DE29908796U1

DE29908796U1 - Drehgeber

Info

Publication number: DE29908796U1
Application number: DE29908796U
Authority: DE
Original assignee: Max Stegmann GmbH
Current assignee: Stegmann & Co Kg De GmbH
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2009-05-20
Also published as: US6359409B1

Description

WESTPHAL MUSSGNU-O & PARTMtR.*/

PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

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Max Stegmann GmbH Antriebstechnik-Elektronik Dürrheimer Str. 16

7 816 6 Donaueschingen

- Gebrauchsmusteranmeldung Drehgeber

D-78048 VS-Villingen ■ Waldstrasse 33 ■ Telefon 07721 88380 · Telefax 07721 883850

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Beschreibung
Drehgeber

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei nach dem Durchlicht-abtastprinzip arbeitenden Drehgebern trägt eine lichtdurchläßige Teilscheibe eine Winkelmaßverkörperung. Auf einer Seite der Scheibe ist ein Lichtsender angeordnet, während auf der entgegengesetzten Seite ein fotoelektrischer Abtastempfänger angeordnet ist. Das von dem Lichtsender ausgesandte Licht wird durch die Winkelmaßverkorperung der Teilscheibe moduliert. Der Abtastempfänger wandelt die modulierten Lichtsignale in elektrische Messsignale um. Die Winkelmaßverkorperung kann inkremental oder absolut kodiert ausgebildet sein. Drehgeber dieser Art werden insbesondere zur Messung des Winkels und/oder der Winkelgeschwindigkeit eingesetzt.

Um auch bei hohen Drehzahlen die auf die Teilscheibe wirkenden Zentrifugalkräfte klein zu halten und eine Zerstörung der aus Glas oder Kunststoff bestehenden Teilscheibe zu verhindern, ist es aus der gattungsgemäßen DE 40 13 936 Al bekannt, die Teilscheibe in die Endstirnfläche der zu messenden rotierenden Welle einzusetzen. Der Endstirnfläche der Welle steht eine feststehende Gehäusestirnfläche gegenüber. Eine gehäusefeste Leuchtdiode greift durch eine zentrische Öffnung der Teilscheibe. In eine koaxiale Bohrung der Endstirnfläche der Welle ist ein Reflektor eingesetzt, welcher das Licht der Leuchtdiode als paralleles Lichtbündel durch die Teilscheibe hindurch reflektiert. Das durch die Teilscheibe hindurchtretende Licht wird durch konzentrisch zu der Leuchtdiode in der Gehäusestirnfläche angeordnete Fotodioden abgetastet. Die 5 Anordnung der Leuchtdiode und der Abtastung konzentrisch zu der Welle ermöglichen eine wesentliche Reduzierung des Durchmessers der Teilscheibe und damit eine Verringerun der auf

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die Teilscheibe wirkenden Zentrifugalkräfte. Der Drehgeber kann daher mit erheblich höheren Drehzahlen betrieben werden, bis Zentrifugalkräfte auftreten, die zu einer Beschädigung der Teilscheibe führen könnten. Da die Teilscheibe in die Welle eingesetzt ist, wird die Teilscheibe an ihrem Außenumfang von der Welle umfaßt und abgestützt. Auch diese Abstützung der Teilscheibe an ihrem Außenumfang durch die Welle ermöglicht höhere Drehzahlen.

Bei diesem bekannten Drehgeber sitzt die Leuchtdiode als Lichtquelle in der Gehäusestirnfläche. Die Fotodioden sind um diese Leuchtdiode herum ebenfalls in die Gehäusestirnfläche eingesetzt. Bei der Montage des Drehgebers müssen die Fotodioden in aufwendiger Weise einzeln justiert werden, um eine gegenseitige konzentrische Anordnung und insbesondere auch eine zu der Achse der Welle konzentrische Anordnung zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehgeber der 0 eingangs genannten Gattung so zu verbessern, dass Aufbau und Montage vereinfacht sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehgeber mit den Merkmalen des Anspruchs 1. 25

Vorteilhafte Auführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehgeber ist der Lichtsender in die koaxial in die Endstirnfläche der Welle eingebrachte Bohrung eingesetzt und dreht sich mit der Welle. Der Abtastempfänger ist als monolithisches Fotoempfänger-Array gestaltet und zentrisch axial vor der Endstirnfläche der Welle angeordnet. Vorzugsweise sind dabei jeder Spur der Teilscheibe vier 5 Gruppen von Fotoempfängern als lichtempfindliche Bereiche des monolithischen Arrays zugeordnet, die jeweils um 90° versetzt angeordnet sind. Die gleichnamigen Signale dieser Foto-

