DE4311496A1 - Handbetätigter Winkelgeber - Google Patents
Handbetätigter WinkelgeberInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen handbetätigten Winkelgeber mit
einem drehbar gelagerten und manuell bewegbaren Geberelement,
einem dieses abtastenden Sensor und einem magnetisch und
berührungslos wirkenden Rastmechanismus für das Geberelement,
der einen Magnetflußleitkörper mit auf einer zur Drehachse des
Geberelementes konzentrischen Linie im Abstand aufeinanderfol
genden Zungen aufweist.
Bei einem bekannten Winkelgeber dieser Art (DE 32 24 386 C2)
ist das Geberelement eine Scheibe, deren äußere Randzone durch
die radial verlaufenden Zungen gebildet wird. Diese äußere
Randzone greift sowohl zwischen den Sender und Empfänger einer
Lichtschranke ein als auch zwischen zwei Polschuhe, welche am
Nordpol bzw. Südpol eines Permanentmagneten anliegen und
dessen Magnetfluß lotrecht durch die Randzone der aus ferro
magnetischem Material bestehenden Scheibe leiten. Die beiden
Polschuhe sind mit radial verlaufenden Zähnen und dazwischen
liegenden Zahnlücken versehen, die aufeinander ausgerichtet
sind und die gleiche Teilung wie die Zungen der Scheibe und
die zwischen diesen liegenden Schlitze haben. Da außerdem die
Luftspalte zwischen der Randzone der Scheibe und den beiden
Polschuhen gering ist, läßt sich selbst bei sehr schmalen
Zähnen und Zungen ein hohes Rastmoment erreichen. Der Aufwand
für den Rastmechanismus ist aber relativ hoch.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen hand
betätigten Winkelgeber zu schaffen, der kostengünstiger herge
stellt werden kann, ohne auf ein hohes Rastmoment und kleine
Drehwinkel zwischen den aufeinanderfolgenden Raststellungen
verzichten zu müssen. Diese Aufgabe löst ein Winkelgeber mit
den Merkmalen des Anspruches 1.
Für den Rastmechanismus des erfindungsgemäßen Winkelgebers
sind nur noch zwei Teile erforderlich, nämlich der Magnetfluß
leitkörper und der Magnet, was vor allem auch die Montage
kosten reduziert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet innerhalb
der von den Zungen definierten Zylinderfläche angeordnet, weil
dann die Pole des Magneten in dessen äußerer Mantelfläche
vorgesehen werden können, was bei gleicher Polzahl zu einem
kleineren Magneten führt als eine Anordnung der Pole in einer
Innenmantelfläche.
Sofern als Sensor eine Reflexions-Lichtschranke verwendet
wird, kann diese gegen die lotrecht zu der sie tragenden
Scheibe verlaufenden Zungen oder Zungenabschnitte gerichtet
sein. Sofern die Zungen auch einen bezüglich des Zentrums der
Scheibe radial nach außen sich erstreckenden Abschnitt aufwei
sen, kann eine Reflexions-Lichtschranke auch gegen diese
Abschnitte gerichtet werden. In beiden Fällen ist es erforder
lich, daß die Scheibe mit den an ihr vorgesehenen Zungen das
drehbar gelagerte Geberelement bildet und daß der Magnet
ebenso wie der Sensor ortsfest angeordnet ist.
Als Sensor kann aber auch beispielsweise ein Hall-Generator
verwendet werden. Es ist dann allerdings erforderlich, den als
Ring oder Scheibe ausgebildeten Permanentmagneten fest auf der
manuell drehbaren Welle anzuordnen und einige nebeneinander
angeordnete Zungen der ortsfest anzuordnenden Scheibe wegzu
lassen, damit eine Lücke vorhanden ist für den Durchgriff des
Magnetfeldes bis zum Hall-Generator.
Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläu
tert. Es zeigt
Fig. 1 einen schematisch dargestellten Längsschnitt des
ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 eine perspektivisch dargestellte Ansicht des
Geberelementes des ersten Ausführungsbeispiels mit
zugeordnetem Sensor,
Fig. 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt des
zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 eine perspektivisch dargestellte Ansicht des
Magnetflußleitkörpers des zweiten Ausführungsbei
spiels mit zugeordnetem Sensor.
