DE102006060622A1

DE102006060622A1 - Vorrichtung zur Stellungserfassung eines sich bewegenden Bauteils

Info

Publication number: DE102006060622A1
Application number: DE102006060622A
Authority: DE
Inventors: David Fricker; Andreas Wehrle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stellungserfassung eines sich bewegenden Bauteils, mit mindestens einem mit dem Bauteil mitbewegenden Geber, der mit mindestens einem die Stellung des Gebers erfassenden Sensor berührungslos zusammenwirkt. Es ist vorgesehen, dass der Geber (2, 2', 2'', 40, 41) über seinen Bewegungsbereich vom Sensor (8', 8'') erfassbare Marken aufweist, die in Abhängigkeit von ihrer Lageposition unterschiedliche Größen aufweisen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Drehstellungserfassung, wie oben beschrieben, zur Verwendung bei einem pulsweiten Modulations-Antrieb.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Magnetisierungsstempels.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stellungserfassung eines sich bewegenden Bauteils, mit mindestens einem mit dem Bauteil mitbewegenden Geber, der mit mindestens einem die Stellung des Gebers erfassenden Sensor berührungslos zusammenwirkt.
Stand der Technik
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. So sind Stellungserfassungs-Vorrichtungen bekannt, die die Stellung eines sich linear bewegenden Bauteils mittels eines Laser-Sensors erfassen, der in Bewegungsrichtung ausgerichtet ist und auf eine entsprechende Reflektionsfläche, die senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet ist, gerichtet ist, und somit die Entfernung und bei bekanntem Ausgangspunkt die Stellung des sich linear bewegenden Bauteils erfassen kann. Auch gibt es beispielsweise (Dreh-)Stellungserfassungs-Vorrichtungen mit einem AMR-Sensor (Anisotropy-Magneto-Resistance-Sensor), die die Drehstellung eines rotierenden Bauteils erfassen. Dazu ist der AMR-Sensor axial zu dem rotierenden Bauteil, also in der Drehachse liegend, zu einer Stirnseite des Bauteils ausgerichtet angeordnet. An der Stirnseite des rotierenden Bauteils ist entsprechend ein mit dem Bauteil mitrotierender Magnet angeordnet. Der AMR-Sensor erfasst im Wesentlichen einen, das von dem Magneten erzeugte magnetische Feld beschreibenden Vektor und gibt entsprechend der Drehstellung des Vektors analoge Sinus- und Kosinussignale aus, die an einer Steuereinheit ausgewertet werden können. Alternativ zu dem AMR-Sensor ist auch die Verwendung eines GMR-Sensors (Giant-Magneto-Resistance-Sensor) bekannt. Darüber hinaus sind auch induktive Resolver und spannungsfreie Hallsensoren mit Flashspeichern zur Drehstellungserfassung bekannt. Der Einsatz eines Resolvers bedeutet jedoch einen hohen Materialaufwand für zum Beispiel Spulen, Bleche und/oder Verschaltungselemente. Der AMR-Sensor, beziehungsweise der GMR-Sensor, haben den Nachteil, dass eine analoge Spannung vor Ort verarbeitet, beziehungsweise erfasst, also analog-digital gewandelt werden muss, um eine ausreichende Signalgüte zu erhalten.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht vor, dass der Geber über seinen Bewegungsbereich vom Sensor erfassbare Marken aufweist, die in Abhängigkeit von ihrer Lageposition unterschiedliche Größen aufweisen. Es ist also ein Geber vorgeschlagen, der vom Sensor erfassbare Marken aufweist, die über seinen Bewegungsbereich angeordnet sind.