DE10259756A1 - Sensorbestückte Lagerbaugruppe und Motor, in dem sie zum Einsatz kommt - Google Patents

Sensorbestückte Lagerbaugruppe und Motor, in dem sie zum Einsatz kommt Download PDF

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Takashi Iwata Koike
Tomomi Iwata Ishikawa
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Abstract

Zum Minimieren einer Veränderung der relativen Einschaltdauer eines Ausgangssignals, verursacht durch einen Streufluß und um einen Sensorausgang zu erhalten, der auch in einer Benutzungsumgebung mit starken Streuflüssen stabil ist, beinhaltet eine sensorbestückte Lagerbaugruppe 31 ein rotierbares Laufringglied 32, das einen zu erfassenden Teil 1 umfaßt mit einer Magnetcharakteristik, in der N- und S-Magnetpole abwechselnd angeordnet sind. In einem Baulängenverhältnis mit diesem zu erfassenden Teil 1 wird ein magnetisch zu erfassender Teil 2 an einem stationären Laufringglied 33 befestigt. Der magnetisch zu erfassende Teil 2 besteht aus Magnetsensoren, die in einer Umfangsrichtung der Laufringglieder 32, 33 angeordnet sind und deren jedes in der Lage ist, einen analogen Ausgang zu liefern. Ein einen Differenzausgang generierendes Mittel 7 ist vorgesehen zum Bearbeiten eines Differenzausgangs der anliegenden zwei Magnetsensoren 2a und 2b als ein Codiersignal für eine Phase.

Description

  • DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • (Gebiet der Erfindung)
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine sensorbestückte Lagerbaugruppe mit einem eingebauten Drehzahlsensor, und genauer gesagt, die sensorbestückte Lagerbaugruppe, die in einem Magnetfeld oder in der Nähe eines Magnetfelds einer relativ hohen Stärke benutzt wird, wie es in einem Allzweck-Elektromotor erzeugt wird.
  • (Beschreibung des Standes der Technik)
  • Die sensorbestückte Lagerbaugruppe ist im Fachbereich wohlbekannt. Beispielhaft wird die herkömmliche sensorbestückte Lagerbaugruppe 51 in 8 dargestellt, und umfaßt einen Innenlaufring 52, einen Außenlaufring 53, der den Innenlaufring 52 mit einem ringförmigen, zwischen ihm und dem Innenlaufring 52 definierten Lagerzwischenraum umgibt, und eine Reihe Rollerelemente 54, die in einem Halter oder Rollenkäfig 55 gehalten werden, der zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring 52 und 53 innerhalb des ringförmigen Lagerzwischenraums angeordnet ist. Ein ringförmiger Codierer 56 ist an einem, dem Innen- oder dem Außenlaufring, 52 bzw. 53, befestigt, zum Beispiel am Innenlaufring 52, der rotierbar ist, und ein magnetischer Sensor 57, der ein Hall-Element oder dergl. sein kann, ist an dem anderen, dem Innen- bzw. Außenlaufring 52 bzw. 53 befestigt, z.B. am Außenlaufring 53, der stationär im Baulängenverhältnis mit dem ringförmigen Codierer 56 ist. Der magnetische Codierer 56 hat die Form eines Gummimagneten mit darin einmagnetisierten N- und S-Polen, die sich in Umfangsrichtung abwechseln. Dieser Magnetsensor 57 wird in einem Harzgehäuse 58 untergebracht und dann harzgeformt. Die Befestigung dieses Magnetsensors 57 am Außenlaufring 53 erfolgt durch starres Befestigen des Harzgehäuses 58 mit dem darin befindlichen Magnetsensor 57 am Außenlaufring 53 durch ein Metallgehäuse 59.
  • Gemäß der herkömmlichen sensorbestückten Lagerbaugruppe der oben besprochenen Struktur erfaßt der Magnetsensor 57, wenn der Innenlaufring 52 relativ zum Außenlaufring 53 rotiert, den Polaritätswechsel des magnetischen Codierers 56, der zusammen mit dem Innenlaufring 52 rotiert und dann ein erfaßtes Ausgangssignal in der Form eines Impulszuges ausgibt wie in 9 gezeigt wird. Das vom Magnetsensor 57 ausgegebene Impulssignal liefert einen Hinweis nicht nur auf die Anzahl der Umdrehungen des Innenlaufrings 52, sondern auch der Drehrichtung des Innenlaufrings 52 gegenüber dem Außenlaufring 53. Die sensorbestückte Lagerbaugruppe des oben angezogenen Typs ist kompakt in Größe und robust, und erfordert keine komplizierte Justierung beim Zusammenbau und wird entsprechend in verschiedenen Elektromotoren zum Halten einer Antriebswelle weitgehend genutzt.
  • Die oben besprochene, herkömmliche, sensorbestückte Lagerbaugruppe wird z.B. in der Japanischen Offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2002-174258 geoffenbart.
  • Es hat sich jedoch des öfteren herausgestellt, wenn die sensorbestückte Lagerbaugruppe der in 8 gezeigten Struktur in den magnetischen Kreis einer Magnetspule oder eines Magneten gelegt wird, der in der Lage ist, ein Magnetfeld einer relativ hohen Stärke zu erzeugen, tendiert die sensorbestückte Lagerbaugruppe 51 unter dem Einfluß von Streuflüssen, die sich aus einem externen Magnetfeld ergeben, zu falschen Ausgaben.