In einer kreisscheibenförmigen Frontplatte 1, die aus einem
weder magnetisierbaren noch magnetisch leitenden Material
besteht, ist zentral eine Welle 2 drehbar gelagert. Auf ihrem
über die eine Stirnseite der Frontplatte 1 überstehenden
Abschnitt ist ein nicht dargestelltes Handrad fest angeordnet.
Der über die andere Stirnseite überstehende Abschnitt der
Welle 2 trägt drehfest und axial unverschiebbar ein als Ganzes
mit 3 bezeichnetes Geberelement. Dieses Geberelement besteht
aus einem ferromagnetischen Blech. Es bildet eine kreisförmige
Scheibe 4, die in ihrem Zentrum mit einem Loch 4′ versehen
ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Scheibe 4 mittels einer
Flanschbuchse 5 auf der Welle 2 festgelegt. Sie kann aber auch
in anderer Weise und insbesondere auch direkt auf der Welle 2
befestigt sein, z. B. durch Nieten.
Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, trägt die Scheibe 4 einstückig
mit ihr ausgebildete Zungen 7, die alle die gleiche Breite und
Länge und auch die gleiche Form haben und durch je eine Lücke
8 voneinander getrennt sind, die ebenfalls alle gleich groß
sind. Die Zungen 7 weisen einen ersten Abschnitt auf, der sich
radial nach außen erstreckt, sowie einen zweiten Abschnitt,
der im rechten Winkel zu diesem ersten Abschnitt verläuft.
Diese zweiten Abschnitte der Zungen 7 definieren deshalb eine
zum Zentrum konzentrische Zylinderfläche. Wie Fig. 1 zeigt, ist
die Scheibe 4 so auf der Welle 2 angeordnet, daß der zweite
Abschnitt der Zungen 7 gegen die Frontplatte 1 weist und in
geringem Abstand von dieser endet.
Konzentrisch zur Welle 2 ist ein kreisringförmiger Permanent
magnet 9 an der der Scheibe 4 zugewandten Stirnfläche der
Frontplatte 1 festgelegt. Die Abmessungen des Permanentmagne
ten 9, der Scheibe 4 und der Zungen 7 sind dabei, wie Fig. 1
zeigt, so aufeinander abgestimmt, daß sowohl zwischen der
Scheibe 4 und der ihr zugekehrten Stirnfläche des Permanent
magneten 9 als auch zwischen dessen äußerer Mantelfläche und
den Zungen 7 ein geringer Luftspalt vorhanden ist. Der Perma
nentmagnet 9 ist so magnetisiert, daß in seiner äußeren Man
telfläche, von denen der zweite Abschnitt der Zungen 7 nur
durch den geringen Luftspalt getrennt ist, in Umfangsrichtung
im Wechsel aufeinander Nordpole und Südpole folgen, wobei der
Winkel zwischen zwei unmittelbar benachbarten Polen gleich dem
Winkel zwischen zwei unmittelbar benachbarten Zungen 7 ist.
Der erstgenannte Winkel könnte auch größer oder kleiner als der
letztgenannte Winkel sein. Allerdings ist dann erforderlich,
daß der eine Winkel stets ein ganzzahliges Vielfaches des
anderen Winkels ist.
Der aus dem Permanentmagneten 9 und der Scheibe 4 mit ihren
Zungen 7 als Magnetflußleitkörper bestehende Rastmechanismus
sucht die Scheibe 4 in einer derjenigen Winkelpositionen
festzuhalten, in denen die Zungen 7 auf je einen der Pole
ausgerichtet sind. Der Magnetfluß geht dann über den Luftspalt
zwischen dem Pol und dem zweiten Abschnitt des auf ihn ausge
richteten Teils der Zunge 7 in diese über, teilt sich in
dieser und schließt sich über die beiden benachbarten Zungen,
deren Luftspalt zu den Polen, auf die sie ausgerichtet sind
und diese Pole selbst zu dem zwischen ihnen liegenden Pol. Da
in dieser Winkelposition jeder der magnetischen Kreise seinen
geringsten magnetischen Widerstand hat, erzeugt der Rastmecha
nismus bei einer Drehbewegung der Scheibe 4 aus dieser Winkel
stellung heraus ein Gegendrehmoment. Dieses ist wegen der
Vielzahl der magnetischen Kreise relativ hoch, auch wenn das
Rastmoment der einzelnen magnetischen Kreise gering ist.