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Bauteil ein sich linear bewegendes Bauteil, das sich in einem bestimmten Bewegungsbereich verschieben lässt. Vorteilhafterweise weist der sich dadurch ebenfalls linear bewegende Geber über den Bewegungsbereich, der bevorzugt der Längserstreckung des Gebers entspricht, die vom Sensor erfassbaren Marken auf. Die Marken sind dabei linear hintereinander in Bewegungsrichtung auf dem Geber angeordnet und weisen in Abhängigkeit von ihrer Lageposition auf dem Geber unterschiedliche Größen auf.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil ein rotierendes Bauteil, wie zum Beispiel eine rotierende Welle einer Antriebsvorrichtung oder die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine. Hierbei ist zweckmäßigerweise der Bewegungsbereich des sich mitbewegenden beziehungsweise mitrotierenden Gebers sein Umfangsbereich, Das heißt also, dass die vom Sensor erfassbaren Marken über seinen Umfangsbereich, also über 360° angeordnet sind. Da es sich hierbei um ein rotierendes Bauteil beziehungsweise einen rotierenden Geber handelt, ist klar, dass anders als beim sich linear bewegenden Bauteil die Bewegung des rotierenden Bauteils nicht auf den Bewegungsbereich, beziehungsweise auf eine Drehung um 360°, begrenzt ist. Im Gegensatz zum sich linear bewegenden Bauteil befindet sich das rotierende Bauteil beziehungsweise der rotierende Geber nach einmaligem Durchlaufen des Bewegungsbereichs wieder in Ausgangsposition. Die vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung zur Stellungserfassung, die bei dem rotierenden Bauteil die Drehstellung erfasst, ermöglicht, dass der Geber nicht an einer frei zugänglichen Stirnseite des rotierenden Bauteils angeordnet sein muss, sondern irgendwo entlang der Drehachse des Bauteils angeordnet sein kann. Daraus ergeben sich Package-Vorteile und eine individuelle Anordnung der Vorrichtung zur Drehstellungserfassung an dem rotierenden Bauteil. Wichtig ist, dass die an seinem Umfangsbereich angeordneten Marken von dem Sensor erfassbar sind. Die Marken sind dabei derart gestaltet, dass sie in Abhängigkeit von ihrer (Winkel-)Lageposition auf dem Geber unterschiedliche Größen aufweisen. Der Sensor erfasst, beziehungsweise erzeugt, dadurch bei einer Drehbewegung des Gebers beziehungsweise des Bauteils ein Signal mit den Größen der Marken entsprechenden Signalwerten. Eine das Signal auswertende Auswerteeinheit bestimmt anhand der vom Sensor gelieferten (unterschiedlichen) Signalwerte die (Dreh-)Stellung des Gebers und damit die (Dreh-)Stellung des rotierenden Bauteils. Je nach Anzahl der Marken kann die (Dreh-)Stellung genau oder ungenau erfasst werden.
Die unterschiedliche Größe der Marken kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Marken über den Umfang des mitrotierenden Gebers beziehungsweise über den Bewegungsbereich/die Längserstreckung des sich linear bewegenden Gebers unterschiedlich breit ausgebildet sind. Beispielsweise sind die Marken über den Bewegungsbereich hinweg zunehmend größer ausgebildet. Nach einer vollständigen Umdrehung des rotierenden Bauteils beziehungsweise des mitrotierenden Gebers kann die Auswerteeinheit die Drehzahl bestimmen und den erfassten Marken die entsprechende (Winkel-)Lageposition zuordnen. Dies ist daher von Bedeutung, da bei einer niedrigen Drehzahl eine bestimmte Marke größer erscheint, als bei einer hohen Drehzahl. Nach einer vollständigen Umdrehung beziehungsweise Rotation kann die Auswerteeinheit beispielsweise die kleinste Marke bestimmen, deren (Winkel-)Lageposition zweckmäßigerweise bekannt ist, und somit die übrigen Marken entsprechend zuordnen beziehungsweise deuten/auswerten. Entsprechend gilt für den sich linear bewegenden Geber, dass seine Bewegungsgeschwindigkeit erfasst werden beziehungsweise bekannt sein muss, um die erfassten Marken entsprechend zu deuten.