  • Beispielhaft wird jetzt anhand der 10 die Situation besprochen, in der die sensorbestückte Lagerbaugruppe in einem Elektromotor zum rotierbaren Halten der Antriebswelle 62 eingebaut ist. In diesem dargestellten Beispiel wird ein Rotor 61, montiert auf der Antriebswelle 62 zur Rotation zusammen mit ihr, durch ein Gehäuse 63 drehend gehalten mittels einer vorderen Lagerbaugruppe 64 und einer hinteren Lagerbaugruppe 65, dargestellt durch die sensorbestückte Lagerbaugruppe. Der Stator 60 ist am Gehäuse 63 befestigt, so daß er den Rotor 61 umgibt. Wenn in dieser Struktur an den Stator 60 ein starker elektrischer Strom gelegt wird, kann der magnetische Fluß nicht vernachlässigt werden, und wie durch den Pfeil in 10 gezeigt wird, entsteht eine magnetische Schleife, die sich vom Stator 60 durch den Rotor 61, dann durch die Antriebswelle 62, durch den Innenlaufring 52, durch den Außenlaufring 53 und schließlich durch das Gehäuse 63 zurück zum Stator 60 erstreckt. Selbstverständlich, wenn der elektrische Strom in der umgekehrten Richtung fließt als oben beschrieben ist, dann kehrt auch die magnetische Schleife ihre Richtung entsprechend um.
  • Wenn jetzt, da abgesehen von dem Rollenelement 54 und dem Käfig 55 der ringförmige Lagerzwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring 52 und 53 vorwiegend von nichtmagnetischen Elementen besetzt ist und einen starken magnetischen Widerstand aufweist, tendieren einige Magnetflüsse dazu, zu streuen, und die sich ergebenden Streuflüsse beeinflussen den magnetischen Sensor 57 nachteilig.
  • Für den Magnetsensor 57 wird allgemein eine Kombination eines Hall-Elements, ein Hall-IC (integrierter Schaltkreis), gebaut aus einem integrierten Schaltkreis zum Umwandeln eines Ausgangssignals aus dem Hall-Element in ein digitales Signal, und ein MR-Element (MR – magnetic resistance element – magnetisches Widerstandselement) allgemein verwendet. 11 dargestellt eine beispielhafte Innenstruktur eines Hall-IC, der ein Hall-Element 71 zum Erfassen eines Magnetfelds, einen Verstärkerschaltkreis 72, einen Schmitt-Trigger-Schaltkreis 73 und einen Ausgangstransistor 74 beinhaltet. Der Hall-IC ist in zwei Typen erhältlich, einem Schaltertyp, der in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfelds ein- und ausschaltet, und vom alternierender Magnetfeldtyp, der ein- und ausschaltet, wenn die S- und N-Pole des Magneten abwechselnd angelegt werden. Hier nachstehend werden unerwünschte Einflüsse, die durch die Streuflüsse auf der sensorbestückten Lagerbaugruppe erzeugt werden, unter Bezugnahme auf das Beispiel diskutiert, in dem der in 11 gezeigte Hall-IC angewandt wird.
  • Wenn kein Streufluß existiert, wie in 12 gezeigt, wird ein alternierendes Magnetfeld an den Hall-IC des magnetischen Sensors 57 gelegt, wenn der magnetische Codierer 56, gezeigt in 8, rotiert. Ein dabei vom Hall-IC ausgegebenes Analogsignal wird jedesmal wenn der analoge Ausgang einen Schwellenwert überschreitet, in ein Impulssignal mit alternierenden EIN- und AUS-Zuständen umgewandelt, wobei das Impulssignal eine relative Einschaltdauer (Tp/Tn) von etwa 50% hat.
  • Wenn die Streuflüsse extern wirken, wie in 13A gezeigt wird, weicht das an den Hall-IC des Magnetsensors 57 gelegte alternierende Magnetfeld nach oben oder nach unten ab, in Abhängigkeit von der Richtung, in der die Streuflüsse wirken. Aus diesem Grund hat der Ausgang vom Hall-IC des magnetischen Sensors 57 eine veränderliche relative Einschaltdauer, wie in den 13B und 13C dargestellt wird. Auch nimmt die Größe der Abweichung mit der Zunahme der Streuflüsse zu und kann zu einem Ausfall eines oder mehrerer der Ausgangsimpulse und/oder einem Ausfall des Hall-IC führen, das Ausgangssignal zu erzeugen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Angesichts der obigen Ausführungen wird mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, eine sensorbestückte Lagerbaugruppe vorzusehen, in der Störechos im Ausgang des magnetischen Codierers, die sich aus den Einwirkungen durch den Streufluß durch den magnetischen Sensor hervorgerufen werden, minimiert werden können, um einen stabilisierten Sensorausgang vorzusehen.
  • Eine weitere bedeutsame Aufgabe der vorliegende Erfindung ist, einen Elektromotor bereitzustellen, bei dem die Drehzahl ganz genau erfaßt werden kann, ungeachtet der Auswirkungen der Magnetflüsse, die zum Antrieb des Motors benutzt werden.
  • Um diese Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird die Erfindung auf eine sensorbestückte Lagerbaugruppe angewandt, die umfaßt: Innen- und Außenlaufringe bzw. Laufringglieder, wobei der Innenlaufring jeweils innerhalb des Außenlaufrings angeordnet ist, mit einem dazwischen definierten ringförmigen Lagerzwischenraum, mindestens eine Reihe von Rollerelementen, die rollend in dem ringförmigen Lagerzwischenraum aufgenommen sind während sie zwischen dem Innen- und dem Außenlaufring angeordnet sind, sowie einen Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl eines drehenden Elements.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Drehzahlsensor einen zu erfassenden Teil, der auf einem, dem Innen- oder dem Außenlaufringglied montiert ist, das rotierbar ist und ein solches magnetisches Merkmal aufweist, daß N- und S-Pole in Umfangsrichtung der Laufringglieder abwechselnd magnetisiert sind, und einen magnetischen Erfassungsteil, der auf dem anderen, dem Innen- oder dem Außenlaufringglied, das stationär ist, im Baulängenverhältnis mit dem zu erfassenden Teil montiert ist. Der magnetische Erfassungsteil beinhaltet eine Vielzahl magnetischer Sensoren, die in der Lage sind, ein analoges Signal auszugeben, und die in einer Umfangsrichtung des Magneterfassungsteils angeordnet sind. Ein Mittel zum Generieren eines Differenzausgangs zum Bearbeiten eines Differenzausgangs von zwei Magnetsensoren als Codiersignal für eine Phase ist vorgesehen.
