DE202012009676U1

DE202012009676U1 - Rotary encoder

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Publication number: DE202012009676U1
Application number: DE201220009676
Authority: DE
Original assignee: Oechsler AG
Current assignee: Oechsler AG
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-01-13
Anticipated expiration: 2022-10-11

Abstract

Drehwinkelgeber (11) mit einem Magnetfelddetektor (22), dadurch gekennzeichnet, dass ein peripher angetriebenes Detektorrad (13) mit einem Magneten (20) bestückt ist und der Magnetfelddetektor (22) ein in Abhängigkeit von der Stellung des Magneten (20) relativ zum Magnetfelddetektor (22) sinusförmig verlaufendes Signal liefert.Rotary angle encoder (11) with a magnetic field detector (22), characterized in that a peripherally driven detector wheel (13) is equipped with a magnet (20) and the magnetic field detector (22) is dependent on the position of the magnet (20) relative to the magnetic field detector (22) supplies a sinusoidal signal.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a rotary encoder according to the preamble of the main claim.

Ein derartiger Drehwinkelgeber ist aus der DE 10 2011 002 563 A1 , dort in Kombination mit einem Drehmomentengeber, zum Erfassen von Lenkradbewegungen etwa für die elektronische Lenkanlage in einem Kraftfahrzeug bekannt. Dabei ist als Drehwinkelgeber ein magnetisches Indexsystem in axialer Verlängerung einer Drehwelle vorgesehen, ausgebildet als auf einem Ring angebrachte Folge von Permanentmagneten abwechselnder Polarität, die eine stationär angeordnete Folge von wenigstens zwei bistabilen Hallschaltern passieren.Such a rotary encoder is from the DE 10 2011 002 563 A1 , there in combination with a torque sensor, for detecting steering wheel movements about for the electronic steering system in a motor vehicle known. In this case, a magnetic index system in the axial extension of a rotary shaft is provided as a rotary encoder, designed as mounted on a ring sequence of permanent magnets of alternating polarity, which pass through a stationary arranged sequence of at least two bistable Hall switches.

Ein derartiger Drehwinkelgeber weist eine erhebliche axiale Baulänge auf, und den weiteren Nachteil, ihn nicht ohne konstruktive Anpassungen in unterschiedlichen Applikationen einsetzen zu können. Vor allem aber ist seine Auflösung durch die Anzahl der Indexmagnete bestimmt, so dass eine Präzisionssteigerung schnell zu einer der Miniaturisierung zuwiderlaufenden erheblichen Vergrößerung des Durchmessers des Indexringes führt.Such a rotary encoder has a considerable axial length, and the further disadvantage that it can not be used without constructive adjustments in different applications. Above all, its resolution is determined by the number of index magnets, so that an increase in precision leads quickly to a considerable increase in the diameter of the index ring, which counteracts the miniaturization.

In Erkenntnis solcher Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, einen Drehwinkelgeber, insbesondere zum Erfassen von Bewegungen von Funktionselementen wie von Lenk- oder Pedalbewegungen für elektrische Servolenkung, Bremssteuerung oder Kraftstoffzufuhr im Kraftfahrzeug, bei gesteigerter Präzision der Winkelauflösung für flexiblere Einsatzmöglichkeiten und doch kompakter sowie preiswerter erstellbar auszulegen.In recognition of such circumstances, the present invention is the technical problem underlying an angular position sensor, in particular for detecting movements of functional elements such as steering or pedal movements for electric power steering, brake control or fuel supply in the motor vehicle, with increased precision of the angular resolution for more flexible applications and yet more compact and designed to be cheaper to build.

Diese Aufgabe ist durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Danach wird (wenigstens) ein Magnetfelddetektor eingesetzt, der in Abhängigkeit vom relativen Vorbeistreichen des Feldes eines Magnetpoles längs eines Kreisbogens von seinem Sensor ein etwa sinusförmig verlaufendes Detektorsignal liefert.This object is achieved by the features specified in the main claim. Thereafter, (at least) a magnetic field detector is used which, depending on the relative passing of the field of a magnetic pole along a circular arc, delivers from its sensor an approximately sinusoidal detector signal.