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empfänger werden addiert, so dass auch ein eventueller exzentrischer Lauf der Teilscheibe ausgeglichen wird. Die Anforderungen an die Lager- und Lauftoleranzen der Teilscheibe sind dadurch reduziert. Durch die Ausbildung des Abtastempfängers als monolithisches Array ist keine Einzeljustage der Fotoempfänger bei der Montage erforderlich. Da der Lichtsender nicht konzentrisch innerhalb der Fotoempfänger angeordnet ist, ist zudem eine Anordnung der Fotoempfänger mit kleinerem Durchmesser möglich, so dass die radialen Abmessungen weiter reduziert werden können, wodurch sich die zulässigen Drehzahlen erhöhen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt durch den Drehgeber in einer ersten Ausführung,

0 Fig. 2 den Abtastempfänger des Drehgebers in Axialansicht,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführung der Energieeinspeisung für die Lichtquelle,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der Einspeisung gemäß Fig. 3, Fig. 5 schematisch eine Abwandlung der Energieeinspeisung,

Fig. 6 die abgewandelte Ausführung der Energieeinspeisung

0 gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 ein Ersatzschaltbild der Energieeinspeisung gemäß Fig. 6.

Der Drehgeber weist eine rotierende Welle 10 auf, die z. B. die Welle eines Motors sein kann oder mit der Welle eines Motors drehfest gekuppelt wird. In der freien Endstirnfläche

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der Welle 10 ist koaxial eine Bohrung vorgesehen..In dieser Bohrung ist koaxial zur Welle 10 eine Lichtquelle 12 angeordnet, die vorzugsweise als Leuchtdiode (LED) ausgebildet ist. Vor der Lichtquelle 12 ist in die Bohrung eine Kollimatorlinse 14 eingesetzt, die das von der Lichtquelle 12 ausgesandte Licht parallel bündelt.- In der Endstirnfläche der Welle 10 ist in die Bohrung konzentrisch eine Teilscheibe 16 aus Glas oder einem lichtdurchlässigen Kunststoff eingesetzt, die eine Winkelmaßverkörperung trägt. Die Winkelmaßverkörperung kann inkremental oder kodiert ausgebildet sein und kann in einer oder mehreren konzentrischen Spuren angeordnet sein.

Das freie Ende der Welle 10 ist mittels eines Radialkugellagers 18 drehbar in einem Gehäuse 20 gelagert. Das Gehäuse 20 ist vorzugsweise über eine Kupplung verdrehfest aber radial und elastisch nachgebend gelagert, z. B. mit dem Gehäuse des Motors verbunden, an dessen Welle der Drehgeber angeordnet ist.

Axial vor der Endstirnfläche der Welle 10 und damit vor der Teilscheibe 16 ist ein Abtastempfänger 22 fest in dem Gehäuse 2 0 angeordnet. Der Abtastempfange 2 2 hat die Form einer zu der Teilscheibe 16 parallelen Scheibe und ist als monolithisches Fotoempfänger-Array ausgebildet, welches zentrisch zur Achse der Welle 10 angeordnet ist. Das monolithische Array des Abtastempfängers 22 weist lichtempfindliche Sensorbereiche 28 auf, die entsprechend der Winkelmaßverkörperung der Teilscheibe 16 konzentrisch angeordnet sind. In dem in Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier jeweils um 90° gegeneinander versetzt angeordnete Sensorbereiche 28 vorgesehen. Die Sensorbereiche 28 wandeln das von der Lichtquelle kommende und durch die Maßverkörperung der Teilscheibe 16 modulierte Lichtsignal in elektrische Signale um, die zur Messung der Winkelstellung bzw. Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung der Welle 10 ausgewertet werden. Sind vier jeweils um 90° versetzte Sensorbereiche 28 vorgesehen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, so können die korrespon-

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dierenden Signale dieser Sensorbereiche 2 8 addiert werden, um Lager- und Lauftoleranzen der Welle 10 und damit der Teilscheibe 16 gegenüber dem Abtastempfänger 22 zu kompensieren.

Um die elektrische Energie für die Lichtquelle 12 in die rotierende Welle 10 einzuspeisen, ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine induktive Einspeisung vorgesehen. Hierzu ist in dem Gehäuse eine Statorspule 24 koaxial zu der Welle 10 angeordnet, mittels derer die elektrische Energie induktiv in eine mit der Welle 10 rotierende Rotorspule 26 übertragen wird. Die Rotorspule 26 kann vorzugsweise einen Spulenkern aus ferromagnetischem oder ferrimagnetischem Material umschließen. An die äußere Statorspule 24 wird eine Wechselspannung angelegt, die in der inneren Rotorspule 26 die Versorgungsspannung für die Lichtquelle 12 induziert.