Vorteilhafterweise sind die Marken Magnetmarken und/oder optische Marken. Dazu sind auf dem Geber zweckmäßigerweise Felder beziehungsweise Bereiche ausgebildet, die ein magnetisches Feld und/oder eine bestimmte optische Eigenschaft aufweisen. So können beispielsweise über den Umfangsbereich des mitrotierenden Gebers oder über die Längserstreckung des sich linear bewegenden Gebers verteilt magnetische Bereiche angeordnet sein, die eine unterschiedliche Polarisierung aufweisen und unterschiedlich breit ausgebildet sind.
Zweckmäßigerweise ist der Sensor ein Hallsensor und/oder ein optischer Sensor. Wobei unter einem Sensor, der Hallsensor und optischer Sensor ist, natürlich ein Sensor zu verstehen ist, der zwei Sensoreinheiten, nämlich eine Hallsensor-Einheit und eine optische Sensor-Einheit aufweist. Der optische Sensor kann beispielsweise ein Lasersensor sein, der den Geber beziehungsweise die Marken des Gebers "ausliest". Durch die vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann diese modulartig verwendet werden. Im Gegensatz zu einer (Dreh-)Stellungserfassung mittels eines AMR- oder GMR-Sensors können Geber und Sensor unabhängig von einander montiert und demontiert werden. Dies erleichtert die Herstellung der Vorrichtung zur (Dreh-)Stellungserfassung erheblich und verringert die Herstellungskosten.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung befinden sich die Marken an einer Mantelfläche und/oder einer Stirnfläche eines den mitrotierenden Geber bildenden Geberteils, das in diesem Fall als Drehteil ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der Sensor radial zu dem Geber beziehungsweise dem den Geber bildenden Drehteil oder parallel zur Drehachse ausgerichtet sein kann. Sind die Marken an der Mantelfläche und der Stirnfläche angeordnet, beziehungsweise reichen die Marken von der Stirnfläche bis in die Mantelfläche, kann der Sensor entsprechend dem vorhandenen Bauraum ausgerichtet werden. Der Radius der Mantelfläche ist zweckmäßigerweise über den gesamten Umfang des Gebers beziehungsweise des den Geber bildenden Drehteils konstant.
Bevorzugt weisen die Marken die Form von Kreisausschnitten oder Teilen von Kreisausschnitten auf.
Besonders bevorzugt weisen die Marken die Form von Teilen einer Ringkreisfläche beziehungsweise von Kreisringausschnitten auf. Die Marken bilden dabei vorteilhafterweise einen kreisförmigen Markenring im Umfangsbereich des Gebers. Zweckmäßigerweise sind die Marken voneinander durch radiale Grenzlinien getrennt, die durch den Drehpunkt des rotierenden Gebers verlaufen. Um unterschiedlich große Marken zu realisieren, weisen die Grenzlinien zueinander vorteilhafterweise unterschiedlich große Winkel auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Marken von einander durch Grenzlinien getrennt, die sich in einem Brennpunkt schneiden, der exzentrisch zum Drehpunkt des rotierenden Gebers liegt. Hierbei weisen die Grenzlinien zueinander vorteilhafterweise den selben Winkel auf. Durch die exzentrische Anordnung des Brennpunktes, in dem sich die Grenzlinien schneiden, zu dem Drehpunkt des rotierenden Gebers entstehen unterschiedlich große Marken.
In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zwei Geber auf, die unterschiedlich große und/oder unterschiedlich angeordnete Marken aufweisen. Werden beide Geber beziehungsweise die Marken beider Geber von entsprechenden Sensoren erfasst, so kann eine noch genauere Drehstellungserfassung durch Kombination der von den Sensoren erzeugten Signale erfolgen. Zu dem ist es mittels zwei Gebern möglich, dass sowohl bei dem rotierenden als auch bei dem sich linear bewegenden Bauteil die Stellung erfassten werden kann, ohne dass zunächst die Drehzahl des rotierenden Gebers beziehungsweise die Bewegungsgeschwindigkeit des sich linear bewegenden Gebers erfasst werden muss. Die beiden Geber müssen dabei so gestaltet sein, dass die jeweils gleichzeitig erfassten Marken ein bestimmtes Größenverhältnis zueinander aufweisen, welches sich bei den übrigen Marken nicht wiederholt, sodass wenn die Sensoren zwei Marken erfassen, diese anhand ihres Größenverhältnisses zueinander einer eindeutigen Lageposition beziehungsweise Winkellageposition zuordenbar sind.
