DE102005035107A1

DE102005035107A1 - Mess- bzw. Gebervorrichtung

Info

Publication number: DE102005035107A1
Application number: DE102005035107A
Authority: DE
Inventors: Horst Rudolf W. König; Michael Demuth; Adolf Heydel
Original assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Current assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Zwei Drehkörper sind miteinander zwangsgekoppelt, derart, dass sich ein Übersetzungsverhältnis ergibt, welches bei oder nahe bei (a + 1) : a liegt, wobei a eine natürliche Zahl ist. Jedem Drehkörper ist zur Erkennung der jeweiligen Drehlage eine Sensorik zugeordnet, deren Signale sich zyklisch wiederholen, wenn der jeweilige Drehkörper um mehr als eine Vollumdrehung gedreht wird. Durch Signalauswertung können mehrere Vollumdrehungen der Drehkörper sowie deren jeweilige Drehlagen voneinander unterschieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mess- bzw. Gebervorrichtung mit einem ersten Drehkörper sowie einer damit zusammenwirkenden ersten Sensorik, deren Signale sich bei Weiterdrehung des Drehkörpers über eine volle Umdrehung hinaus zyklisch wiederholen, und mit einem mit dem ersten Drehkörper entsprechend einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis zwangsgekoppelten zweiten Drehkörper, dem eine zur vorgenannten Sensorik gleichartige zweite Sensorik zugeordnet ist.

Es ist grundsätzlich bekannt, eine Welle (oder einen sonstigen Drehkörper) mit einer Anzeige, beispielsweise einem drehbaren Zeiger, zu koppeln, um Drehwinkeländerungen der Welle sichtbar zu machen. Falls die Drehwinkeländerungen der Welle über eine volle Umdrehung hinausgehen und auch die Zahl der durchgeführten vollen Umdrehungen angezeigt werden soll, bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten:
Zwischen Welle und Anzeige besteht ein größeres Übersetzungsverhältnis, derart, dass sich die von der Anzeige dargestellten Messwerte erst nach mehreren Vollumdrehungen der Welle wiederholen. Diese Anordnung ist allerdings mit dem Nachteil verbunden, dass kleine Drehwinkeländerungen der Welle von der Anzeige nur vergleichsweise ungenau wiedergegeben werden.

Statt dessen ist es auch möglich, die Welle mit zwei Anzeigen zu koppeln, wobei zwischen den beiden Anzeigen und der Welle deutlich unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse vorgesehen sind. Die eine Anzeige kann dann im wesentlichen nur die von der Welle durchgeführten Vollumdrehungen darstellen, während die andere Anzeige die Bruchteile einer Vollumdrehung wiedergibt.

Prinzipiell können die Anzeige bzw. die Anzeigen rein mechanisch arbeiten, indem die Welle eine Markierung relativ zu einer Skala oder dergleichen bewegt.

Grundsätzlich ist es auch möglich, Drehbewegungen berührungslos zu erfassen, indem beispielsweise eine Welle eine Permanentmagnetanordnung bewegt, die berührungslos mit einer Hallsensorenanordnung zusammenwirkt.

Entsprechende Sensoranordnungen sind auf dem Markt erhältlich.

Im übrigen kann an Stelle einer Anzeige auch eine Befehlsgeberanordnung oder dergleichen gesteuert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine konstruktiv vorteilhafte Möglichkeit zur genauen Erfassung kleiner Drehwinkel änderungen eines Drehkörpers und zur gleichzeitigen Erfassung mehrerer Vollumdrehungen dieses Drehkörpers zu schaffen, um insbesondere breitbandige Messungen und/oder eine große Spreizung von Gebersignalen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Mess- bzw. Gebervorrichtung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, dass ein Übersetzungsverhältnis vorgegeben ist, bei dem die Drehwinkeländerung des einen Drehkörpers die zugeordnete Drehwinkeländerung des anderen Drehkörpers jeweils nur um einen Bruchteil der letzteren Drehwinkeländerung übersteigt, und dass vorzugsweise eine Auswertevorrichtung vorhanden ist, die die Signale der ersten und zweiten Sensorik hinsichtlich Drehwinkeldifferenz und Drehlage der Drehkörper zur Anzeige und/oder Weitergabe eines Messwertes oder einer Stellgröße oder dergleichen auswertet.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwei miteinander zwangsgekoppelte Drehkörper vorzusehen, deren Drehwinkeländerungen sich nur geringfügig unterscheiden. Wenn nun jedem Drehkörper eine Sensorik zugeordnet ist, die innerhalb einer Vollumdrehung des jeweiligen Drehkörpers unterschiedliche Drehlagen zu unterscheiden vermag, kann die Drehwinkeldifferenz zwischen den beiden Drehkörpern für die Erkennung einer Anzahl von Vollumdrehungen des einen und/oder anderen Drehkörpers relativ zu einer vorgegebenen Ausgangslage herangezogen werden. Im übrigen zeigen die Signale jeder Sensorik an, welche von Vollumdrehungen gegenüber der Ausgangslage abweichende Drehlage der jeweilige Drehkör per einnimmt. Dies ist gleichbedeutend damit, dass für Drehwinkeländerungen unsymmetrisch redundante Signale zur Verfügung stehen.

