine axiale oder radiale Dezentrie rung des Rotors bezüglich des Stators die Charakteristiken des Magnetkreises, insbesondere was die Luftspalte und die magne tischen Streuungen betrifft. Die Veränderung des Luftspalts des Magnetkreises bringt eine Veränderung des vom drehenden Aufnehmer gelieferten elektrischen Signals mit sich, insbeson dere ein Verschlechtern der Linearität des Signals oder ein Verändern der Neigung der Spannungscharakteristik in Abhängig keit des Drehwinkels des Rotors.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile durch einen Drehwegaufnehmer zu überwinden, um unter Be triebsbedingungen des Aufnehmers zusammenbaubedingte Einflüsse zwischen dem Rotor des Aufnehmers und der Antriebswelle zu mi nimieren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, vor allem einen be rührungslosen Drehwegaufnehmer vorzusehen, der es ermöglicht, die Veränderungen des Magnetkreis-Luftspaltes gemäß den zwi schen dem Rotor und der Antriebswelle beim Zusammenbau herge stellten mechanischen Toleranzen zu beherrschen.

Erfindungsgemäß sind diese Aufgaben mit einem Aufnehmer zum Erkennen der Stellung und des Drehweges einer Drehantriebswel le gelöst, der einerseits einen Stator und andererseits einen Rotor aufweist, der mit Verbindungsmitteln mit einer Antriebs welle und einer beweglichen Meßscheibe versehen ist, die vor wenigstens einem Erkennungssystem zum Liefern einer Signal funktion der Stellung der beweglichen Meßscheibe verdrehbar ist, wobei der erfindungsgemäße Aufnehmer folgendes umfaßt:

- ein Gelenklager, das zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet und gemäß der Achse des Rotors in einem gegebenen von der Meßscheibe begrenzten Abstand angeordnet ist, und
- einen Rotor, der als Verbindungsmittel mindestens zwei ela stische Lappen hat, die durch eine elastische Spange auf ge genseitige Annäherung belastet sind, die die Verbindung mit der Antriebswelle an einem vom Gelenklager entfernten Punkt sicherstellt, das eine Verschiebung der Ausrichtung zwischen dem Rotor und der Welle um einen gegebenen Wert zuläßt, wobei eine von der Einstellung zwischen dem Rotor und dem Stator be stimmte minimale Veränderung erhalten wird.

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Drehwegaufnehmers werden im folgenden anhand beigefügter schematischer Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehwegaufnehmers in einem Axialschnitt;

Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Drehwegaufnehmer in einer auseinandergezogenen perspektivischen Darstellung;

Fig. 3 ein Prinzipschema, das das Beherrschen der Veränderung des Luftspalts durch den Gebrauch eines erfindungsge mäßen Drehwegaufnehmers veranschaulicht;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehwegaufnehmers in einem Axialschnitt;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehwegaufnehmers in einer auseinandergezogenen per spektivischen Darstellung;

Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehwegaufnehmers in einer geschnittenen perspektivi schen Darstellung.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte, insgesamt mit 1 bezeichnete Aufnehmer kann die Stellung und/oder den Weg einer drehbaren Antriebswelle 2 ermitteln, die Teil eines nichtdargestellten Bauteils im allgemeinen Sinne ist. In der nachfolgenden Be schreibung einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfin dungsgemäße Drehwegaufnehmer 1 ein berührungsloser, doch kann die Erfindung auch an einem Aufnehmer mit Kontakt ausgeführt sein. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Aufneh mer 1 ein magnetischer und funktioniert nach den in FR-2 715 726 beschriebenen Prinzipien. Selbstverständlich kann die Erfin dung auf alle Arten Drehwegaufnehmer angewendet werden.

Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfaßt der Aufnehmer 1 ein Gehäuse 3, in dem ein Rotor 4 und ein Stator 5 ange bracht sind. Der Stator 5 bildet einen Deckel mit einem ge stuften Umfangsrand 5 ₁, die sich an am Gehäuse angeordneten komplementären Stufen 3 ₁ abstützen. Der Deckel 5 ist durch ir gendein geeignetes Verfahren, wie beispielsweise Schweißen, auf dem Gehäuse 3 vorzugsweise dicht befestigt.