Als Sensor, der bei jeder Drehung der Welle 2 in die nächste
Rastposition ein impulsartiges Signal erzeugt, weshalb der
Winkelgeber auch als inkrementaler Positionsgeber verwendet
werden kann, ist eine Reflexions-Lichtschranke 10 vorgesehen,
welche an der Innenwand eines topfförmigen Gehäuses 11 ange
ordnet ist, welches von der Frontplatte 1 verschlossen wird.
Die Reflexions-Lichtschranke 10 kann so angeordnet sein, daß
sie einen radial nach innen gerichteten Lichtstrahl aussendet,
der je nach der Winkelstellung der Scheibe 4 auf die Außen
seite des axial verlaufenden zweiten Abschnittes einer der
Zunge 7 oder die zwischen zwei dieser Abschnitte liegende
Lücke fällt. Dieser Lichtstrahl wird nur dann ausreichend
reflektiert, wenn er auf die Zunge 7 fällt. Sofern, wie im
Ausführungsbeispiel, die Zungen 7 einen ersten, radial verlau
fenden Abschnitt haben, kann der Lichtstrahl der Reflexions-
Lichtschranke auch gegen diesen ersten Abschnitt der Zungen 7
gerichtet sein. Dies ist in Fig. 1 durch eine Reflexions-Licht
schranke 12 angedeutet, die selbstverständlich auch zusätzlich
zu der Reflexions-Lichtschranke 10 vorgesehen sein könnte,
wenn beispielsweise eine Erkennung für eine Vorwärts/Rück
wärts-Drehung der Scheibe 4 verlangt wird. Allerdings können
in diesem Falle auch alle Lichtschranken gegen den ersten oder
gegen den zweiten Abschnitt der Zungen 7 gerichtet sein.
Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist
wie das erste Ausführungsbeispiel eine kreisscheibenförmige
Frontplatte 101 aus magnetisch nichtleitendem Material auf, in
der die Welle 102 drehbar gelagert ist. Als Geberelement dient
bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch der kreisringförmige
Permanentmagnet 109, weshalb dieser konzentrisch zur Welle 102
auf letzterer fest angeordnet ist. Da im Ausführungsbeispiel
der Innendurchmesser des Permanentmagneten 109 größer ist als
der Außendurchmesser der Welle 102, ist ein Nabenkörper 113
vorgesehen, der den Permanentmagneten 109 trägt und fest mit
der Welle 102 verbunden ist.
An der Innenseite der Frontplatte 101 ist die Scheibe 104
festgelegt, die wie die Scheibe 4 ausgebildet ist. Auch die
einstückig mit ihr ausgebildeten Zungen 107 haben die gleiche
Form und Größe wie die Zungen 7. Der radial verlaufende zweite
Abschnitt der Zungen 107 weist von der Frontplatte 101 weg und
endet im Ausführungsbeispiel bündig mit der der Frontplatte
101 abgekehrten Stirnfläche des Permanentmagneten 109. Sowohl
zwischen dem axial verlaufenden, zweiten Abschnitt der Zungen
107 und der zylindrischen Außenmantelfläche des Permanent
magneten 109 als auch zwischen der Scheibe 104 und der ihr
zugewandten Stirnfläche des Permanentmagneten 109 ist ein
geringer Luftspalt vorhanden.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sucht der aus dem
Permanentmagneten 109 und der Scheibe 104 mit ihren Zungen 107
gebildete Rastmechanismus die Welle 102 in einer derjenigen
Winkelpositionen zu halten, in welcher die in der Außenmantel
fläche des Permanentmagneten 109 liegenden und in Umfangsrich
tung im Wechsel aufeinander folgenden Polen auf je einen der
axialen Abschnitte der Zungen 107 ausgerichtet sind. Die
Wirkungsweise des Rastmechanismus ist also dieselbe wie bei
dem ersten Ausführungsbeispiel.