Dafür ist ein Detektorrad mit einem Magneten, vorzugsweise einem stabförmigen Permanentmagneten bestückt. Das Detektorrad wird extern, also indirekt, nämlich kraftschlüssig über eine Riementransmission oder besser formschlüssig über eine Verzahnung, von dem Funktionselement eines Gerätes angetrieben, dessen relativer oder absoluter Drehwinkel detektiert werden soll.For a Detektorrad is equipped with a magnet, preferably a rod-shaped permanent magnet. The detector wheel is externally, so indirectly, namely non-positively via a belt transmission or better form-fitting via a toothing, driven by the functional element of a device whose relative or absolute rotation angle to be detected.

Das drehwinkelabhängige Sinussignal wird von einem analog arbeitenden Hallsensor im Magnetfelddetektor geliefert. Vorzugsweise wird der Polbereich eines stabförmigen Permanentmagneten im Detektorrad angeordnet und mit diesem über dem Magnetfelddetektor verdreht. Der ist vorzugsweise stationär angeordnet, um mit seiner internen Signalvorverarbeitung problemlos an eine Verarbeitungs- und Ausgabeschaltung angeschlossen werden zu können, die auf einer separaten Leiterplatte angeordnet ist. In der ist das Detektorrad axial gegen den Magnetfelddetektor versetzt gelagert, vorzugsweise mit einem kurzen in eine Bohrung in der Leiterplatte eingreifenden Wellenstumpf. Zusätzlich stabilisiert wird diese Lagerung längs einer die Lager-Bohrung umgebenden breiten ringförmigen Gleitfläche auf der Leiterplatte, innerhalb des Bereiches des Fußkreises der Detektorrad-Verzahnung. Gegen Materialabrieb an der Leiterplatte ist die Lager-Bohrung mit einer Gleithülse ausgestattet, die einfach als Lötzinn eingebracht sein kann. Auch die kreisringförmige Gleitfläche auf der Leiterplatte um die Bohrung herum kann gegen Abrieb einfach verzinnt sein; aber auf dieser größeren Fläche ist eine widerstandsfähigere Vergoldung unter dem Detektorrad oder, vorzugsweise, auf der Leiterplatte zu bevorzugen.The angle-dependent sinusoidal signal is supplied by an analogue Hall sensor in the magnetic field detector. Preferably, the pole region of a rod-shaped permanent magnet is arranged in the detector wheel and rotated with it above the magnetic field detector. The is preferably arranged stationary to be connected with its internal signal preprocessing easily to a processing and output circuit, which is arranged on a separate circuit board. In the detector wheel is axially offset from the magnetic field detector, preferably with a short engaging in a hole in the circuit board stub shaft. In addition, this support is stabilized along a bearing bore surrounding the wide annular sliding surface on the circuit board, within the range of the root circle of the Detektorrad-toothing. Against material abrasion on the circuit board, the bearing bore is equipped with a sliding sleeve, which can be easily introduced as a solder. Also, the annular sliding surface on the circuit board around the hole around can be easily tinned against abrasion; but on this larger area a more resistant gilding under the detector wheel or, preferably, on the circuit board is preferable.

Die von der Lager-Bohrung axialabgelegene Seite des Detektorrades ist durch eine auf die Leiterplatte montierte Brücke axial gesichert. Als Brücke kann auch ein mechanischer Schutz in Form eines Gehäuses vorgesehen sein, das dann aber an einer Seitenwand geöffnet sein muss, um den Zutritt des externen Antriebes zur Peripherie des Detektorrades zu ermöglichen. Für verkantungsfreien Lauf des Detektorrades kann auch hier eine – in die Brücke oder in das Detektorrad eingreifende – Zapfenlagerung vorgesehen sein.The axially remote from the bearing bore side of the detector wheel is axially secured by a bridge mounted on the circuit board. As a bridge, a mechanical protection in the form of a housing may be provided, but then must be open on a side wall to allow the access of the external drive to the periphery of the detector wheel. For tilt-free operation of the detector wheel, it is also possible here to provide a journal bearing which engages in the bridge or in the detector wheel.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen zur Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung stark abstrahiert aber etwa maßstabsgerecht vergrößert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt den radial geschnittenen Drehwinkelgeber in axonometrischer Ansicht.Additional alternatives and developments of the invention will become apparent from the other claims and, taking into account the advantages thereof, from the following description of a strongly abstracted in the drawing but enlarged to scale enlarged preferred implementation example of the invention. The sole figure of the drawing shows the radially cut rotary encoder in axonometric view.

