DE102011116910A1

DE102011116910A1 - Vorrichtung zur Erfassung von Drehwinkeln einer Welle größer als 360°

Info

Publication number: DE102011116910A1
Application number: DE102011116910A
Authority: DE
Inventors: Peter Borst; Sven Sauter
Original assignee: BO INNO GmbH; BO-INNO GmbH
Current assignee: BO INNO GmbH; BO-INNO GmbH
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition einer Welle (13) mit einem Magneten (14), der bei Drehung der Welle (13) ebenfalls seine Winkelposition verändert, indem er auf einem mit einem Gewinde (25) versehenen Drehelement (15) angeordnet ist, das bei Drehung der Welle (13) ebenfalls eine Drehung erfährt, wobei sowohl die Winkelposition des Magneten (14) als auch dessen axiale Position von mindestens einem Hall-Sensor (16) erfassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle mit einem Magneten, der bei Drehung der Welle ebenfalls seine Winkelposition verändert, und mit einem Hall-Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Magneten.
Solche Sensorvorrichtungen zur Erfassung der Winkelposition einer Welle, beispielsweise der Welle eines Stellmotors oder Potentiometers, sind bereits bekannt. Der Magnet wird bei diesen Vorrichtungen auf dem Wellenende und koaxial zur Welle befestigt. Anschließend wird das Wellenende mit Magnet in ein Lager eines Sensorgehäuses eingesetzt, in dem der Hall-Sensor sowie in der Regel auch die Auswerteelektronik angeordnet sind.
Die bisher bekannten Sensorvorrichtungen haben den Nachteil, dass keine Messung von Winkeln > 360° möglich ist. Außerdem liefert bei einem leicht schrägen Einsetzen der Welle mit dem Magneten in die Lagerbuchse des Gehäuses der Hall-Sensor fehlerhafte Signale. Darüber hinaus ist die Auflösung der Sensorvorrichtung insbesondere bei Wellen mit kleinem Durchmesser relativ gering.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung auch von Drehwinkeln > 360° bereitzustellen, die außerdem weniger empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen ist und zudem eine höhere Auflösung aufweist als die bisher bekannten Vorrichtungen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle, mit einem Magneten, der bei Drehung der Welle ebenfalls seine Winkelposition verändert, und mit mindestens einem Hall-Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Magneten, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnet auf einem Drehelement angeordnet ist, das bei Drehung der Welle ebenfalls eine Drehung erfährt, wobei das Drehelement mit einem Gewinde versehen ist und in oder auf einer Gewindeführung sitzt und wobei der mindestens eine Hall-Sensor auch den Abstand zwischen ihm und dem Magneten erfasst.
Dadurch, dass der Magnet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr auf der Welle sondern auf einem separaten, mit einem Gewinde versehenen Drehelement angeordnet ist, können auch Drehwinkel der Welle > 360° erfasst werden. Der Magnet ändert nicht nur seine Winkelposition sondern auch seine axiale Position, wenn sich die Welle um mehr als 360° dreht. Sowohl die Winkelposition als auch die axiale Position des Magneten können von einem oder mehreren Hall-Sensoren erfasst werden, da sich die Signale der Sensoren auch bei einer Abstandsänderung zwischen ihnen und dem Magneten verändern. Die separate Anordnung von Magnet und Welle hat außerdem den Vorteil, dass ein leicht schräges Einsetzen der Welle dann keinen Einfluss auf die Relativposition von Magnet und Hall-Sensor hat und somit die Messgenauigkeit nicht beeinflusst.
Zur Übertragung der Drehbewegung der Welle auf das Drehelement mit dem Magneten gibt es verschiedene denkbare Ausführungsmöglichkeiten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Drehelement mit dem Magneten über ein Außengewinde in einem Gehäuse gelagert, wobei durch eine Federvorspannung das Spiel innerhalb des Außengewindes eliminiert wird. In dieses Drehelement ragt das Antriebselement, welches über ein Federspannelement vorgespannt ist. Die Übertragung der Drehung der Welle erfolgt über einen Kraftschluss zwischen Antriebs- und Drehelement.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Hall-Sensor in einem Gehäuse durch einen Luftspalt beabstandet zum Magneten angeordnet ist. Das Gehäuse schirmt die Magnet-Hall-Sensor-Anordnung nach außen ab und vermeidet somit Störeinflüsse auf das Messergebnis.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Vorrichtung aus 1;