Der Rotor 4 weist eine bewegliche Meßscheibe 6 auf, die we nigstens eine, und im veranschaulichten Beispiel zwei, Luft spalte I, II eines Magnetkreises mit einem ersten 7 und einem zweiten 8 Polteil begrenzt. Die bewegliche Meßscheibe 6 ist mittels einer magnetischen Scheibe gebildet, die zwischen je der ihrer Stirnflächen und den gegenüberliegenden Polteilen 7 und 8 einen beiderseits der magnetischen Scheibe angeordneten Luftspalt festlegen. Die Polteile 7 und 8 sind je in Form ei nes Rings ausgebildet, der durch einen oder mehrere Teile her gestellt ist und in im Stator 5 und dem Gehäuse 3 entsprechend angeordneten zugehörigen Aufnahmen eingebracht ist. Die magne tische Scheibe 6 kann auf dem Rotor 4 angesetzt sein oder, ge mäß einer bevorzugten Gestaltung, durch Spritzen eines magne tische Partikel enthaltenden Materials einstückig mit dem Ro tor 4 ausgebildet sein.

Die bewegliche Meßscheibe 6 läuft an einem durch eine Hall-Meß zelle ausgebildetes Erkennungssystem 9 vorbei oder arbeitet mit diesem zusammen.

Der Rotor 4 ist mittels eines Gelenklagers 10 auf dem Stator 5 angebracht, das auf die Längsachse x des Rotors zentriert ist. Der Rotor 4 hat an einem seiner Endbereiche eine Kugel 11, die in das Innere einer komplementären im Stator 5 ausgebildeten Aufnahme 12 eingreift. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahme 12 mindestens teilweise durch wenigstens zwei elastische Laschen 13 begrenzt, die ein axiales Halten der Ku gel 11 durch Einrasten in das Innere der Aufnahme 12 ermög lichen.

Der Rotor 4 ist an seinem der Kugel 11 gegenüberliegenden Ende mit Anschluß-, Verbindungs- oder Montagemitteln 14 mit der An triebswelle 2 versehen. Die Montagemittel 14 sind von minde stens zwei elastischen Lappen 15 gebildet, die auf gegenseiti ges Annähern mittels einer elastischen Spange 16 belastet sind. In den Figuren sind die elastischen Lappen 15 diametral gegenüberliegend, wobei sie sich auf einen begrenzten Winkel bereich, beispielsweise in der Größenordnung von 45°, erstrec ken. Die elastischen Lappen haben eine Innenfläche mit einem zum Profil der Welle 2 komplementären Profil, und eine Außen fläche, an der eine auf die Achse x zentrierte Rille 17 ausge bildet ist, um die elastische Spange 16 aufzunehmen, die vor teilhaft in Form eines offenen Sprengrings ausgebildet ist und das gegenseitige Annähern der Lappen sicherstellt. Das mittels der elastischen Lappen 15 ausgeübte Pressen ermöglicht es, ei nen winkeltreuen Zusammenschluß zwischen dem Rotor 4 und der Antriebswelle 2 sicherzustellen. Um sich an den geraden Quer abschnitt der Antriebswelle 2 anzupassen, können die elasti schen Lappen 15 eine erhöhte Anzahl sein oder eine Innenfläche mit einem andersartigen Profil aufweisen.

Aus Fig. 3 sind alle Vorteile der Erfindung ersichtlich. In der Regel erfolgt die Verbindung zwischen dem Rotor 4 und der An triebswelle mittels der Montagemittel 14 auf Höhe der elasti schen Spange 16. Die gedachte Ebene P, in der sich die elasti sche Spange 16 erstreckt, schneidet die Achse x des Rotors in einem Punkt C, der ein Maß H vom Gelenklager 10 entfernt ist, dessen gedachte Ebene P₁ die Achse des Rotors in einem Punkt A schneidet. Andererseits ist zu beachten, daß sich die bewegli che Meßscheibe 6 in einer Ebene P₂ erstreckt, die die Achse x des Rotors in einem Punkt B so schneidet, daß die bewegliche Meßscheibe 6 in einem gegebenen Abstand h von der Ebene P₁ des Gelenks 10 angeordnet ist. Darüberhinaus kann eine radiale Ab weichung E definiert werden, die einem Ausrichtungsfehler zwi schen der Achse x des Rotors 4 und der Antriebswelle 2 ent spricht. Dieser Abweichung E entspricht in der Ebene P₂ ein radialer Versatz e der beweglichen Meßscheibe 6 bezogen auf den Stator, der im dargestellten Beispiel gleichzeitig eine Veränderung der Luftspalte I und II erzeugt. Aufgrund der oben beschriebenen geometrischen Bedingungen kann das folgende Ver hältnis definiert werden: e/E = h/H.