Vorteilhafterweise ist einer der Geber als Referenzgeber mit gleichmäßig über den Bewegungsbereich angeordneten Marken der gleichen Größe ausgebildet. Dadurch kann zum Beispiel auf einfache Art und Weise die Drehzahl des rotierenden Bauteils beziehungsweise die Bewegungsgeschwindigkeit des sich linear bewegenden Bauteils erfasst werden.
Erfindungsgemäß können zwei oder mehr Geber von einem sich mitbewegenden Geberteil gebildet werden. Alternativ dazu ist jeweils ein einen Geber bildendes Geberteil vorgesehen, wobei die Geberteile über ein Getriebe miteinander wirkverbunden sind. Natürlich können auch zwei oder mehr Geberteile an dem rotierenden Bauteil mitrotierend, also drehfest, angeordnet sein. Entsprechend können zwei oder mehr Geberteile an dem sich linear bewegenden Geber fest angeordnet sein.
Vorteilhafterweise wird die Vorrichtung zur Drehstellungserfassung bei einem Pulsweiten-Modulations-Antrieb verwendet. Die von dem Sensor erfassten, in entsprechende Signale umgewandelten Markierungen dienen dabei zur Steuerung beziehungsweise Regelung des Pulsweiten-Modulations-Antriebs.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Magnetisierungsstempels für die Magnetisierung von rotierenden Gebern, insbesondere für eine Vorrichtung zur Drehstellungserfassung, wie sie oben beschrieben wurde, mit mehreren durch radial verlaufende Grenzlinien von einander getrennten kreisausschnittsförmigen oder kreisringausschnittsförmigen Magnetisierungsfeldern, wobei bei einer Magnetisierung der Schnittpunkt der Grenzlinien exzentrisch zum Drehpunkt des Gebers ausgerichtet wird. Dadurch wird ein Brennpunkt der sich schneidenden Grenzlinien der Marken auf dem Geber exzentrisch zum Drehpunkt des rotierenden Gebers ausgebildet, und somit unterschiedlich große Marken auf dem Geber erstellt. Diese Verwendung des Magnetisierungsstempels erlaubt eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung von unterschiedlich großen (magnetischen) Marken auf dem Geber beziehungsweise einem den Geber bildenden Drehteil zur Drehstellungserfassung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein Ausführungsbeispiel für einen Geber,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Geber,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Kodierung des Gebers,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Kodierung des Gebers,
6 eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels aus der 1,
7a bis 7c ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Drehstellungserfassung,
8 ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteinheit,
9a bis 9c ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehstellungserfassung,
10 ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
11 ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die 1 zeigt in einem schematischen Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Drehstellungserfassung eines rotierenden Bauteils. Die Vorrichtung 1 weist einen Geber 2 auf, der drehfest mit einem rotierenden Bauteil 3, dessen Drehstellung erfasst werden soll, verbunden ist. Der Geber 2 weist hier nicht dargestellte magnetische und/oder optische Marken auf, die in Abhängigkeit von ihrer Winkellageposition unterschiedliche Größen aufweisen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind lediglich magnetische Marken vorgesehen. Zwei Ausführungsbeispiele für einen derartigen Geber 2 sind in den 2 und 3 dargestellt.