Als Sensor ist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel statt
einer Reflexions-Lichtschranke ein Hall-Generator 110 vorge
sehen, welcher das Magnetfeld der in der Außenmantelfläche des
Permanentmagneten 109 liegenden Pole detektiert. Es ist des
halb notwendig, daß bei einigen der nebeneinander liegenden
Zungen 107 deren axial verlaufender zweiter Abschnitt fehlt
zur Bildung einer Lücke 114, durch welche das Magnetfeld auf
den Hall-Generator 110 durchgreifen kann. Der Hall-Generator
110 ist wie die Reflexions-Lichtschranke 10 an der Innenman
telfläche des topfförmigen Gehäuses 111 festgelegt, das von
der Frontplatte 101 verschlossen wird. Selbstverständlich wäre
es aber auch möglich, den Hall-Generator 110 an der Front
platte 101 festzulegen, was auch für die Reflexions-Licht
schranke 10 gilt.
Claims (10)
1. Handbetätigter Winkelgeber mit einem drehbar gelagerten und
manuell bewegbaren Geberelement, einem dieses abtastenden
Sensor und einem magnetisch und berührungslos wirkenden
Rastmechanismus für das Geberelement, der einen Magnetfluß
leitkörper mit auf einer zur Drehachse des Geberelementes
konzentrischen Linie im Abstand aufeinander folgenden
Zungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Zungen (7; 107) zumindest auf einem Teil ihrer Länge in einer zur Drehachse des Geberelementes (3; 109) konzentrischen Zylinderfläche liegen,
- b) konzentrisch zu dieser Zylinderfläche und in geringem radialem Abstand von ihr in Umfangsrichtung im Wechsel aufeinander folgende Nord- und Südpole eines Magneten (9; 109) vorgesehen sind und
- c) die Winkelteilung der Zungen (7; 107) gleich der durch den Winkel zwischen zwei benachbarten Polen definierten Winkelteilung, einem ganzzahligen Vielfachen oder einem ganzzahligen Bruchteil dieser Winkelteilung gewählt ist.
2. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Magnet (9; 109) innerhalb der von den Zungen (7; 107)
definierten Zylinderfläche angeordnet ist und eine zylin
drische Außenmantelfläche hat, in der die im Wechsel auf
einander folgenden Nord- und Südpole liegen.
3. Winkelgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zungen (7; 107), soweit sie in der zur Drehachse
des Geberelementes (4; 109) konzentrischen Zylinderfläche
liegen, lotrecht zu einer Scheibe (7; 107) angeordnet sind,
mit der sie einstückig ausgebildet sind.
4. Winkelgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zungen (7; 107) einen ersten, bezüglich des Zentrums
der Scheibe (4; 104) radial nach außen sich erstreckenden
Abschnitt aufweisen, an den sich der abgewinkelte, in der
Zylinderfläche liegende Abschnitt anschließt.
5. Winkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Magnet (9; 109) ein Permanentmagnet
in Form eines Ringes mit zwei zueinander parallelen Stirn
flächen ist, auf denen die Außenmantelfläche und die zu ihr
konzentrische Innenmantelfläche lotrecht stehen.
6. Winkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Geberelement (4, 7) fest auf einer
drehbar in einer Trägerplatte (1) gelagerten, manuell
drehbaren Welle (2) angeordnet ist und daß der Magnet (9)
an der Trägerplatte (1) festgelegt ist.
7. Winkelgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
als Sensor wenigstens eine auf die Zungen (7) ausgerichtete
Reflexions-Lichtschranke (10, 12) vorgesehen ist.
8. Winkelgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Reflexions-Lichtschranke (10) radial außerhalb der von
den Zungen (7) definierten Zylinderfläche und gegen diese
gerichtet relativ zur Trägerplatte (1) unbeweglich angeord
net ist.
9. Winkelgeber nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reflexions-Lichtschranke (12) oder eine zweite
Reflexions-Lichtschranke auf den radial verlaufenden
Abschnitt der Zungen (7) ausgerichtet ist.
10. Winkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß
- a) der Magnet (109) fest auf einer drehbar in einer Trägerplatte (101) gelagerten, manuell drehbaren Welle (102) angeordnet ist,
- b) die die Zungen (107) tragende Scheibe (104) an der Trägerplatte (101) festgelegt ist,
- c) in der durch die Zähne (107) gebildeten Reihe wenig stens eine durch mindestens einen fehlenden Zahn (107) gebildete Lücke (114) vorhanden ist, und
- d) auf diese Lücke (114) ein dem Magneten (109) zuge kehrter Magnetfeldsensor (110) ausgerichtet ist.
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