  • Das oben angezogene Codiersignal kann ein Impulssignal mit einer beispielsweise rechteckigen Wellenform sein. Die Magnetsensoren werden vorzugsweise paarweise benutzt und sind beabstandet, jedoch im anliegenden Verhältnis zueinander angeordnet. Es ist jedoch anzumerken, daß die Anzahl der Magnetsensorpaare, die in der Praxis benutzt werden können, sich nicht auf ein Paar beschränken darf, sonder zwei oder mehr Paare angewandt werden müssen, und auf jeden Fall wird das differenzausgangsgenerierende Mittel zum Bearbeiten des Differenzausgangs auf jeden der eingesetzten Magnetsensoren angewandt.
  • Da gemäß der vorliegenden Erfindung das Mittel zum Generieren des Differenzausgangs zum Bearbeiten des Differenzausgangs der zwei Magnetsensoren als Codiersignal für eine Phase angewandt wird, lassen sich die Störungen durch die Streuflüsse auf das Codiersignal, das ein Ausgangssignal vom Differenzausgangs-Generierungsmittel ist, bequem minimieren, sogar wenn die Streuflüsse die Magnetsensoren ungünstig beeinflussen. Beispielsweise ist es möglich, jede unerwünschte Veränderung der relativen Einschaltdauer des Codiersignals zu unterdrücken, um auf diese Weise einen etwaigen falschen Betrieb zu vermeiden. Aus diesem Grund läßt sich der Sensorausgang stabil erhalten, auch wenn die Magnetsensoren in einer Umgebung benutzt werden, in der sich der externe Streufluß darauf auswirkt.
  • Vorzugsweise können die zwei Magnetsensoren, die den Differenzausgang erzeugen, so angeordnet werden, daß sie um eine Magnetphasendifferenz von etwa 180° voneinander beabstandet sind im Hinblick auf eine sich laufend wiederholende Magnetphase des zu erfassenden Teils, in dem sich N- und S-Pole abwechseln. Wo die zwei Magnetsensoren so angeordnet sind, daß sie um eine Magnetphasendifferenz von etwa 180° im Hinblick auf die sich wiederholende Magnetphase des zu erfassenden Teils, in dem die N- und S-Pole miteinander abwechseln, beabstandet sind, kann die Amplitude des Differenzausgangs im wesentlichen doppelt verstärkt werden, auch wenn die Zunahme des Differenzausgangs-Generierungsmittel 1 ist, und dementsprechend ist es möglich, daß die Empfindlichkeit so weit zunehmen kann, daß jede durch die Streuflüsse erzeugte abträgliche Störung minimiert wird. Es muß darauf aufmerksam gemacht werden, daß die oben angezogene Phasendifferenz von etwa 180° die Phasendifferenz im sich wiederholenden Zyklus innerhalb einer Einheit von 360° ist und durch die Differenz repräsentiert wird, die ungerader Wert erhalten wird, wenn sie durch 360° geteilt wird, für den Fall beispielsweise, daß die Phasendifferenz über 360° ansteigt, z.B. auf 540°.
  • Ebenso können vorzugsweise die zwei Magnetsensoren, die den Differenzausgang bilden, so angeordnet werden, daß sie 90° in Umfangsrichtung des stationären Laufringglieds voneinander beabstandet sind.
  • Wenn die zwei Magnetsensoren in einem Winkel über 90° beabstandet sind, wird die Richtung, in der die Streuflüsse durch die Magnetsensoren fließen, für jeden der Magnetsensoren anders sein, und dementsprechend wird sich die Richtung, in der ein Ausgang jeweils von den Magnetsensoren abweicht, umkehren. Aus diesem Grund kann die Abweichung nicht vollständig eliminiert werden, auch wenn ein Unterschied zwischen den entsprechenden Ausgängen der Magnetsensoren entzogen wird, und daher kann es zur Änderung der relativen Einschaltdauer des Codiersignals kommen. Dementsprechend wird die Beabstandung der Magnetsensoren innerhalb 90° bevorzugt.
  • Zusätzlich hat jeder der Magnetsensoren, die in dem magnetischen Erfassungsteil benutzt werden, vorzugsweise eine hinreichend geringe Empfindlichkeit, um eine Ausgangssättigung zu vermeiden, auch wenn ein externes Magnetfeld in einer Anwendungsumgebung der sensorbestückten Lagerbaugruppe darauf wirkt. Mit anderen Worten, jeder der Magnetsensoren, die in der sensorbestückten Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung benutzt werden, ist vorzugsweise von einem Typ, der eine hinreichend geringe Empfindlichkeit aufweist, um eine Ausgangssättigung zu vermeiden, auch wenn ein externer Magnetfluß in der Anwendungsumgebung der sensorbestückten Lagerbaugruppe tätig wird.
  • In der Umgebung in der die Streuflüsse, die auf die Magnetsensoren einwirken, übermäßig sind, ist die Größe der Abweichung der entsprechenden Ausgänge der Magnetsensoren beträchtlich genug, um eine gesättigte Bedingung anzunehmen. In einem solchen Fall wird die Wellenform jedes der Sensorausgänge deformiert, begleitet von einer Veränderung der relativen Einschaltdauer, im schlechtesten Fall kann es passieren, daß einer oder mehrere der Impulse ausfallen. Wenn also die sensorbestückte Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung in einer solchen, mit reichlich Streuflüssen versehenen Umgebung benutzt wird, muß die Empfindlichkeit jedes der Magnetsensoren verringert werden, und damit ist es möglich, die Sättigung zu unterdrücken.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jeder der Magnetsensoren, die den Differenzausgang ergeben, aus einem Hall-Element bestehen, in welchem Fall ein Justiermittel für eine Ausgangsbezugsspannung zum Steuern einer elektrischen Quellenspannung für eines der Hall-Elemente gegenüber einer Bezugsspannung benutzt wird, die an einem Ausgangszwischenpunkt der anderen Hall-Elemente definiert wird, so daß ein Ausgangszwischenpunkt dieses einen der Hall-Elemente die im wesentlichen gleiche Spannung wie die Bezugsspannung erlangt.