Es erscheint folglich wünschenswert, den Wert h zu minimieren, d. h. den Abstand zwischen dem Gelenklager 10 und der be weglichen Meßscheibe 6, und die Größe H so zu maximieren, daß man entsprechend eine Begrenzung der radialen Veränderung e des Luftspalts und eine Vergrößerung der Abweichung E der Aus richtung zwischen dem Rotor 4 und der Antriebswelle 2 erzielt, um einen großen Toleranzbereich für die Dezentrierung zwischen dem Rotor 4 und der Welle 2 zu ermöglichen. Der kombinierte Einsatz des Gelenklagers 10 in einem in Bezug auf die bewegli che Meßscheibe 6 begrenzten gegebenen Abstand h, sowie die Verbindung mit der Antriebswelle 2 an einem vom Gelenk 10 wei test entfernten Punkt, ermöglicht es eine Ausrichtungs diskrepanz zwischen dem Rotor 4 und der Welle 2 in vorgegebe ner Höhe zuzulassen, und dabei eine minimale Veränderung der Abweichung e der Einstellung zwischen dem Rotor und dem Stator auf Höhe der beweglichen Meßscheibe zu erhalten. Folglich kann die Veränderung der Einstellung des Rotors und des Stators be herrscht werden, für die die Funktion des Aufnehmers nicht be einflußt ist, indem man die Dimensionierung und die Toleranzen der verschiedenen Teile, ausgehend von der Wahl der zulässigen Abweichung e, bestimmt.

Im oben beschriebenen Beispiel ist die Erfindung an einem Auf nehmer mit einer in Form einer magnetischen Scheibe realisier ten beweglichen Meßscheibe erklärt. Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf andere Arten Aufnehmer angewendet wer den. So veranschaulicht Fig. 4 ein anderes Beispiel des Einsat zes der Erfindung an einem Aufnehmer 1 mit einem Rotor 4, der mit einer beweglichen Meßscheibe 6 versehen ist, die durch ein auf dem Rotor angebrachtes ringförmiges Polteil 8 gebildet ist, auf dem ein Magnet 20 befestigt ist, der mit dem Polteil 7 einen Luftspalt I festlegt. Die Montage des Rotors 4, einer seits auf den Stator 5 mittels des Gelenklagers 10 und ande rerseits auf die Antriebswelle 2, erfolgt wie oben beschrie ben.

In den beschriebenen Beispielen kann die Montage der ver schiedenen Bauteile des Aufnehmers in das Innere des Gehäuses 3 verhältnismäßig einfach ausgeführt werden, da es, wie insbe sondere in Fig. 2 dargestellt, durch Aufschichten der Teile eins auf das andere erfolgt. Im in Fig. 1 und 2 veranschau lichten Beispiel ist ein solcher Aufnehmer in Form eines spe ziellen Blocks aus einem Gehäuse 3 und einem Deckel 5 darge stellt, der durch jegliche geeignete Mittel auf dem Träger des Teils anbringbar ist, von dem der Weg zu messen ist, wobei die mechanische Verbindung zwischen dem Rotor 4 und der Antriebs welle 2 sichergestellt ist.

Der erfindungsgemäße Aufnehmer 1 hat aufgrund seiner Bauweise den Vorteil, ganz oder teilweise in den Träger des Teils inte griert werden zu können, von dem der Weg zu ermitteln ist. So mit tritt, wie in Fig. 5 ersichtlich, die Antriebswelle 2 eines nicht dargestellten Teils aus einem Träger 22 aus, der mit ei nem unteren Halbgehäuse 3 ₁ versehen ist, das mit einem den Stator 5 bildenden oberen Halbgehäuse 3 ₂ zusammenwirkt. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsmerkmal sind die zwei Halbge häuse 3 ₁, 3 ₂ mittels wenigstens zweier elastischer Laschen 23, die auf einem der Halbgehäuse angeordnet sind und mit auf dem anderen Halbgehäuse angeordneten zugehörigen Gegenstücken 24 zusammenwirken, miteinander zusammengefügt. Der Zusammenbau der Halbgehäuse miteinander kann aufgrund des Gelenklagers 10 einfach erfolgen, das für das obere Halbgehäuse eine ringför mige Abstützung bildet, um das gegenseitige Einrasten der Ge genstücke 24 mit den elastischen Laschen 23 zu ermöglichen.