Die Erfindung ist insbesondere für digitale Systeme geeignet. Diese besitzen regelmäßig eine größere Rechnerkapazität, mit der ohne weiteres die Drehwinkeldifferenzen zwischen den Drehkörpern aus den die Drehlagen der Drehkörper wiedergebenden Sensorsignale ermittelt werden können, um die relativ zur Ausgangslage erfolgten Vollumdrehungen der Drehkörper zu ermitteln.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Übersetzungsverhältnis zwischen den Drehwinkeländerungen der Wellen bzw. Drehkörper bei (a + 1):a, wobei a eine natürliche Zahl ist. Wenn beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von 11:10 gewählt wird, sind Drehlagen erkennbar und unterscheidbar, bei denen die Drehkörper bzw. Wellen gegenüber einer Ausgangslage um bis zu nahezu 10 bzw. 11 Vollumdrehungen verdreht sind.

Im Hinblick auf konstruktive Einfachheit und hohe Zuverlässigkeit sind die Wellen bzw. Drehkörper mittels Zahnräder zwangsgekoppelt, wobei in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ein an der einen Welle bzw. am einen Drehkörper drehfest angeordnetes Zahnrad direkt mit einem an der anderen Welle bzw. am anderen Drehkörper drehfest angeordneten Zahnrad kämmt.

Die Sensorik wird vorzugsweise durch Hallsensorenanordnungen gebildet, die mit an den Wellen bzw. Drehkörpern angeordneten Permanentmagnetanordnungen berührungsfrei zusammenwirken.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.

Schutz wird nicht nur für ausdrücklich dargestellte oder angegebene Merkmalskombinationen sondern prinzipiell auch für beliebige Unterkombinationen dieser Merkmale beansprucht.

In der Zeichnung zeigt die einzige Fig. ein schematisiertes Schnittbild eines erfindungsgemäßen Messgebers.
Gemäß der Zeichnung besitzt die erfindungsgemäße Geber- bzw. Messvorrichtung ein Gehäuse 1 mit einer an einem Gehäuseboden drehgelagerten ersten Welle bzw. Eingangswelle 3, die einen ersten Drehkörper bildet Das Gehäuse 1 kann in Achsansicht der Welle 3 im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein.
Innerhalb des Gehäuses 1 ist die Welle 3 mittels Lager 11 und 12 drehgelagert, die am oberen Gehäuseboden bzw. an einer im Gehäuse 1 angeordneten Lagerscheibe 13 angeordnet sind.
Am in der Zeichnung unteren Ende der ersten Welle 3 ist eine Permanentmagnetanordnung 4 drehfest angeordnet, die berührungsfrei mit einer Hallsensoranordnung 5 zusammenwirkt. Die Hallsensoranordnung 5 erzeugt Signale, welche die jeweilige Drehlage der Permanentmagnetanordnung 4 und damit der ersten Welle 3 wiedergeben. Wird die Welle 3 über einen Winkel von 360° hinaus gedreht, wiederholen sich die Signale der Hallsensoranordnung 5. Wenn die Welle 3 um einen Winkel α oder einen Winkel 2aπ + α, wobei a eine natürliche Zahl ist, verstellt wird, werden also von der Hallsensoranordnung 5 gleiche Signale für die jeweils erreichte Lage erzeugt.
An der Welle 3 ist drehfest ein Zahnrad 6 drehfest angeordnet, welches mit einem weiteren Zahnrad 7 an einem von einer zweiten Welle 8 gebildeten weiteren Drehkörper kämmt. Die Zahnzahlen der Zahnräder 6 und 7 sind unterschiedlich und so gewählt, dass eine von der einen Welle 3 oder 8 ausgeführte Drehwinkeländerung die dabei ausgeführte Drehwinkeländerung der anderen Welle 8 oder 3 nur um einen Bruchteil der letztgenannten Drehwinkeländerung überschreitet. Beispielsweise kann das Übersetzungsverhältnis bei 11:10 oder 17:15 bzw. bei oder nahe bei (a + 1):a liegen, wobei a eine natürliche Zahl ist.
Am in der Zeichnung unteren Ende der zweiten Welle 8, die im Gehäuse 1 mittels der Lager 14 und 15 am Gehäuse 1 bzw. an der Lagerscheibe drehgelagert ist, ist eine weitere Permanentmagnetanordnung 9 drehfest angeordnet, die mit einer weiteren Hallsensoranordnung 10 zusammenwirkt. Auch diese Hallsensoranordnung 10 kann unterschiedliche Drehlagen der zugeordneten Permanentmagnetanordnung 9 und damit der zweiten Welle 8 unterscheiden, wobei sich die erzeugten Signale zyklisch wiederholen, wenn die Welle 8 über eine Vollumdrehung hinaus gedreht wird.
Da die beiden Wellen 3 und 8 unterschiedliche Drehwinkeländerungen erleiden, können auch Drehwinkel, die über eine oder mehrere Vollumdrehungen einer dieser Wellen hinausgehen, unterschieden werden:
Wenn die Wellen 3 und 8 beispielsweise mit einem Übersetzungsverhältnis von 10:11 gekoppelt sind, wird erst nach zehn Umdrehungen der langsamer drehenden Welle wieder für beide wellen gleichzeitig die Ausgangslage erreicht, wie sie vor der Drehung der langsamer drehenden Welle um 10 Vollumdrehungen vorgelegen hat.
Solange die langsamer drehende Welle 3 oder 8 also um weniger als 10 Vollumdrehungen gedreht wird, können damit die tatsächlich ausgeführten Drehwinkeländerungen auch dann, wenn diese eine oder mehrere Vollumdrehungen umfassen, durch Auswertung der Signale der Hallsensoranordnungen 5 und 10 unterschieden werden.
Die dargestellte Anordnung ist einerseits als Messgeber verwendbar, dessen Signale Winkellagen der Eingangswelle 2 über mehrere Vollumdrehungen der Eingangswelle 2 hinaus unterscheidbar wiederzugeben vermögen.
Andererseits kann die Anordnung als sehr breitbandiger Befehlsgeber, beispielsweise zur Vorgabe einer Stellgröße, benutzt werden, wobei der Stellbereich der Stellgröße sehr breitbandig und/oder kleinteilig vorgebbar ist.
Sowohl die Lagerscheibe 13 als auch der untere, die Hallsensorenanordnungen tragende Gehäuseboden 16, der als Schaltungsplatine ausgebildet sein kann, sind mittels eines Stiftes 17 am bzw. im Gehäuse 1 relativ zur Achse der Welle 3 undrehbar festgehalten.
Die oben angegebenen Übersetzungsverhältnisse sind in erster Linie beispielhaft. Wichtig ist, dass die Wellen 3 und 8 bzw. die Räder 6 und 7 bzw. die davon gebildeten Drehkörper voneinander abweichende, jedoch betragsmäßig benachbarte oder ähnliche Drehwinkeländerungen ausführen. In der Regel wird das Übersetzungsverhältnis höchstens einen Wert von 1.1 haben.
Anstelle der Zahnräder 6 und 7 können auch Reibräder vorgesehen sein.