  • Wenn für jeden der Magnetsensoren das Hall-Element eingesetzt wird, wird etwa die Hälfte der Stromquellenspannung, die an das Hall-Element angelegt wird, eine Ausgangsbezugsspannung sein. Dieser Wert kann sich von einem Element zum nächsten verändern, und auch der charakteristische Wert, wie z.B. die Empfindlichkeit desselben, ändert sich von einem Element zum nächsten, und dementsprechend kann es vorkommen, daß die Abweichung, die von den Streuflüssen bewirkt wird, nicht ganz eliminiert werden kann, auch wenn ein Unterschied zwischen den entsprechenden Ausgängen dieser Hall-Elemente entzogen wird. Zwar kann nicht die Charakteristik jeden Hall-Elements korrigiert werden, jedoch kann die Abweichung unterdrückt werden, wenn die Ausgangsbezugsspannung justiert wird, und somit ist es möglich, die Veränderung der relativen Einschaltdauer zu minimieren.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auch ein Elektromotor einschließlich eines Gehäuses, eines an dem Gehäuse befestigten Stators, einer Antriebswelle und eines Rotors vorgesehen, der auf der Antriebswelle zur gemeinsamen Rotation mit dieser und in Baulängenanordnung mit dem Stator befestigt ist. Dieser Elektromotor beinhaltet auch die sensorbestückte Lagerbaugruppe der oben diskutierten Struktur zum rotierenden Halten der Antriebswelle an dem Gehäuse.
  • Die sensorbestückte Lagerbaugruppe, die zum rotierbaren Halten der Motorantriebswelle benutzt wird, wird oft in Umgebungen eingesetzt, die starke Streuflüsse aufweisen. Jedoch ist die Anwendung der sensorbestückten Lagerbaugruppe der vorliegende Erfindung im Elektromotor zum Halten der Motorantriebswelle effektiv robust gegen schädliche Einwirkung durch die Streuflüsse in der Umgebung deren Benutzung, und somit läßt sich ein stabiler Codierausgang erzielen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Auf jeden Fall wird die vorliegende Erfindung leichter verständlich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen derselben anhand der begleitenden Zeichnungen. Jedoch sind Ausführungsformen und Zeichnungen ausschließlich für Anschaulichkeitszwecke und zur Erklärung gegeben und gelten nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung, dieser Umfang wird ausschließlich durch die zugehörigen Ansprüche bestimmt. In den beiliegenden Zeichnungen werden gleiche Bezugszahlen für jeweils gleiche Teile in allen Darstellungen benutzt.
  • 1A ist eine Längsteilschnitt-Ansicht, die einen bedeutsamen Teil einer sensorbestückten Lagerbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1B ist ein Schaltbild, das eine Vorplanung eines magnetischen Codierers und eines Magnetsensors zeigt, der in der sensorbestückten Lagerbaugruppe gemäß 1A eingesetzt wird;
  • 2A bis 2D sind Diagramme, die Wellenformen von Ausgangssignalen zeigen, die von elektrischen Bauteilen des in der sensorbestückten Lagerbaugruppe eingesetzten Rotationssensors entsprechend ausgegeben werden;
  • 3 ist ein Schaltplan, der eine modifizierte Form einer Ausgangsbearbeitungsschaltung des Magnetsensors zeigt, der in der sensorbestückten Lagerbaugruppe eingesetzt ist;
  • 4 ist ein Schaltplan, der eine weitere modifizierte Form der Ausgangsbearbeitungsschaltung des Magnetsensors zeigt, der in der sensorbestückten Lagerbaugruppe eingesetzt ist;
  • 5 ist eine Endansicht der sensorbestückten Lagerbaugruppe, die die Zusammenhänge zwischen den Elementen zeigt, die den Magnetsensor bilden;
  • 6 ist ein Schaltplan, der die Ausgangsbearbeitungsschaltung des Magnetsensors, einschließlich eines Mittels zum Justieren der Ausgangsbezugsspannung zeigt;
  • 7 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Elektromotors, der die sensorbestückte Lagerbaugruppe der vorliegenden Erfindung einsetzt;
  • 8 ist eine Längsschnittansicht der herkömmlichen sensorbestückten Lagerbaugruppe;
  • 9 ist ein Diagramm, das einen Ausgang von der herkömmlichen sensorbestückten Lagerbaugruppe zeigt;
  • 10 ist eine schematische Längsschnittansicht des Elektromotors, der die herkömmliche sensorbestückte Lagerbaugruppe einsetzt;
  • 11 ist ein Schaltplan, der den Hall-IC in der herkömmlichen sensorbestückten Lagerbaugruppe einsetzt;
  • 12 ist ein Diagramm, das einen Ausgang vom Hall-IC gemäß 11 zeigt; und
  • 13A bis 13C sind Diagramme, die entsprechend die Wellenformen der Ausgangssignale vom Hall-IC zeigen, wenn ein externes Magnetfeld auf sie einwirkt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Jetzt wird eine sensorbestückte Lagerbaugruppe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Die sensorbestückte Lagerbaugruppe, im allgemeinen mit 31 bezeichnet, hat die Form einer Rollenlagerbaugruppe 30, die zwei Laufringglieder 32 und 33, die innere und äußere Laufringe definieren, mit einem ringförmigen Lagerzwischenraum, der zwischen diesen Laufringgliedern 32 und 33 definiert ist, und mindestens eine Reihe von Rollenelementen, die rollend innerhalb des ringförmigen Lagerzwischenraums aufgenommen werden, beinhaltet, wobei diese zwischen die Laufringglieder 32 und 33 gelegt sind. Die Rollenlagerbaugruppe 30 beinhaltet auch eine Rotationssensor-Teilbaugruppe 40, die darin zum Erfassen der Drehzahl, d.h. der Anzahl der Umdrehungen eines Rotationselements (nicht dargestellt) eingebaut ist, das von der sensorbestückten Lagerbaugruppe 31 rotierend gehalten wird.