In der gleichen Art kann die Antriebswelle 2 direkt in das In nere des erfindungsgemäßen Aufnehmers 1 integriert sein. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, kann die Antriebswelle 2 durch Verbin dungsmittel 14, wie sie oben beschrieben sind, auf dem Rotor 4 angebracht und in einem Lager 30 drehend geführt sein, das di rekt auf dem Gehäuse des Aufnehmers vorgesehen ist, oder, wie in der Zeichnung veranschaulicht, auf einem Stück 31, das auf letzterem aufgesetzt ist.

Claims

1. Aufnehmer zum Erkennen der Stellung und des Drehweges einer drehbaren Antriebswelle (2), mit einem Stator (5) und einem Rotor (4), der mit Verbindungsmitteln (14) mit der Antriebs welle (2) verbunden und mit einer beweglichen Meßscheibe (6) versehen ist, die sich vor wenigstens einem Erkennungssystem (9) bewegt, das eine Signalfunktion der Stellung der bewegli chen Meßscheibe liefern kann, gekennzeichnet durch:

- ein Gelenklager (10), das zwischen dem Stator (5) und dem Rotor (4) angeordnet und gemäß der Achse (x) des Rotors in ei nem gegebenen durch die bewegliche Meßscheibe (6) begrenzten Abstand (h) angeordnet ist, und
- einen Rotor (4), der mit wenigstens zwei elastischen Lappen (15) als Verbindungsmittel (14) versehen ist, die auf gegen seitiges Annähern durch eine elastische Spange (16) belastet sind, die die Verbindung mit der Antriebswelle (2) an einem vom Gelenklager (10) beabstandeten Punkt ermöglicht, um eine vorgegebene Diskrepanz (E) der Ausrichtung zwischen dem Rotor (4) und der Welle (2) zu ermöglichen, und dabei eine von der Einstellung zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (5) bestimm te minimale Veränderung zu erhalten.

2. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenklager (10) mittels einer Kugel (11) gebildet ist, die durch eines der Endbereiche des Rotors (4) getragen ist und mit einer zugehörigen Aufnahme (12) auf dem Stator (5) zusammenwirkt.

3. Aufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (12) mit elastischen Laschen (13) versehen ist, die ein axiales Selbsthalten der Kugel im Innern der Aufnahme sicherstellen.

4. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) mit einer bewegli chen Meßscheibe (6) versehen ist, die durch eine magnetische Scheibe gebildet ist, die wenigstens einen Luftspalt (I, II) mit wenigstens einem Polteil (7, 8) des Stators (5) begrenzt.

5. Aufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Scheibe (6) auf dem Rotor (4) aufgesetzt ist.

6. Aufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) und die magnetische Scheibe (6) durch Spritzen eines magnetische Partikel ein schließenden Materials als ein einziges Teil ausgebildet sind.

7. Aufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (5), in dem die Aufnah me (12) zum Aufnehmen der Kugel (11) ausgebildet ist, einen auf einem Gehäuse (3) befestigbaren Deckel bildet.

8. Aufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (5) ein Polteil (7) hat, das mit der beweglichen Meßscheibe (6) einen Luftspalt (I) festlegt.

9. Aufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) ein Polstück (8) aufweist, das mit der beweglichen Meßscheibe (6) einen Luftspalt (II) festlegt.

10. Aufnehmer nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel durch ein oberes Halb gehäuse (3 ₂) gebildet ist, das auf einem unteren Halbgehäuse (3 ₁) anbringbar ist.

11. Aufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Halbgehäuse (3 ₂) auf dem unteren Halbgehäuse (3 ₁) mittels wenigstens zweier elastischer Laschen (23) angebracht ist, die in zugehörige Gegenstücke (24) einrastbar sind.

12. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) mit einer Antriebs welle (2) ausgestattet ist, die in einem Lager (30) drehbar geführt ist.