DE4215641C2 - Sensor oder Drehgeber für Drehstellungen oder -bewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Dreh­ stellungen und -bewegungen, der auch als Drehgeber zur Erzeu­ gung von Drehbewegungen einsetzbar ist. Sie betrifft insbeson­ dere einen Sensor oder Drehgeber nach dem Oberbegriff von Pa­ tentanspruch 1.

Sensoren für Drehstellungen oder -bewegungen sind in großer Zahl bekannt, wobei unterschiedlichste Spezialausführungen für beste Genauigkeit (Auflösung), für höchste Zuverlässigkeit, für niedrige Herstellkosten usw. verfügbar sind.

So sind aus der DE 31 41 015 C2 Winkelsensoren bekannt, die jedoch keine permanent magnetische Erregung umfassen. Die be­ schriebenen Winkelsensoren basieren vielmehr auf der positi­ onsabhängigen Kopplung von Wechselstromsignalen zwischen In­ duktivitäten. Wie aus der dortigen Fig. 1 bzw. Fig. 29a her­ vorgeht, wird in die Primärspulen des Stators ein Sinuswellen­ signal von Oszillatoren eingespeist. Hierdurch wird ein Ma­ gnetfeld erzeugt, welches auch den Rotor durchdringt. Der Ro­ tor sorgt nun für eine positionsabhängige Verkopplung der Ma­ gnetflüsse, wodurch in den Sekundärspulen winkelabhängige Spannungen induziert werden. Die Rotorposition kann nun durch Phasenvergleich zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen der Anordnung ermittelt werden. Ein wesentliches Merkmal dieser Anordnung ist der dynamische Betrieb mit einem Wechselsignal, da nur bei einem solchen Wechselsignal eine Kopplung von den Primärspulen zu den Sekundärspulen erfolgen kann. Diese Druckschrift wurde zur Formulierung des Oberbegriffes von Patentan­ spruch 1 herangezogen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, im Vergleich zu der Vielzahl be­ kannter gattungsmäßiger Sensoren für Drehbewegungen eine Aus­ führungsform bereitzustellen, die sich durch gute Genauigkeit und Zuverlässigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit bei dennoch niedrigen Herstellkosten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor oder Drehgeber mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Patentanspruch 12 be­ schreibt ein Auswerteverfahren für einen derartigen Sensor.

Wie bei einer Vielzahl bekannter Sensoren besitzt auch der er­ findungsgemäße Sensor eine Verwendungsmöglichkeit als Drehge­ ber. Es ist erfindungsgemäß eine kombinierte Verwendung von Sensor und Drehgeber zur Ausführung von geregelten Drehbewe­ gungen besonders vorteilhaft.

Die Erfindung sieht vor, Drehbewegungen mittels mindestens drei magnetfeldempfindlichen und statisch arbeitenden Sensoren wie zum Beispiel Hall-Sensoren zu detektieren, welche zwischen zwei einfachen Stanzteilen aus Eisen positioniert sind. Die Stanzteile werden ihrerseits durch einen ringförmigen Permanentmagneten mit alternierender achsialer Polung erregt.

Die Stanzteile dienen also als Leitstücke für den magnetischen Fluß. Zur vereinfachten Montage der Sensoren kann eins der Flußleitstücke in bekannter Form als gedruckte Leiterplatte vorgesehen werden. (Sandwichlaminat Eisen/Glasfaser + Epoxidharz). In unterschiedlichen Teilbereichen der Flußleitstücke liegen zumeist unterschiedliche Magnetflüsse vor, die sich bei Bewegung des ringförmigen Magneten zyklisch ändern und gegeneinander definierten Phasenversatz besitzen, z. B. von 120 deg. el.