Die 2 zeigt einen von einem im wesentlichen kreisringförmigen Drehteil gebildeten Geber 2', der mehrere Magnetmarken 4 aufweist die über seinen Umfangsbereich derart angeordnet sind, dass sie eine Ringskreisfläche 5 bilden. Die Magnetmarken 4 sind dabei unterschiedlich groß ausgebildet und werden voneinander durch radiale Grenzlinien 6 getrennt, die durch den Drehpunkt 7 des Gebers 2' verlaufen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Grenzlinien 6 eingezeichnet oder mit Bezugszeichen versehen. Aufgrund unterschiedlich großer Winkel zwischen benachbarten Grenzlinien 6 entstehen die unterschiedlich großen Magnetmarken 4.
Wie in 1 dargestellt, werden die Magnetmarken 4 von einem Sensor 8, der vorteilhafterweise als Hallsensor 9 ausgebildet ist, erfasst. Zusätzlich ist ein zweiter Sensor 8' vorgesehen, der ebenfalls als Hallsensor 9' ausgebildet ist und die Magnetmarken 4 erfasst. Alternativ könnte einer der Sensoren 8 oder 8' auch als optischer Sensor ausgebildet sein. Die Sensoren 8 und 8' zur Erfassung des Gebers 2, beziehungsweise 2' oder 2'', bilden dabei eine Sensorgruppe 10.
Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Geber 2 der 1. Dargestellt ist ein von einem im wesentlichen kreisringförmigen Drehteil gebildeter Geber 2'' mit unterschiedlich großen Magnetmarken 11, die von einander durch Grenzlinien 12 getrennt sind, wobei sich die Grenzlinien in einem Brennpunkt 13 schneiden, der exzentrisch zu dem Drehpunkt 14 des Gebers 2'' liegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Brennpunkt 13 lediglich in eine Richtung versetzt zu dem Drehpunkt 14 angeordnet. Natürlich ist es auch denkbar, dass der Brennpunkt 13 in zwei Richtungen verschoben zu dem Drehpunkt 14 liegt. Durch die Verschiebung des Schnittpunktes der Grenzlinien von dem Drehpunkt 14 zu dem Brennpunkt 13 werden unterschiedlich große Magnetmarkierungen 11 erzeugt, wobei der Winkel zwischen benachbarten Grenzlinien 12 jeweils gleich ist.
Ein derartiger Geber 2'' ist auf einfache Art und Weise mittels eines bekannten Magnetisierungsstempels für die Magnetisierung von rotierenden Gebern, mit mehreren kreisausschnittsförmigen oder kreisringsausschnittsförmigen Magnetisierungsfeldern herstellbar, wobei bei der Magnetisierung des Gebers 2'' der Mittelpunkt der Magnetisierungsfelder exzentrisch, nämlich entsprechend dem Brennpunkt 13, zum Drehpunkt 14 des Gebers 2'' ausgerichtet wird. Der Geber 2'' wird beispielsweise aus einem Material wie Ferrit oder Neodym-Eisen-Bor gesintert, wobei während des Sinterns bereits magnetische Felder vorausgerichtet werden können. Anschließend wird das bereits geformte Material mittels des Magnetisierstempels, wie oben beschrieben, magnetisiert. Auch kann ein in Kunststoff gebundenes magnetisches Material verwendet werden, welches auch bereits beim Herstellen der Form, durch beispielsweise Spritzen, magnetisiert werden kann.
Die in der 1 dargestellten Sensoren 8, 8' liefern jeweils ein Signal s₁ beziehungsweise s₂ mit Signalwerten entsprechend den erfassten Magneten 4 (oder 11). Die 4 zeigt beispielhaft in einem Diagramm 15 das erfasste Signal s₁ bei einer Rotation des Bauteils 3 beziehungsweise des Gebers 2 um die gemeinsame Drehachse 16 in Richtung des Pfeils 17. Das dargestellte Signal s₁ ist in sechs Winkelbereiche 20 bis 25 eingeteilt. Je nach Größe einer in einem der Winkelbereiche 20 bis 25 erfassten Magnetmarken 4 (oder 11) ist der Anteil eines hohen Signalwertes in dem entsprechenden Winkelbereich 20 bis 25 kleiner oder größer als der Anteil eines niedrigen beziehungsweise keinen Signalwerts. Der Verlauf des Signals s₁ wird also über die Aufteilung der erfassten Größe der entsprechenden Magnetmarke 4 (oder 11) auf dem Geber 2, beziehungsweise 2' oder 2'', bestimmt. Die Aufteilung wird dabei so gewählt, dass eine gewünschte Kodierung entsteht, die die Drehstellung des Bauteils 3 wiedergibt.