Der erfindungsgemäß ausgelegte Drehwinkelgeber 11 ist auf ein Gerät 12 mit einem (nicht gezeigten) Funktionselement montiert, dessen momentane oder sich ändernde Bewegung detektiert beziehungsweise überwacht werden soll. Dafür ist in diesem Realisierungsbeispiel ein Detektorrad 13 mit einer peripheren Verzahnung 14, insbesondere einer Kron- oder Stirn-Verzahnung 14, ausgestattet. Die muss nicht ganz umlaufen, sie kann sich auch auf einen Winkelbereich beschränken, in dem der Drehwinkelgeber 11 arbeiten soll.The inventively designed rotary encoder 11 is on a device 12 mounted with a (not shown) functional element whose instantaneous or changing movement is to be detected or monitored. For this is in this implementation example, a Detektorrad 13 with a peripheral toothing 14 , in particular a crown or end gearing 14 , fitted. It does not have to wrap around, it can also be limited to an angle range in which the rotary encoder 11 should work.

Zu seiner Lagerung greift das im Kunststoffspritzguss erstellte Detektorrad 13 mit einem angeformten Wellenstumpf 15 in eine Bohrung 16 in einer etwa aus verstärktem Epoxydharz bestehenden Leiterplatte 17 ein. Eine Abrieb möglichst verhindernde Gleit-Buchse 18 kann einfach durch Belegen der hohlzylindrischen Wandung der Bohrung 16 mit Lötzinn realisiert werden. Dieses Verzinnen kann sich auch auf den Gleitringbereich 19 erstrecken, längs dem das Detektorrad 13 innerhalb des Fußkreises seiner Verzahnung 14 auf der Leiterplatte 17 aufliegt. Dieser Oberflächenbereich 19 – oder die axial dagegen anliegende Fläche des Detektorrades 13 – ist aber vorzugsweise metallisiert, etwa vergoldet.For its storage engages the created in plastic injection molding detector wheel 13 with a molded stub shaft 15 into a hole 16 in an approximately made of reinforced epoxy resin circuit board 17 one. An abrasion as possible preventing sliding bushing 18 can simply by covering the hollow cylindrical wall of the hole 16 be realized with solder. This tinning can also affect the sliding ring area 19 extend along which the Detektorrad 13 within the root circle of his gearing 14 on the circuit board 17 rests. This surface area 19 - Or the axially against it adjacent surface of the detector wheel 13 - But is preferably metallized, such as gold plated.

Ein Magnet 20, vorzugsweise ein Permanentmagnet, ist radial oder diametral in das Detektorrad 13 eingesetzt und darin kraft- oder stoffschlüssig gehalten, vorzugsweise verklebt. Der Magnet 20 kann etwa axial kurz ausgelegt und zur Drehachse 21 des Detektorrades 13 parallel orientiert sein; vorzugsweise aber handelt es sich, wie skizziert, um einen quer zur Drehachse 21 orientierten stabförmigen Permanentmagneten 20. Bedingt durch die Drehung des Detektorrades 13 streicht das Feld des Magneten 20 kreisbogenförmig über einen Magnetfelddetektor 22 hinweg, der, dem Detektorrad 13 axial gegenüber, unter die Leiterplatte 17 montiert ist. Er kann mit einer Signalvorverarbeitung ausgestattet sein, im Übrigen erfolgt die Signalverarbeitung in einer auf der Leiterplatte 17 angeschlossenen Schaltung (zeichnerisch nicht dargestellt).A magnet 20 , preferably a permanent magnet, is radially or diametrically in the detector wheel 13 used and held non-positively or cohesively, preferably glued. The magnet 20 can be designed to be axially short and to the axis of rotation 21 the detector wheel 13 be oriented in parallel; but preferably it is, as outlined, a transversely to the axis of rotation 21 oriented rod-shaped permanent magnet 20 , Due to the rotation of the detector wheel 13 sweeps the field of the magnet 20 circular arc over a magnetic field detector 22 away, the, the detector wheel 13 axially opposite, under the circuit board 17 is mounted. It can be equipped with a signal pre-processing, by the way, the signal processing takes place in one on the circuit board 17 connected circuit (not shown in the drawing).