Die genannten unterschiedlichen Magnetflüsse werden am Ort eines Sensorelements in ein entsprechendes elektrisches Signal gewandelt, wobei die elektrischen Signale sich bei einer Drehbewegung des ringförmigen Magneten ebenfalls zyklisch verändern und ebenfalls einen charakteristischen Phasenversatz gegeneinander aufweisen. Die Auswertung solcher individueller elektrischer Signale durch z. B. eine integrierte Schaltung führt zu einem Wert für die Drehlage des Ringmagneten.

In einer Ausführungsform, die einen zusätzlichen Betrieb als Drehgeber gestattet, werden die Flußleitstücke durch einen Satz von mindestens drei Spulen mit geeigneter Feldstärke und Phasenwinkel magnetisiert.

Hierduch wird ein Drehmoment auf den Ringmagneten ausgeübt, so daß sich eine Drehbewegung nach Maßgabe der eingestellten Feldverteilung und extern anliegender Gegen-Drehmomente ergibt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Fig. 1, 2, 3a, 3b, 4 sowie in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsmäßiges Sensorsystem

Fig. 2 die Berandung eines unteren, kreisförmigen weichmagnetischen Elements bzw. Flußleitstücks mit montierten magnetfeldempfindlichen Sensoren, einer Auswerteschaltung sowie optional vorgesehenen Spulen, ferner ein zugehöriges Anschlußkabel für Stromversorgung und Fortleitung eines oder mehrerer Nutzsignale.

Fig. 3a und 3B die Berandung eines oberen, kreisringförmigen weichmagnetischen Elements bzw. Flußleitstücks

Fig. 4 die sog. Abwicklung des Magneten 4

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht das Sensorsystem zum einen aus einem Rotorteil 1. Dieses besteht aus einer drehbaren Welle 2, die über eine kreisförmige Deckplatte 7 und ein zylinderförmiges Rückschlußteil 3 einen ebenfalls zylinderförmigen bzw. ringförmigen Permanent­ magneten 4 trägt. In der gezeichneten Anordnung besitzt die Welle 2 eine (nicht gezeichnete) Lagerung oberhalb des Rotorteils 1, die Lagerung kann aber genausogut auch unterhalb des Rotorteils angeordnet sein, genauso ist es unerheblich, ob die Lagerung innerhalb der Welle 2 vorgesehen ist oder z. B. als Kugellager die Welle 2 umfaßt.

Der Permanentmagnet besitzt eine Mehrzahl von Nord- und Südpolen, wobei die einzelnen Magnetpole sich z. B. von Stirnseite zu Stirnseite des Magneten erstrecken, und zwar in praktisch äquidistantem Winkelabstand.

In der gezeigten, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich einzelne Magnetbereiche mit je einem Nord- und einem Südpol in axiale Richtung. Benachbarte Magnetbereiche besitzen jedoch unterschiedliche Vorzeichen, das heißt, auf einen Magnetbereich mit einem oberen Nordpol 5 und unterem Südpol 6 folgt ein Magnetbereich mit einem oberen Südpol, wie das auf der rechten Hälfte der Fig. 1 dargestellt ist.

Die Rotoranordnung 1 wirkt auf den Stator 10 ein.

Hierbei wirken die jeweils oberen Hälften der Magnetpole auf die Zähne des oberen Flußleitstücks 30 ein, während die unteren Hälften der Magnetpole auf die Zähnung des unteren Flußleitstücks 10 einwirken. Die Zähnung der beiden Flußleitstücke ist bevorzugt deckungsgleich und weist Aussparungen von 180 deg. el. auf. Auf diese Weise wird z. B. das obere Flußleitstück in einem Teilbereich vorwiegend durch Nordpole erregt, während das untere im entsprechenden Teilbereich eine gegenpolige Erregung durch Südpole wahrnimmt.

Daher besteht zwischen oberem und unterem Flußleitstück ein magnetisches Feld, welches durch einen zwischenliegenden magnetfeldempfindlichen Sensor 21 wahrgenommen wird. Für einen solchen Sensor werden mit Vorteil Hall-Sensoren verwendet, alternativ jedoch auch Feldplatten, magnetoresistive Sensoren etc.