In der 4 ist entsprechend zu dem Signal s₁ ein daraus erzeugtes Signal c₁ dargestellt. Dieses gibt für jeden Winkelbereich 20 bis 22 und 23 bis 25 einen Wert α1 bis α3 aus, der dem Anteil an dem hohen Signalwert pro Winkelbereich 20 bis 25 entspricht. 5 zeigt dazu eine alternative Aufteilung der erfassten Magnetmarken 4 beziehungsweise 11 auf dem Geber 2 beziehungsweise 2' oder 2''. Hierbei nimmt der Anteil des hohen Signalwerts des Signals 1 über die Winkelbereiche 20 bis 25 stetig zu, wobei jeder Winkelbereich 20 bis 25 mit einem hohen Signalwert beginnt. Entsprechend ist das erzeugte Signal c₁ gestaltet und weist Werte α1 bis α6 auf, die dem Anteil an hohen Signalwert pro Winkelbereich 20 bis 25 entsprechen. Die in den 4 und 5 dargestellten Signale geben für den Fall, dass die Drehzahl des Bauteils 3 konstant ist, die Drehstellung wieder, wobei diese durch die Werte α1 bis α6 des Signals c₁ beschrieben wird. Die Erzeugung des Signals c₁ entspricht dabei einer Pulsweiten-Modulation, wobei alternativ zu dem Signal c₁ auch ein Sinus- und/oder Kosinus-Signal ausgegeben werden könnte.
Die 6 zeigt die Vorrichtung 1 aus der 1 mit einer Auswerteeinheit 30, die die Signale s₁ und s₂ auswertet. Die 7a bis 7c zeigen die in der Auswerteeinheit 30 stattfindende Auswertung beispielhaft. Die 7a zeigt das aus der 5 bekannte Diagramm mit dem erfassten Signal s₁ und dem daraus erzeugten Signal c₁. Die 7b zeigt ein von dem zweiten Sensor 8' erfasstes Signal s₂, wobei der zweite Sensor 8' andere Marken beziehungsweise Magnetmarken erfasst als der Sensor 8. Diese können beispielsweise anstatt an der Stirnseite auf der Mantelfläche des den Geber 2 bildenden Drehteils beziehungsweise Geberteils angeordnet sein, und somit einen weiteren Geber bilden. Die vom Sensor 8' erfassten Marken, in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls Magnetmarken, unterscheiden sich von denen vom Sensor 8 erfassten Magnetmarken darin, dass ihre Anzahl höher ist und sie somit den Geber 2 in kleinere Winkelbereiche unterteilen. Wie zu den 4 und 5 bereits beschrieben, wird auch hier dem hohen Signalwert eines jeden Winkelbereichs ein entsprechender Ausgabewert, dargestellt durch das Signal c₂, zugeordnet. Die Auswerteeinheit 30, die die beiden Signale c₁ und c₂ erzeugt, kombiniert diese zu einem dritten Signal c₃, dargestellt in der 7c. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Signale c₁ und c₂ zu dem Signal c₃ addiert. Die sich daraus ergebenden Werte beziehungsweise Signalwerte des Signals c₃ erlauben eine genauere Aussage über die Drehstellung des Gebers 2 (2' oder 2'') beziehungsweise des Bauteils 3. Wobei zur tatsächlichen Bestimmung der Drehstellung ein Wechsel zwischen zwei (optischen oder magnetischen) Marken des Gebers 2 und/oder die gleichzeitige Erfassung von mindestens einer vollständigen Marke jedes Gebers notwendig ist, damit die Auswerteinheit 30 die Werte der Signale s₁ und s₂ richtig deuten und die Stellung des Bauteils 3 eindeutig erfassen beziehungsweise bestimmen kann.