  • Die Rollenelemente 34 werden von einem Halter d.i. einem Käfig 35 gehalten, der in seinem Umfang eine entsprechende Anzahl Taschen zur Aufnahme der rollenden Elemente definiert hat, wie dem Fachmann bestens bekannt ist. Die oben angezogene Rollenlagerbaugruppe 30 kann eine Baugruppe sein.
  • Die Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 besteht aus einem zu erfassenden Teil 1, der an einem Ende eines, des inneren oder des äußern, Laufringglieds befestigt ist, das rotierbar ist, z.B. am inneren Laufringglied 32, und einem Magneterfassungsteil 2, der am stationären äußeren Laufring in Baulängenanordnung zum zu erfassenden Teil 1 befestigt ist. In der dargestellten Ausführungsform wird angenommen, daß das rotierbare Glied 32 ein Innenlaufring ist, während das stationäre Laufringglied 33 als äußeres Laufringglied angenommen wird. Wie später noch in Einzelheiten beschrieben wird, besteht der magnetische Erfassungsteil 2 aus einer Vielzahl magnetischer Sensoren. Diese Magnetsensoren werden in einem Gehäuse 38 aus Harz untergebracht und werden darin harzgeformt, wobei das Harzgehäuse 38 mit den darin untergebrachten Sensoren an dem Außenlaufring 33 mittels eines daran angepaßten Metallgehäuses 39 befestigt ist.
  • 1B zeigt schematisch elektrische Schaltungen des zu erfassenden Teils 1 bzw. des magnetischen Erfassungsteils 2. Der zu erfassende Teil 1, der an einer Endfläche des rotierbaren Innenlaufrings 32 montiert ist, wird in der Form, z.B. eines magnetischen Codierers eines Typs, in dem magnetische N- und S-Pole abwechselnd in Umfangsrichtung einmagnetisiert sind, benutzt. Der zu erfassende Teil 1, der der Magnetcodierer ist, beinhaltet ein ringförmiges Grundmetall 1a und ein Magnetelement 1b, das an einer äußeren Umfangsfläche des Grundmetalls 1a vorgesehen ist und durch das Grundmetall 1a an dem rotierbaren Innenlaufring 32 befestigt ist. Das Magnetelement 1b kann z.B. in der Form eines Gummimagneten vorhanden sein, der durch Vulkanisierung an das Grundmetall 1a gebondet ist. Es wird jedoch darauf aufmerksam gemacht, daß das Magnetelement 1b als Kunststoffmagnet, als gesinterter Magnet oder als Metallmagnet ausgebildet sein kann, in welchem Fall die Anwendung des Grundmetalls 1a nicht immer wesentlich sein muß.
  • Der magnetische Erfassungsteil 2, der an den stationären äußeren Laufring 33 in Baulängenverhältnis mit dem zu erfassenden Teil 1 montiert ist, kann ein magnetisches Sensorpaar 2a und 2b anwenden, die jedes in der Lage sind, ein Analogsignal auszugeben, das hinweisend für die Veränderung der Magnetflußdichte ist. Diese Magnetsensoren 2a und 2b sind in Umfangsrichtung des stationären äußeren Laufrings 33 um einen vorgegebenen Abstand voneinander beabstandet. Beispielhaft sind in der dargestellten Ausführungsform die Magnetsensoren 2a und 2b um eine Magnetphasendifferenz von 180° in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Diese Magnetphasendifferenz stellt eine Phasendifferenz der Magnetphase des zu erfassenden Teils 1 dar, der abwechselnd mit N- und S-Polen magnetisiert ist. Für jeden der Magnetsensoren 2a und 2b kann z.B. ein Hall-Element oder ein Hall-IC eines Analogausgangstyps eingesetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform jedoch wird das Hall-Element für jeden der magnetischen Sensoren 2a und 2b eingesetzt. Der Hall-IC ist ein integrierter Schaltkreis mit einem Hall-Element. Wo das Hall-Element für jeden der magnetischen Sensoren 2a und 2b benutzt wird, liefern die Magnetelemente 2a und 2b, d.h. die Hall-Elemente, entsprechende Ausgänge unterschiedlicher Phasen, nämlich gleichzeitig +Phasen- und –Phasenausgänge, und die unterschiedliche Verstärkung dieser Ausgänge unterschiedlicher Phasen wird ausgeführt mittels entsprechender unterschiedlicher Verstärkungsmittel 3 und 3', um damit ein Hall-Element-Signal zu erzeugen. Wie in 1B gezeigt, erscheinen die Ausgangssignale der Magnetsensoren 2a und 2b entsprechend an den Punkten A und A'. Jedes der Differenzverstärkermittel 3 und 3' besteht aus einem Operationsverstärker.
  • Die entsprechenden Analogausgänge von den Magnetsensoren 2a und 2b werden an ein Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 gelegt, das die Differenzausgänge als eine Phase eines Codiersignals bearbeitet. Dieses Differenzausgang-Generierungsmittel 7 beinhaltet eine Differenzverstärkerschaltung 4 die einen Operationsverstärker und einen Komparator 5 benutzt zum Ausbilden einer Rechteckwellenmodulation an einem Ausgang aus der Differenzverstärkerschaltung 4, um damit einen rechteckigen Wellenausgang zu erzeugen.