Der Magnetfelddetektor 22 weist als Sensor vorzugsweise ein Hallelement 24 auf. Das liefert eine geschwindigkeitsunabhängige Spannung, deren Amplitude nach Maßgabe des überstreichenden Magnetfeldes sinusförmig verläuft. Die von der Schaltung auf der Leiterplatte 17 verarbeitete und ausgegebene Momentanspannung ist dadurch vom gerade erreichten Drehwinkel abhängig.The magnetic field detector 22 has as sensor preferably a Hall element 24 on. This provides a velocity-independent voltage whose amplitude is sinusoidal in accordance with the sweeping magnetic field. The of the circuit on the circuit board 17 processed and output instantaneous voltage is thus dependent on the just achieved rotation angle.

Wenn der stabförmige Magnet 20 wie skizziert das Detektorrad 13 diametral durchgreift, kann dem Magnetfelddetektor 23 diametral gegenüber in zweiter solcher angeordnet sein, der etwa der Funktionskontrolle und Redundanz dient. Ein winkelmäßig versetzter zusätzlicher Magnetfelddetektor erlaubt über die Auswertung des gegenseitigen Versatzes der Spannungsverläufe eine Drehrichtungsbestimmung.When the rod-shaped magnet 20 how outlined the detector wheel 13 penetrates diametrically, the magnetic field detector can 23 be arranged diametrically opposite in the second such that serves about the function control and redundancy. An angularly offset additional magnetic field detector allows a direction of rotation determination via the evaluation of the mutual offset of the voltage profiles.

Zu axialer Sicherung, der Leiterplatte 17 gegenüber, wird das Detektorrad 13 unter geringer axialer Distanz von einer gehäuseartigen Brücke 25 überspannt, die mittels etwa angeformter Stifte 26 auf der Leiterplatte 17 positionierbar ist. Eine Seitenwand muss allerdings offen bleiben, damit der externe Antrieb auf die Verzahnung 14 des Detektorrades 13 zugreifen kann. Für eine kippmomentenfreie Halterung des Detektorrades 13 kann zwischen ihm und der Brücke 25 eine kurze Zapfenlagerung 27 vorgesehen sein, wie in der Skizze oberhalb des Magneten 20 angedeutet.To axial fuse, the circuit board 17 opposite, the detector wheel becomes 13 at a small axial distance from a box-like bridge 25 spanned by means of approximately molded pins 26 on the circuit board 17 is positionable. However, a side wall must remain open so that the external drive on the teeth 14 the detector wheel 13 can access. For a tilting torque-free mounting of the detector wheel 13 can between him and the bridge 25 a short journal bearing 27 be provided, as in the sketch above the magnet 20 indicated.

Mittels Schrauben 28 wird die Leiterplatte 17 des Drehwinkelgebers 11, unter Einspannen auch der Brücke 25, derart auf das Gerät 12 appliziert, dass eine Zahnstange oder ein Zahnrad mit der Verzahnung 14 des Detektorrades 13 in Eingriff gelangt (in der Skizze nicht dargestellt). Über seine in das Gerät 12 eingreifenden Stifte 26 wird auch die Brücke 25 relativ zum Gerät 12 ausgerichtet. Dabei taucht der Magnetfelddetektor 22 in eine Ausnehmung 29 im Gerät 12 ein, um nicht von unten in die dünne Leiterplatte 17 eingelassen werden zu müssen.By means of screws 28 becomes the circuit board 17 of the rotary encoder 11 , while also clamping the bridge 25 , so on the device 12 Applies to a rack or gear with the toothing 14 the detector wheel 13 engaged (not shown in the sketch). About his in the device 12 engaging pins 26 will also be the bridge 25 relative to the device 12 aligned. The magnetic field detector emerges 22 in a recess 29 in the device 12 to not from the bottom of the thin circuit board 17 to be admitted.