Bei Drehung des Dauermagneten 4 kehren sich nach 180 deg. el. die magnetischen Verhältnisse um.

Vergleichbare Vorgänge finden in den beiden weiteren gezeichneten Teilbereichen des Sensors statt. Allerdings ist durch eine phasenversetzt angebrachte Zähnung dafür gesorgt, daß der Wechsel der Magnetisierung nicht im Gleichtakt zwischen den Teilbereichen bzw. Sektoren des Systems stattfindet, sondern daß deren Magnetisierung einen möglichst exakten Phasenversatz aufweist, im gezeichneten Beispiel einen solchen von 120 deg. el.

Dementsprechend sind auch die Ausgangssignale der drei Sensoren 111, 112 und 113 (Bezugsziffern 21, 22 rsp. 23) mit einen Phasenversatz von 120 deg. el. behaftet.

Die phasenversetzten Ausgangssignale der Sensoren werden sodann durch eine integrierte elektronische Schaltung 20 mittels einer geeigneten Mustererkennung in ein elektrisches Positions-Ausgangssignal gewandelt, wobei die Auswertung völlig entsprechend der Beschreibung der Offenlegungsschrift WO 90/15473 erfolgt.

In Fig. 2 sind weitere Einzelheiten des unteren Flußleitstücks 10 dargestellt. Wie oben erwähnt, wird dieses Flußleitstück bevorzugt aus einem kaschierten Eisenblech hergestellt, so daß elektronische Bauelemente wie Sensoren 21, 22, 23, IC 20, ggf. Antriebsspulen 24 direkt auf die Kaschierung aufgeklebt und mittels vorgesehener Lötanschlußpunkte 25 oder 26 an gedruckte Leiterbahnen angelötet werden.

Desgleichen wird die Zuleitung 17 für die Stromversorgung bzw. für Signalleitungen bevorzugt an derartige Leiterbahnen angelötet bzw. kontaktiert.

Um die phasenversetzten Magnet-Teilflüsse in gewissem Maße voneinander zu separieren, sind Einkerbungen 11 sowie Aussparungen 14 vorgesehen. Die Ausnehmungen 12 dienen wie erwähnt dazu, ein Flußleitstück in den Bereich einer Anzahl gleichnamiger Pole zu bringen.

Um das Statorteil 10 auf einer vorgesehenen Unterlage zu befestigen, sind Befestigungslöcher vorgesehen, die mit Befestigungselementen 15 zusammenwirken.

Spulen 24 sind optional um die Magnetfeldsensoren 21, 22, 23 angebracht und werden mit Vorteil durch die integrierte Schaltung 20 bestromt. Je nach Stärke und Vorzeichen eines Spulenstroms ergeben sich im oberen und unteren Flußleitstück Magnetfelder, die eine kontinuierliche Positionierung des Rotorteils 1 gestatten. Im Wechsel mit einer derartigen Bestromung erfolgt die Überprüfung der Position bzw. Drehlage des Rotorteils 1 durch Sensorelemente 21, 22, 23 im Zusammenspiel mit IC 20.

In Fig. 3a und 3b ist ein oberes Flußleitstück 30 näher dargestellt.

Gegenüber seiner Peripherie befindet sich der Ringmagnet 4 mit äquidistanten Nord- und Südpolen. Wie man der Fig. 3 B entnimmt, besitzen die Zähnungen der einzelnen Bereiche der Flußleitstücke gegeneinander den gewünschten Phasenversatz von 120 deg. el. (Winkel Beta = 240 deg. el., Winkel Gamma = 120 deg. el.)

Es versteht sich, daß anstelle von drei sektorenförmigen Bereichen des Sensors auch z. B. 4, 5, 6, 7 etc. vorgesehen werden können.