Alternativ dazu kann die Drehzahl des Bauteils 3 bestimmt werden, indem die vom Sensor 8' erfassten Marken die gleichen Abstände zueinander aufweisen und gleich groß ausgebildet sind, sodass sie einen Referenzgeber bilden, der beispielsweise auch zur Erfassung der Drehzahl dient. Die Auswerteeinheit kann anhand der Drehzahl das Signal der übrigen Marken entsprechend auswerten und die (Winkel-)Lageposition eindeutig bestimmen/erfassen.
Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Auswerteeinheit 30. Diese weist eine Zustandsbildungseinheit 31, eine Zustandsmesszeiteinheit 32, eine Referenzabgleicheinheit 33 und eine Positionsrecheneinheit 34 auf, wobei diese in der genannten Reihenfolge hintereinander geschaltet sind. Die Zustandsbildungseinheit 31 erhält mindestens ein Signal s₁ von einem Sensor der vorteilhaften Vorrichtung. Die Zustandsbildungseinheit 31 wandelt das Signal s₁ in den Winkelbereichen entsprechende Zustände Z₁ um und leitet diese zur Zustandsmesszeiteinheit 32, welche eine Zeitmessung t des angenommenen Zustands Z₁ vornimmt. Die Referenzabgleicheinheit 33 nimmt anhand der vorgehenden Zeitmessungen t₁ eine Winkelbestimmung β₁ vor. Die Positionsrecheneinheit 34 zählt anhand der Winkelangaben β₁ Rückschlüsse über die Drehstellung φ des Gebers 2 beziehungsweise des Bauteils 3. Die Referenzabgleicheinheit 33 erhält optional das Signal s₁ über eine Verbindung 35, um die Drehzahl des Gebers 2 zu bestimmen, und somit den gemessenen Zuständen Z₁ und Zeitwerten t₁ den entsprechenden Winkel β₁ zuzuordnen. Die Zustandsbildungseinheit 31 kann zusätzlich noch weitere Signale s_p von entsprechenden Sensoren erhalten und diese, wie oben beschrieben, auswerten. Wobei eines der Signals s_p dem oben beschriebenen Referenzsignal zur Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl entsprechen kann und p die Anzahl der Signale bezeichnet.
Die 9a bis 9c stellen beispielhaft dar, wie die Drehstellung mittels eines Gebers 2, beziehungsweise 2' oder 2'', und zwei die Magnetmarken 4 beziehungsweise 11 des Gebers 2' beziehungsweise 2'' erfassenden Sensoren 8 und 8'. Die 9a zeigt die von den Sensoren 8 und 8' erfassten Größen s₁ und s₂. Da die Sensoren 8 und 8' versetzt zueinander angeordnet sind und die gleichen Magnetmarken 4 beziehungsweise 11 erfassen, erzeugen sie zeitversetzt die gleichen Signalwerte, vorausgesetzt, dass sich das Bauteil 3 mit konstanter Geschwindigkeit dreht.
Die 9b zeigt die von der Auswerteeinheit 30 beziehungsweise der Zustandsbildungseinheit 31 jeweils erzeugten Zustände, die sich aus der Kombination der Größen s₁ und s₂ ergeben. Mittels der Angabe der Durchlaufzeit beziehungsweise Zeitmessungen (t₁ und t₃) der Zustände Z₁ und Z₃ (diese können nur zwei fixe Winkelbreiten haben) kann die Drehzahl des Bauteils 3 bestimmt werden. Über die zwei restlichen Zeiten t₀ und t₂ können die Winkelbereiche β₀ und β₂ bestimmt werden und damit auf die Drehstellung des Bauteils 3 zurück geschlossen werden (9c).