Ein Drehwinkelgeber 11 weist also erfindungsgemäß mm kontinuierlichen Erfassen von Lenk- oder Pedalbewegungen in einem Kraftfahrzeug einen vorzugsweise mit einem Hallelement 24 bestückten, deshalb ein sinusförmig verlaufendes Signal liefernden Magnetfelddetektor 22 im Einflussbereich eines bevorzugt diametral permanentmagnetbestückten, extern angetriebenen Detektorrades 13 auf, das, auf einer Leiterplatte 17 von einer Brücke 25 übergriffen, mit einem Wellenstumpf 15 in eine verzinnte Bohrung 16 in der Leiterplatte 17 eingreift und innerhalb des Fußkreises einer Detektorrad-Verzahnung 14 auf einem etwa vergoldeten Gleitringbereich 19 auf der Leiterplatte 17 aufliegt.A rotary encoder 11 Thus, according to the invention, in accordance with the invention, a continuous detection of steering or pedal movements in a motor vehicle preferably has a Hall element 24 equipped, therefore, a sinusoidal signal supplying magnetic field detector 22 in the sphere of influence of a preferably diametrically permanently magnet-equipped, externally driven detector wheel 13 on, that, on a circuit board 17 from a bridge 25 overrun, with a stub shaft 15 in a tinned hole 16 in the circuit board 17 engages and within the root circle of a Detektorrad-toothing 14 on a gilded sliding ring area 19 on the circuit board 17 rests.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1111: Drehwinkelgeber (mit 13, 17 und 22, für 12)Rotary encoder (with 13 . 17 and 22 , For 12 )
1212: Gerät (auszustatten mit 11)Device (equip with 11 )
1313: Detektorrad (von 11)Detector wheel (from 11 )
1414: Verzahnung (an 11)Toothing (on 11 )
1515: Wellenstumpf (an 13)Stub shaft (an 13 )
1616: Bohrung (in 17, für 15)Bore (in 17 , For 15 )
1717: Leiterplatte (von 11)PCB (from 11 )
1818: Buchse (in 16)Socket (in 16 )
1919: Gleitringbereich (innerhalb 14 auf 17, unter 13)Sliding ring area (within 14 on 17 , under 13 )
2020: Magnet (an 13)Magnet (on 13 )
2121: Drehachse (von 13)Rotary axis (from 13 )
2222: Magnetfelddetektor (unter 17–13)Magnetic field detector (under 17 - 13 )
2323
2424: Hallelement (in 22)Hall element (in 22 )
2525: Brücke (über 13, auf 17)Bridge (over 13 , on 17 )
2626: Stifte (an 25, in 17)Pins (on 25 , in 17 )
2727: Zapfenlagerung (zwischen 13 und 25)Journal bearing (between 13 and 25 )
2828: Schrauben (von 25/17 nach 12)Screws (from 25 / 17 to 12 )
2929: Ausnehmung (in 12 für 11)Recess (in 12 For 11 )

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011002563 A1 [0002]

Claims

Rotary encoder ( 11 ) with a magnetic field detector ( 22 ), characterized in that a peripherally driven detector wheel ( 13 ) with a magnet ( 20 ) and the magnetic field detector ( 22 ) depending on the position of the magnet ( 20 ) relative to the magnetic field detector ( 22 ) provides sinusoidal signal.

Rotary encoder according to the preceding claim, characterized in that the magnetic field detector ( 22 ) with a Hall element ( 24 ) is equipped.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the detector wheel ( 13 ) with an orthogonal to its axis of rotation ( 21 ) oriented rod-shaped permanent magnets ( 20 ) is equipped.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field detector ( 22 ) under a printed circuit board ( 17 ) and the detector wheel ( 13 ) on the printed circuit board ( 17 ) is rotatable.

Rotary encoder according to the preceding claim, characterized in that the detector wheel ( 13 ) with a stub shaft ( 15 ) into a hole ( 16 ) in the printed circuit board ( 17 ) and on a sliding ring area ( 19 ) on the printed circuit board ( 17 ) rests.

Rotary encoder according to the preceding claim, characterized in that the bore ( 16 ) with a socket ( 18 ) is made of tin.

Rotary encoder according to the preceding claim, characterized in that the tin also extends over the sliding ring region ( 19 ).

Rotary encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the detector wheel ( 13 ) from one on the printed circuit board ( 17 ) positioned bridge ( 25 ) is overrun.

Rotary encoder according to the preceding claim, characterized in that between the bridge ( 25 ) and the detector wheel ( 13 ) a journal bearing ( 27 ) is trained.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit board ( 17 ) including the bridge ( 25 ) on the device ( 12 ) is screwed, with immersion of the magnetic field detector ( 22 ) in a device recess ( 29 ) and engagement of the Detektorrad-toothing ( 14 ) in the toothing of a functional element of the device ( 12 ).