Claims (12)

1. Sensor oder Drehgeber für Drehstellungen oder -bewegungen, insbesondere für einen Drosselklappensteller, mit
einem statorseitigen Teil (10), der zwei flächige, weichmagnetische Elemente mit mindestens drei Teilbereichen mit zahnartigen Vorsprüngen (13) aufweist,
einem Rotorteil (1) und einem Luftspalt dazwischen, wobei mindestens drei magnetfeldempfindliche Sensoren (21, 22, 23) vorgesehen sind, und die zahnartigen Vorsprünge (13) eine gleiche räumliche Periodizität besitzen, wel­ che zwischen den Teilbereichen definierte Phasenversatzmaße aufweist; und
wobei der statorseitige Teil (10) in axialer Verlängerung zum Rotorteil (1) kon­ zentrisch zur Drehachse des Rotorteils (1) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Erregung als eine im Rotorteil (1) angeordnete perma­ nentmagnetische Erregung ausgebildet ist und eine Mehrzahl von magneti­ schen Dipolen (5, 6) umfaßt,
wobei die magnetfeldempfindlichen Sensoren (21, 22, 23) im magnetischen Kreis zwischen den weichmagnetischen Elementen (10, 30) angeordnet sind, und
die magnetischen Dipole (5, 6) sich in axialer Richtung zur Drehachse des Rotorteils (1) erstrecken.

2. Sensor oder Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von magnetischen Dipolen in einem Magnetring oder -hohlzylinder (4) zusammengefaßt sind, wobei benachbarte Dipole alternierende Polarität besitzen.

3. Sensor oder Drehgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring von einem Rückschlußring (3) umschlossen wird.

4. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Flachspulen (24) vorhanden sind, die mittels einer Ansteuerschaltung (20) bestromt werden und deren Achsen an­ nähernd koaxial zu Normalen liegen, welche durch ein Zentrum der Teilberei­ che verlaufen.

5. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Elemente (10, 30) aus einem fer­ romagnetischen Blech gestanzt sind.

6. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der weichmagnetischen Elemente (10) sowohl eine magnetflußleitende Funktion aufweist als auch eine gedruckte Leiterplatte darstellt.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenversatzmaß zumindest annähernd Vielfache von 120 deg. el. beträgt.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Ausgangssignale der magnetfeldempfindlichen Sensoren (21, 22, 23) durch zumindest eine integrierte elektronische Schaltung (20) mittels eines Verfahrens zur Mustererkennung in ein elektrisches Signal gewandelt wird, welches ein direktes Maß für die relative Verdrehung zwischen dem Statorteil (10) und dem Rotorteil (1) darstellt.

9. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähnung der weichmagnetischen Elemente eine deckungsgleiche Kontur aufweist mit einer Mehrzahl von Aussparungen (12).

10. Sensor oder Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodizität von einem Zahn (13) und einer Ausspa­ rung (12) der Periodizität von einem magnetischen Dipol (5, 6) entspricht.

11. Verwendung des Sensors oder Drehgebers nach Anspruch 4 als Antriebsvor­ richtung für geregelte oder ungeregelte Drehbewegungen.

12. Auswerteverfahren zur Bestimmung der relativen Drehlage zwischen dem Rotorteil (1) und dem Statorteil (10) eines Sensors gemäß einem der Ansprü­ che 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - Messen der digitalen oder analogen Ausgangssignale der mindestens drei magnetfeldempfindlichen Sensoren (21, 22, 23) zu im wesentlichen gleichen Zeitpunkten;
• - Anwenden einer Mustererkennung der Ausgangssignale der minde­ stens drei magnetfeldempfindlichen Sensoren (21, 22, 23), vorzugswei­ se mittels einer diskreten Fouriertransformation, Bereitstellung eines Winkel- oder Phasenwerts;
• - In-proportionale-Übereinstimmung-Bringen des Winkel- oder Phasen­ werts anhand einer Korrekturtabelle oder -funktion mit der relativen Drehlage zwischen Rotorteil (1) und Statorteil (10).