  • Jetzt wird der Betrieb der Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 beschrieben. Unter der Annahme, daß der zu erfassende Teil 1 in einer Richtung mit einer konstanten Drehzahl relativ zum Magneterfassungsteil 2 in einer Richtung rotiert, variieren die entsprechenden Ausgänge an den zwei aneinanderliegenden Magnetsensoren 2a und 2b, die an den Punkten A und A' auftreten, sinusförmig gegenüber einer Grundlinie, die von einer vorgegebenen Spannung (Vc/2) dargestellt wird, wie durch gestrichelte Linien in den 2A und 2B entsprechend gezeigt wird, wobei Vc die Spannung einer elektrischen Stromquelle darstellt. Für den Fall, daß ein Streufluß angelegt wird, verschieben sich die entsprechenden Ausgänge von den Magnetsensoren 2a und 2b mit der Zunahme des Streuflusses, wie in 2A und 2B mit durchgezogenen Linien gezeigt wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß sich die Richtung, in der sich der Ausgang von jedem der Magnetsensoren 2a und 2b verändert, in Abhängigkeit von der Richtung des externen Streuflusses verändert. Auch wenn angenommen wird, daß die zwei Magnetsensoren 2a und 2b die gleiche Ansprechempfindlichkeit und die gleiche Menge Streuflüsse aufweisen, sind die entsprechenden Größen der Abweichung der Ausgänge von den Magnetsensoren 2a und 2b gleich.
  • Wenn die Verstärkung der Differenz der Ausgänge der Magnetsensoren 2a und 2b an den Punkten A und A' durch die Differenzverstärkermittel 4 mittels ihrer Operationsverstärker durchgeführt wird, ist es möglich, einen Differenzausgang zu erhalten (2C), der frei ist von einer Abweichungskomponente, die sich aus dem Streufluß ergibt. Wenn nämlich die zwei Magnetsensoren 2a und 2b so angeordnet sind, daß sie um eine Magnetphasendifferenz von 180° beabstandet sind, wird die Amplitude des Differenzausgangs, der am Punkt B in 1B auftritt, im wesentlichen doppelt verstärkt, auch wenn das Differenzverstärkungsmittel 4 eine Verstärkung von 1 hat, kann vermutet werden, daß als Ergebnis der Steigerung der Ansprechempfindlichkeit die Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 kaum vom Streufluß betroffen wird. Es muß hier angemerkt werden, daß sich in dem hier besprochenen Beispiel der Differenzausgang vom Differenzverstärkungsmittel 4 relativ zur Bezugsspannung Vc/2 einstellt. Auf der nachfolgenden Stufe wird der Differenzausgang vom Differenzausgangsmittel 4 durch den Komparator 5 mit der rechtwinkligen Wellenmodulation bearbeitet im Hinblick auf den Bezugswert, der von der vorgegebenen Spannung (Vc/2) gebildet wird, und zu einem Codiersignal für eine Phase führt, von der Einflüsse des Streuflusses entfernt wurden und in der die Variation der relativen Einschaltdauer minimiert wird, wie in 2D gezeigt wird.
  • Es muß darauf hingewiesen werden, daß anstatt der Verwendung einer Kombination des Differenzverstärkermittels 4 und des Komparators 5 zum Bilden des Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 auch nur der Komparator 5 eingesetzt werden kann, wie in 3 gezeigt wird, der die entsprechenden Ausgänge aus den magnetischen Codierern 2a und 2b miteinander vergleicht, um damit die rechtwinklige Wellenmodulation zu erhalten. Sogar in diesem Fall kann der Differenzausgang dieser Magnetsensoren 2a und 2b als Codiersignal für eine Phase verarbeitet werden.
  • In der vorstehenden Beschreibung wurde auf den Fall Bezug genommen, der auf den Codiererausgang für eine einzige Phase anwendbar ist. Wenn jedoch zwei Phasenausgänge, für die Phasen A und B, erforderlich sind, kann ein zusätzliches Paar Magnetsensoren 2c und 2d eingesetzt werden und an einem Ort angeordnet werden, der um eine Magnetphase von 90° vom ersten Paar Magnetsensoren 2a und 2b in Umfangsrichtung beabstandet ist, in Kombination mit der Anwendung eines Signalbearbeitungsmittels, wie z.B. das Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 und andere, auf ähnliche Wiese wie oben beschrieben, für jedes Paar Magnetsensoren, wie in 4 gezeigt ist. Hier muß angemerkt werden, daß in 4 zwecks Vereinfachung zusätzliche Schaltkreise für die Magnetsensoren 2a und 2d nicht dargestellt sind und daß auch für jeden der Magnetsensoren 2a bis 2d eine Schaltung, umgeben von der gepunkteten Linie H in 1B, d.h. eine Schaltung, die dem Differenzverstärkermittel 3 für zwei Ausgänge der entsprechenden Phasen entspricht, die einander entgegengesetzt sind, d.i. Plus- und Minus-Phasen des Hall-Elements angewandt wird. Obwohl im Beispiel gemäß 4, nachdem die entsprechenden Ausgänge von den zwei Magnetsensoren differenzverstärkt wurden, wird der sich ergebende Differenzausgang durch den Komparator 5 mit der Rechtwinkelwellen-Modulation behandelt, auf den Differenzverstärker 4 kann verzichtet werden und statt dessen besteht das Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 nur aus dem Komparator 5, wie unter Bezugnahme auf 3 diskutiert wurde.
  • Wie vorstehend beschrieben, muß der Differenzausgang dieser beiden Magnetsensoren 2a und 2b (2c und 2d) gesichert werden, um den Ausgang für die Einzelphase des Codierers zu erhalten. Wenn die Magnetsensoren 2a und 2b (2c und 2d) aneinanderliegend angeordnet sind, wie in 5 gezeigt wird, so daß die Magnetsensoren im wesentlichen die gleiche Menge der durch den Streufluß erzeugten Beeinflussung erhalten können, kann der Widerstand gegen die Streuflüsse verstärkt werden.