Claims

Mess- bzw. Gebervorrichtung mit einem ersten Drehkörper (Welle 3) sowie einer damit zusammenwirkenden ersten Sensorik (4, 5), deren Signale sich bei Weiterdrehung des Drehkörpers über eine volle Umdrehung hinaus zyklisch wiederholen, und mit einem mit dem ersten Drehkörper entsprechend einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis zwangsgekoppelten zweiten Drehkörper (Welle 8), dem eine zur vorgenannten Sensorik gleichartige zweite Sensorik (9, 10) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übersetzungsverhältnis vorgegebenen ist, bei dem die Drehwinkeländerung des einen Drehkörpers die zugeordnete Drehwinkeländerung des anderen Drehkörpers jeweils nur um einen Bruchteil der letzteren Drehwinkeländerung übersteigt.
Mess- bzw. Gebervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung vorhanden ist, die die Signale der ersten und zweiten Sensorik (4, 5; 9, 10) hinsichtlich Drehwinkeldifferenz und Drehlage der Drehkörper (3, 8) zur Anzeige und/oder Weitergabe eines Messwertes oder einer Stellgröße oder dergleichen auswertet.
Mess- bzw. Gebervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung die erfasste Drehwinkeldifferenz für ein Signal, welches die Zahl der Vollumdrehungen des ersten und/oder zweiten Drehkörpers gegenüber einer Ausgangslage anzeigt, und die erfassten Drehlagen der Drehkörper für ein Signal verarbeitet, welches die über die Vollumdrehungen hinausgehende Drehung des ersten und/oder zweiten Drehkörpers anzeigt.
Mess- bzw. Gebervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis bei oder nahe bei (a + 1):a liegt, wobei a eine natürliche Zahl ist.
Mess- bzw. Gebervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehkörper (3, 8) mittels Zahnräder (6, 7) zwangsgekoppelt sind.
Mess- bzw. Gebervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorik jedem Drehkörper (3, 8) eine am jeweiligen Drehkörper angeordnete Permanentmagnetanordnung (4, 9), die berührungsfrei mit einer stationär angeordneten Hallsensoranordnung (5, 10) zusammenwirkt, zugeordnet ist.