3 ein Diagramm der Spannung am Hall-Sensor der Vorrichtung aus 1.
Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ein Gehäuse 11 auf, in dem eine Welle 13 gelagert ist. Mit der Vorrichtung 10 soll die Winkelposition der Welle 13 erfasst werden. Dazu ist im Inneren des Gehäuses 11 ein Permanentmagnet 14 auf einem Drehelement 15 drehbar angeordnet. Das Drehelement 15 ist mit einem Außengewinde 25 versehen (2), das in einer Gewindeführung 26 des Gehäuses 11 eingesetzt ist. Die Drehachse des Drehelements 15 ist koaxial zur Welle 13 ausgerichtet. Dem Magneten gegenüberliegend ist ein Hall-Sensor 16 vorgesehen, der auf einer Platine 19 befestigt ist. Zwischen dem Magneten 14 und dem Hall-Sensor 16 ist ein Luftspalt 18 vorhanden, dessen Größe davon abhängt, wie weit das Außengewinde 25 das Drehelement 15 in die Gewindeführung 26 ein- oder aus dieser herausgedreht ist. Die Größe des Luftspalts 18 wird vom Hall-Sensor 16 erfasst.
Die Winkelposition der in das Gehäuse 11 eingesetzten Welle 13 wird über ein Antriebselement 20 auf das Drehelement 15 übertragen. Wie insbesondere auch 2 zeigt, ist das Antriebselement 20 eine Kugel, die von einer Feder 21 in eine Ausnehmung des Drehelements 15 gedrückt wird.
Die Übertragung der Drehbewegung der Welle 13 auf das Drehelement 15 erfolgt somit über einen Kraftschluss.
Erfährt die Welle eine Drehung um mehr als 360°, so wird das Außengewinde 25 des Drehelements 15 weiter in die Gewindeführung 26 ein- oder aus dieser herausgedreht. Das Spiel zwischen Außengewinde 25 und Gewindeführung 26 wird durch eine hier nicht näher dargestellte Federvorspannung eliminiert. Entsprechend der Position des Drehelements 15 verändert sich die Breite des Luftspalts 18. Die Veränderung der Breite des Luftspalts 18 wird ebenso wie die Winkelposition des Magneten 14 vom Hall-Sensor 16 erfasst, sodass auch Winkeldrehungen der Welle 13 von mehr als 360° präzise gemessen werden können.
Wie 3 verdeutlicht, setzt sich die am Hall-Sensor 16 erzeugte Spannung u_B aus zwei Komponenten zusammen. Bewegt sich die Welle 13 in Pfeilrichtung s (1) durch Bewegung des Drehelements 15 im Gewindeabschnitt 26 auf den Hall-Sensor 16 zu, so entsteht am Hall-Sensor 16 ein linear ansteigender Spannungsanteil 30. Da bei der Bewegung der Welle in Pfeilrichtung s die Welle 13 und damit auch der Magnet 14 gleichzeitig um ihre Längsachse rotieren, entsteht am Hall-Sensor 16 ein weiterer Spannungsanteil 31, der sägezahnförmig verläuft. Sobald die Welle eine Drehung um 360° ausgeführt hat, fällt dieser Spannungsanteil 31 auf 0 ab, um danach wieder linear anzusteigen, bis die nächste vollständige Umdrehung erreicht ist. Für die Auswertung des Winkels ist dabei die Position Nord-Süd des Magnetfelds entscheidend, die vom Hall-Sensor 16 ausgewertet wird.
Es versteht sich, dass selbstverständlich auch mehrere Hall-Sensoren, insbesondere zwei Hall-Sensoren vorgesehen sein können. Ein Hall-Sensor kann eingesetzt werden, um die Größe des Luftspalts zu messen, der andere um die Winkelposition zu erfassen.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle (13) mit einem Magneten (14), der bei Drehung der Welle (13) ebenfalls seine Winkelposition verändert, und mit mindestens einem Hall-Sensor (16) zur Erfassung der Winkelposition des Magneten (14) auf einem Drehelement (15) angeordnet ist, das bei Drehung der Welle (13) ebenfalls eine Drehung erfährt, wobei das Drehelement (15) mit einem Gewinde (25) versehen ist und in oder auf einer Gewindeführung (26) sitzt und wobei der mindestens eine Hall-Sensor (16) auch den Abstand zwischen ihm und dem Magneten (14) erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des Drehelements (15) parallel zur Welle (13) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (16) in einem Gehäuse (11) durch einen Luftspalt (18) beabstandet zum Magneten (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (16) auf einer Platine (19) angeordnet ist, die zumindest im Wesentlichen parallel zum Drehelement (15) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (13) durch Kraftschluss drehfest mit dem Drehelement (15) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (13) über ein federvorgespanntes Antriebselement (20) kraftschlüssig mit dem Drehelement (15) verbindbar ist.