Die 10 und 11 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehstellungserfassung des Bauteils 3. Die 10 zeigt das Bauteil 3, auf dem zwei Geber 40 und 41 angeordnet sind, wobei die Geber 40 und 41 drehfest mit dem Bauteil 3 verbunden sind. Jedem der Geber 40 beziehungsweise 41 sind zwei Sensoren 42, 44 beziehungsweise 43, 45 zugeordnet, die am Umfangsbereich der Geber 40 und 41 angeordnete Marken, wie sie oben beschrieben wurden, erfassen und die erfassten Größen an eine Auswerteeinheit 46 weiterleiten.
Die 11 zeigt die Vorrichtung aus der 10 mit dem Unterschied, dass die Geber 40 und 41, beziehungsweise die die Geber 40 und 41 bildende Geberteile, über ein Getriebe 47 miteinander verbunden sind. Dabei kann das Getriebe 47 beispielsweise als Über- oder Untersetzungsgetriebe ausgebildet sein. Die Auswerteeinheit 46 bestimmt, wie oben beschrieben, bei beiden Varianten (10 und 11) die Drehstellung.
Die oben beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung können entsprechend auch für ein sich linear bewegendes Bauteil realisiert werden, wobei ein sich mitbewegender Geber über seinen Bewegungsbereich, der in diesem Fall vorteilhafterweise der Längserstreckung des Gebers entspricht, in Bewegungsrichtung aufeinander folgende Marken mit unterschiedlicher Größe aufweist. Ebenso können auf dem den Geber bildenden Geberteil weitere, einen zweiten Geber bildende Marken angeordnet sein, die eine eindeutige Stellungserfassung des sich linear mitbewegenden Gebers ermöglichen, insbesondere entsprechend zu dem zu 7a bis 7c dargestellten Auswertungsbeispiel.

Claims

Vorrichtung zur Stellungserfassung eines sich bewegenden Bauteils, mit mindestens einem mit dem Bauteil mitbewegenden Geber, der mit mindestens einem die Stellung des Gebers erfassenden Sensor berührungslos zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (2, 2', 2'', 40, 41) über seinen Bewegungsbereich vom Sensor (8, 8') erfassbare Marken aufweist, die in Abhängigkeit von ihrer Lageposition unterschiedliche Größen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein sich linear bewegendes Bauteil ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) ein rotierendes Bauteil (3) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsbereich des Gebers (2, 2', 2'', 40, 41) sein Umfangsbereich ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marken Magnetmarken (4, 11) und/oder optische Marken sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8, 8') ein Hallsensor (9, 9') und/oder ein optischer Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Marken an einer Mantelfläche und/oder einer Stirnfläche eines den Geber (2, 2', 2'', 40, 41) bildenden Drehteils befinden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marken die Form von Kreisausschnitten oder Teilen von Kreisausschnitten aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marken die Form von Teilen einer Ringkreisfläche (5) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marken voneinander durch radiale Grenzlinien (6) getrennt sind, die durch den Drehpunkt (7) des rotierenden Gebers (2') verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marken voneinander durch Grenzlinien (12) getrennt sind, die sich in einem Brennpunkt (13) schneiden, der exzentrisch zum Drehpunkt (14) des rotierenden Gebers (2'') liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Geber (2, 2', 2'', 40, 41) vorgesehen sind, die unterschiedliche Marken aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Geber (2, 2', 2'', 40, 41) als Referenzgeber mit gleichmäßig über dem Bewegungsbereich angeordneten, gleich großen Marken ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geber (40, 41) drehfest oder über ein Getriebe (47) miteinander wirkverbunden sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einem Pulsweiten-Modulations-Antrieb.
Verwendung eines Magnetisierungsstempels für die Magnetisierung von rotierenden Gebern, insbesondere für eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, mit mehreren durch radial verlaufende Grenzlinien voneinander getrennten kreisausschnittsförmigen oder kreisringausschnittsförmigen Magnetisierungsfeldern, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Magnetisierung der Schnittpunkt der Grenzlinien exzentrisch zum Drehpunkt (14) des Gebers (2'') ausgerichtet wird.