  • Auch wo die Magnetsensoren 2a und 2b nicht aneinander anliegend angeordnet werden können aus Gründen einer Beschränkung beim Positionieren, wird vorgezogen, daß die zwei Magnetsensoren 2a und 2b mit einer Deckung innerhalb 90° vom stationären äußeren Laufring 33 angeordnet werden. Wenn beispielsweise einer der Magnetsensoren, zum Beispiel der Magnetsensor 2b, an einer Stelle angeordnet wird, gezeigt durch die gepunktete Linie 2b' in 5, die mehr als 90° in Umfangsrichtung von der Position des anderen Magnetsensors 2a entfernt ist, da die Richtung, in der der Streufluß durch die Magnetsensoren strömt, unterschiedlich für jeden der Magnetsensoren ist, sind die entsprechenden Abweichungsrichtungen der Ausgänge aus den zugeordneten Magnetsensoren einander entgegengesetzt, und daher kann die Abweichung nicht vollständig eliminiert werden, auch wenn der Unterschied zwischen diesen Ausgangssignalen extrahiert wurde. In einem solchen Fall kann es vorkommen, daß die Veränderung der relativen Einschaltdauer des Codiersignals zunimmt. Aus diesem Grund werden die Magnetsensoren vorzugsweise innerhalb einer Abdeckung von 90° vom stationären Außenlaufring 33 angeordnet.
  • Auch in Umgebungen, in denen die auf die Magnetsensoren 2a und 2b einwirkenden Streuflüsse beträchtlich sind, kann es vorkommen, daß die Größen der Abweichung der Ausgänge aus den Magnetsensoren 2a und 2b stark zunehmen, um zu einer gesättigten Bedingung zu kommen. Da sich in einem solchen Zustand die entsprechenden Wellenformen der Ausgänge der Magnetsensoren unerwünscht deformieren, begleitet von einer Veränderung in der relativen Einschaltdauer, kann in diesem Fall ein Ausfall eines oder mehrerer der Impulse vorkommen.
  • Wenn die Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 in einer solchen Umgebung benutzt wird, in der ein starker Streufluß wirksam wird, läßt sich die Sättigung unterdrücken, wenn die Magnetsensoren 2a und 2b mit verringerter Ansprechempfindlichkeit benutzt werden, mit der sie im Normalfall benutzt werden. Das kann implementiert werden, wenn die Magnetsensoren 2a und 2b aus dem Hall-Element bestehen, durch Verringern der Spannung, die an das Hall-Element gelegt wird, auf einen Wert, der geringer ist als die Standardspannung, die an das Hall-Element gelegt wird, oder Vermindern des Treiberstroms, der durch das Hall-Element fließt, auf einen Wert der kleiner ist als der Standardstrom, der an das Hall-Element gelegt wird. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß bei starker Temperaturveränderung in dieser Umgebung, in der die Rotationssensor-Teilbaugruppe benutzt wird, ein Antriebssystem mit konstanter Spannung, in dem die Veränderung der Ansprechempfindlichkeit des Hall-Elements minimal ist, bevorzugt wird.
  • Wenn das Hall-Element für jeden der Magnetsensoren 2a und 2b benutzt wird, ist etwa die Hälfte der Stromquellenspannung Vh, die an das Hall-Element gelegt wird, eine Ausgangs-Bezugsspannung (VH/2). Da sich dieser Wert von einem Element zum nächsten verändert und sich auch Charakteristiken wie z.B. die Ansprechempfindlichkeit von einem Element zum nächsten verändern, kann es vorkommen, daß sich die Abweichung, die durch den Streufluß entstanden ist, nicht ganz beseitigen läßt, auch wenn sich der Unterschied zwischen den entsprechenden Ausgängen der beiden Elemente extrahieren läßt. Während die Charakteristik des Hall-Elements nicht korrigiert werden kann, kann die Abweichung unterdrückt werden und die Veränderung der relativen Einschaltdauer kann minimiert werden, unter der Voraussetzung, daß die Ausgangs-Bezugsspannung VH/2 justiert wird.
  • In 6 wird ein beispielhafter Schaltkreis eines Justiermittels 8 für eine Bezugsspannung zum Justieren einer Bezugsspannung zwischen den Hall-Elementen gezeigt. Wie man sieht, sind positive (+) und negative (-) Anschlußpunkte eines der Hall-Elemente, hier der Magnetsensor 2a, d.i. einer der beiden Magnetsensoren, von denen man einen Differenzausgang zu extrahieren wünscht, über die Widerstände R1 und R2 in Reihe miteinander verbunden, wobei ein Knotenpunkt zwischen den Widerständen R1 und R2 eine Bezugsspannung VH/2 für das Hall-Element des Magnetsensors 2a liefert. Auf ähnliche Weise sind positive und negative Ausgangsanschlußpunkte des Hall-Elements, das der Magnetsensor 2b ist, durch die Widerstände R3 und R4 in Reihe miteinander verbunden. Ein Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 zum Erfassen einer Differenz zwischen Zwischenpunktspannungen (Spannung VH/2 und eine Spannung an einem Zwischenpunkt P) wird eingesetzt, so daß ein Ausgang vom Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 als Stromquelle für das Hall-Element benutzt werden kann, das der Magnetsensor 2b ist. Mit diesem Schaltungsaufbau ist es möglich, die Stromquellenspannung für den Magnetsensor 2b zu steuern, so daß die Spannung am Zwischenpunkt P und die Zwischenpunktspannung VH/2 miteinander gleich gemacht werden können. Das Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 dient als Differenzverstärkermittel, bestehend aus einem Operationsverstärker. Das Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 und die Widerstände R1 bis R4 zusammen bilden das oben angezogene Ausgangsbezugsspannungs-Justiermittel B. Es muß darauf hingewiesen werden, daß zwar im Schaltkreisbeispiel in 6 entsprechende Ausgänge von einem Anschlußpunkt der Hall-Elemente der Magnetsensoren 2a und 2b an den Komparator 4 gelegt werden, so daß der Rechteckwellenausgang des Codierers erhalten werden kann, jedoch ein Differenzverstärkungsmittel ähnlich dem, das in 1 gezeigt und anhand der 1 beschrieben wurde, in einer ersten Stufe des Komparators 4 angewandt werden kann.
  • Wie oben diskutiert, kann, auch wenn in einer Umgebung, die reich an Streuflüssen ist, der Codiererausgang stabil erhalten werden kann, auch die sensorbestückte Lagerbaugruppe 31 benutzt werden, und es dürfte kein Problem geben, auch wenn die sensorbestückte Lagerbaugruppe 31 als Lagerbaugruppe zum rotierenden Halten einer Motorwelle benutzt wird, in der die Streuflüsse existieren.