Alternativ kann der Versorgungsstrom für die Lichtquelle 12 auch galvanisch in die Welle 10 eingespeist werden. Hierzu können Schleifkontakte verwendet werden. Um den Reibungswi-0 derstand und den Verschleiß von Schleifkontakten zu vermeiden, kann die galvanische Einspeisung auch über die die Welle 10 lagernden Kugellager 18 erfolgen, wie dies in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Die Wechselspannung U wird über zwei Kugellager 18 in die Welle 10 eingespeist. Die Kugellager sind innerhalb der Welle 10 durch einen Isolator ISO voneinander getrennt. Die Einspeisung der Wechselspannung U über die Kugellager 18 erfolgt sowohl galvanisch als teilweise auch kapazitiv. Dies ist in dem Ersatzschaltbild der Fig. 4 dadurch symbolisiert, dass die Kugellager 18 durch ihre ohmsehen Widerstände R und ihre Kapazität Cl ersetzt sind. Die in die Welle 10 eingespeiste Wechselspannung wird über einen Gleichrichter GL gleichgerichtet und einen Kondensator C geglättet. Zusätzlich ist eine Spannungsstabilisation SP vorgesehen, um die die Leuchtdiode 12 speisende Gleichspannung zu stabilisieren.

In einer weiteren Ausführung, die in den Fig. 5 bis 7 gezeigt

ist, wird die Energie zur Versorgung der Lichtquelle 12 kapazitiv in die Welle 10 eingespeist. Hierzu sind in dem Gehäuse Metallflächen 30 und 31 angeordnet, die axial beabstandet sind und als ringförmige Bänder die Welle 10 koaxial umschließen. Die Metallflächen 30 und 31 weisen einen möglichst geringen radialen Abstand von der Welle 10 auf. Den Metallflächen 30 und 31 sind am Außenumfang der Welle 10 Metallflächen 4 0 und 41 zugeordnet, die die gleiche axiale Lage und die gleiche axiale Breite wie die Metallflächen 30 und 31 aufweisen. Über die durch die Metallflachen 30 und 40 bzw. 31 und 41 gebildeten Kapazitäten Cl wird die Wechselspannung U kapazitiv in die Welle 10 eingekoppelt und dort in entsprechender Weise, wie dies anhand der Fig. 3 und 4 erläutert ist, gleichgerichtet, geglättet und stabilisiert.

Bei einer Lichtquelle 12, die als Leuchtdiode mit einem Strom von etwa 5 bis 10 mA und einer Spannung von 1,2 Volt ausgebildet ist, ist eine induktive Einkopplung z. B. mit einer Wechselspannungsfrequenz von etwa 45 bis 50 kHz möglich.

Schließlich kann als Lichtquelle 12 auch direkt optisch eingekoppeltes Licht verwendet werden.

Claims

Schutzansprüche

1. Drehgeber, der nach dem Durchlicht-Abtastprinzip arbeitet, mit einer rotierenden Welle, die eine koaxial in ihre Endstirnfläche führende Bohrung aufweist, mit einer drehfest konzentrisch in die Bohrung eingesetzten Teilscheibe, mit einem Lichtsender und mit einem axial vor der Endstirnfläche der Welle angeordneten Abtastempfänger, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (12, 14) zentrisch in die Bohrung der Welle (10) eingesetzt ist und mit der Welle (10) rotiert und dass der Abtastempfänger (22) als monolithisches Fotoempfänger-Array mit der Winkelmaßverkörperung der Teilscheibe (16) zugeordneten lichtempfindlichen Sensorbereichen (28) ausgebildet ist.

2. Drehgeber nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender eine zentrisch in die Bohrung der Welle (10) eingesetzte Lichtquelle (12) und eine vor der Lichtquelle (12) zentrisch in die Bohrung eingesetzte Kollimatorlinse (14) aufweist.

3. Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das mono-

lithische Array des Abtastempfängers (22) mehrere im Winkel

gegeneinander versetzte, zur Achse der Welle (10) konzentrisch angeordnete Sensorbereiche (28) aufweist.

4. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) eine elektrische Lichtquelle ist, die durch eine in die Welle (10) eingespeiste Wechselspannung (U) versorgt wird.

5 5. Drehgeber nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) eine Leuchtdiode ist und dass die in die Welle

(10) eingespeiste Wechselspannung (U) in der Welle (10) gleichgerichtet und ggf. geglättet und stabilisiert wird.

6. Drehgeber nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U) über Spulen (24, 26) induktiv in die Welle (10) eingekoppelt wird.

7. Drehgeber nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U) über konzentrische Metallflächen (30, 40; 31, 41) kapazitiv in die Welle (10) eingekoppelt wird.

8. Drehgeber nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung (U) galvanisch in die Welle (10) eingeleitet wird.

9. Drehgeber nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U) über die Welle (10) lagernde Wälzlager (18) in die Welle (10) eingespeist wird.

10. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender durch direkt optisch in die Welle (10) eingekoppeltes Licht gebildet ist.

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