  • 7 zeigt ein Beispiel eines Motors, in dem die sensorbestückte Lagerbaugruppe 31 der vorliegenden Erfindung angewandt wird. Wie bereits beschrieben, umfaßt dieser Elektromotor einen Rotor 61, der auf einer Antriebswelle 62 montiert ist um sich mit ihr zu drehen. Die einander gegenüberliegenden Endteile der Antriebswelle 62 werden vom Gehäuse 63 durch die Lagerbaugruppen 64 und 65 getragen. Der Elektromotor umfaßt ferner einen Stator 60, der aus einer Statorwicklung 60a besteht und am Gehäuse 63 befestigt ist. Von den Lagerbaugruppen 64 und 65 wird die Lagerbaugruppe 65 in der Form der sensorbestückten Lagerbaugruppe 31 benutzt gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie oben ausführlich besprochen. Die Lagerbaugruppe 65, die von der sensorbestückten Lagerbaugruppe 31 dargestellt wird, ist z.B. eine hintere Lagerbaugruppe. Die vordere Lagerbaugruppe 64 ist von einem Typ, der keinen Rotationssensor verwendet.
  • Zwar wurde die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen voll beschrieben, die nur eine hin weisende Wirkung haben, jedoch werden dem Fachmann im Rahmen der Offenbarung beim Lesen der hier gezeigten Spezifikation der vorliegenden Erfindung zahlreiche Änderungen und Modifikationen bewußt werden. So wurden z.B. bei der Beschreibung der verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der zu erfassende Teil 1 und der magnetische Erfassungsteil 2 als in radialer Richtung einander gegenüberliegend dargestellt, die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch ebenfalls auf sensorbestückte Lagerbaugruppen anwenden, in denen der zu erfassende Teil 1 und der magnetische Erfassungssensor 2 einander in axialer Richtung gegenüberliegen.
  • Dementsprechend sind solche Änderungen und Modifikationen, falls sie nicht über den Umfang der vorliegenden Erfindung gemäß der begleitenden Ansprüche hinausgehen, als hier eingeschlossen auszulegen.

Claims (6)

  1. Eine sensorbestückte Lagerbaugruppe, die umfaßt: Innen- und Außenlaufringe bzw. Laufringglieder, wobei der Innenlaufring jeweils innerhalb des Außenlaufrings angeordnet ist, mit einem dazwischen definierten ringförmigen Lagerzwischenraum; mindestens eine Reihe von Rollerelementen, die rollend im ringförmigen Lagerzwischenraum aufgenommen sind, wo sie zwischen dem Innen- und dem Außenlaufring angeordnet sind; und einen Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl eines drehenden Elements, wobei dieser Drehzahlsensor umfaßt: Einen zu erfassenden Teil, der auf einem, dem Innen- oder dem Außenlaufringglied montiert ist, das rotierbar ist und ein solches magnetisches Merkmal aufweist, daß N- und S-Pole in Umfangsrichtung der Laufringglieder abwechselnd magnetisiert sind; und einen magnetischen Erfassungsteil, der auf dem anderen, dem Innen- oder dem Außenlaufringglied, das stationär ist, im Baulängenverhältnis mit dem zu erfassenden Teil montiert ist, wobei der magnetische Erfassungsteil eine Vielzahl magnetischer Sensoren beinhaltet, die in der Lage sind, ein analoges Signal auszugeben, und die in einer Umfangsrichtung des Laufringglieds angeordnet sind; und ein Mittel zum Generieren eines Differenzausgangs zum Bearbeiten eines Differenzausgangs von zwei Magnetsensoren als Codiersignal für eine Phase.
  2. Die sensorbestückte Lagerbaugruppe gemäß Anspruch 1, in der die zwei Magnetsensoren, die den Differenzausgang liefern, so angeordnet sind, daß sie mit einer Magnetphasendifferenz von etwa 180° voneinander im Hinblick auf eine sich wiederholende Magnetphase des zu erfassenden Teils, in dem sich N- und S-Pole abwechseln, beabstandet sind.
  3. Die sensorbestückte Lagerbaugruppe gemäß Anspruch 1, in der die zwei Magnetsensoren, die den Differenzausgang liefern, so angeordnet sind, daß sie mit einer Magnetphasendifferenz von etwa 90° voneinander in einer umfangmäßigen Richtung des stationären Laufringglieds beabstandet sind.
  4. Die sensorbestückte Lagerbaugruppe gemäß Anspruch 1, in der jeder der Magnetsensoren, der in dem magnetischen Erfassungsteil eingesetzt ist, eine genügend niedrige Ansprechempfindlichkeit aufweist, um eine Ausgangssättigung zu vermeiden, auch wenn ein externes Magnetfeld in einer Umgebung der Verwendung der sensorbestückten Lagerbaugruppe darauf wirkt.
  5. Die sensorbestückte Lagerbaugruppe gemäß Anspruch 1, in der jeder der Magnetsensoren, der den Differenzausgang liefert, ein Hall-Element umfaßt und ferner ein Bezugsspannungs-Justiermittel enthält zum Steuern einer elektrischen Stromquellenspannung für eines der Hall-Elemente im Hinblick auf die Bezugsspannung, die an einem Ausgangszwischenpunkt des anderen Hall-Elements definiert ist, so daß ein Ausgangszwischenpunkt dieses einen der Hall-Elemente im wesentlichen die gleiche Spannung erzielt wie die Bezugsspannung.
  6. Ein Elektromotor, enthaltend: Ein Gehäuse; einen an dem Gehäuse befestigten Stator; eine Antriebswelle; einen an der Antriebswelle befestigten Rotor zum Rotieren mit dieser und im Baulängenverhältnis mit dem Stator angeordnet; und die sensorbestückte Lagerbaugruppe einer Struktur gemäß Definition in Anspruch 1 zum rotierbaren Halten der Antriebswelle am Gehäuse.
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