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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Kodiereinrichtung zur Erfassung einer Drehlage eines sich drehenden Körpers sowie ein Stellglied, das die magnetische Kodiereinrichtung enthält, und spezieller eine magnetische Kodiereinrichtung und ein Stellglied, die einen Hohlraum aufweisen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Herkömmlich ist zur Erfassung eines Drehwinkels eines sich drehenden Körpers, wie beispielsweise der Welle eines Motors, eine magnetische Kodiereinrichtung vorgesehen, bei welcher ein bipolarer Permanentmagnet, der die Form einer kreisförmigen Platte aufweist, an dem sich drehenden Körper befestigt ist, ein Magnetfeld von dem Permanentmagneten, der die Form einer kreisförmigen Platte aufweist, durch ein Magnetfelddetektorelement erfasst wird, und eine Absolutposition des sich drehenden Körpers erfasst wird (siehe die internationale Veröffentlichung Nr.
WO99/013296 (Seite 4–Seite 5 und
1)).
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17 ist eine Perspektivansicht einer herkömmlichen magnetischen Kodiereinrichtung.
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In 17 bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen sich drehenden Körper (Welle), und bezeichnet das Bezugszeichen 12 einen Permanentmagneten, der die Form einer kreisförmigen Platte aufweist, und an dem sich drehenden Körper 11 so befestigt ist, dass seine Drehachse mit dem sich drehenden Körper übereinstimmt. Der Permanentmagnet, der die Form einer kreisförmigen Platte aufweist, ist parallel zu einer Richtung senkrecht zur Achse des sich drehenden Körpers 11 magnetisiert. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen ringförmigen, festen Körper, der an einer Außenumfangsseite des Permanentmagneten 12 vorgesehen ist, und das Bezugszeichen 14 bezeichnet vier Magnetfelddetektorelemente, die auf dem festen Körper 13 in einem Abstand von 90° in Umfangsrichtung angebracht sind, wobei ein A1-Phasendetektorelement 141 und ein B1-Phasendetektorelement 142 vorgesehen sind, die einer Außenumfangsoberfläche des Permanentmagneten 12 über einen Luftspalt zugewandt sind, und voneinander um eine Phase von 90° des mechanischen Winkels verschoben sind, ein A2-Phasendetektorelement 143, das gegenüber dem A1-Phasendetektorelement 141 um eine Phase von 180° des mechanischen Winkels verschoben ist, sowie ein B2-Phasendetektorelement 144, das gegenüber dem B1-Phasendetektorelement 142 um eine Phase von 180° des mechanischen Winkels verschoben ist.
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Die
DE 10 206 543 A1 beschreibt einen magnetischen Kodierer mit Permanentmagneten, die an drehbaren Teilscheiben befestigt sind, und Hall-Sensoren, die dem Permanentmagneten über einen Luftspalt zugewandt sind und an einem ringförmigen, feststehenden Gehäuse zur Lagerung einer Hohlwelle befestigt sind. Ferner ist eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verarbeitung der von den Hall-Sensoren Signale vorgesehen.
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Die
DE 601 11 719 T2 und die Wo
2004/003480 A1 beschreiben jeweils magnetische Winkelkodierer mit Permanentmagneten, deren Magnetfeldlinien parallel zur Symmetrieachse des Kodierers verlaufen.
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Beschreibung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösende Probleme
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Ein Stellglied, das in einem Roboter eingesetzt wird, benötigt eine Hohlraumkonstruktion, durch welche eine Stromversorgungsleitung oder eine Signalleitung hindurchgeht. Daher wird ein Stellglied des Typs mit äußerem Rotor eingesetzt.
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Daher benötigt auch eine magnetische Kodiereinrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines sich drehenden Körpers eine Hohlraumkonstruktion. Da bei der herkömmlichen magnetischen Kodiereinrichtung sich der Permanentmagnet, der an der Welle befestigt ist, dreht, und ein Signal von dem Magnetfelddetektorelement erfasst wird, das auf dem festen Körper angebracht ist, und den Permanentmagneten zugewandt ist, kann ein Hohlraum nicht im Zentrum der magnetischen Kodiereinrichtung vorgesehen werden. Daher ist es schwierig, die magnetische Kodiereinrichtung bei einem Stellglied einzusetzen, das eine Hohlraumkonstruktion aufweist.
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Weiterhin wird, wenn ein magnetischer Kodierer in einem Hohlraum-Stellglied angebracht ist, in welchem eine elektronische Bremse vorgesehen ist, das Stellglied in Axialrichtung verlängert. Daher ist es schwierig, das Stellglied zu verkleinern. Weiterhin nimmt die Anzahl an Teilen zu, und daher nehmen die Kosten für den Zusammenbau zu.
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Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung derartiger Probleme, und ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer magnetischen Kodiereinrichtung, die bei einem Stellglied einsetzbar ist, das eine Hohlraumkonstruktion aufweist, und eines Stellglieds mit kleinen Abmessungen, das eine geringe Anzahl an Teilen aufweist, und eines magnetischen Kodierers und einer elektronischen Bremse, die eine Hohlraumkonstruktion aufweisen.
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Mittel zur Lösung der Probleme
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Um die Probleme zu lösen, ist die vorliegende Erfindung folgendermaßen ausgebildet.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Kodiereinrichtung zur Verfügung gestellt, welche aufweist: einen magnetischen Kodierer, der einen Permanentmagneten aufweist, der an einem sich drehenden Körper befestigt ist, und ein Magnetfelddetektorelement, das den Permanentmagneten über einen Luftspalt zugewandt ist, und an einem festen Körper befestigt ist, und eine Signalverarbeitungsschaltung, die ein Signal von dem Magnetfelddetektorelement verarbeitet, wobei der sich drehende Körper ringförmig ausgebildet ist, der Permanentmagnet ringförmig ist, sich im Inkreis des sich drehenden Körpers befindet, und an dessen Innenumfangsseite befestigt ist, und parallel zu einer Richtung senkrecht zur Zentrumsachse des sich drehenden Körpers magnetisiert ist, wobei der feste Körper einen kreisförmigen Außenumfang und einen Hohlraum aufweist, und an einer Innenumfangsseite des Permanentmagneten über den Luftspalt angeordnet ist, und das Magnetfelddetektorelement an einer Außenumfangsseite des festen Körpers über den Permanentmagneten und den Luftspalt angeordnet ist.
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Weiterhin wird gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine magnetische Kodiereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welcher der Permanentmagnet eine parallele Anisotropie aufweist, und mit zwei Polen magnetisiert ist.
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Weiterhin wird gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine magnetische Kodiereinrichtung gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welcher der sich drehende Körper aus einem magnetischen Material besteht.
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Weiterhin wird gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine magnetische Kodiereinrichtung gemäß einem der ersten bis dritten Aspekte zur Verfügung gestellt, bei welcher der feste Körper aus einem magnetischen Material besteht.
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Weiterhin wird gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung eine magnetische Kodiereinrichtung gemäß dem vierten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welcher das magnetische Material aus einem gesinterten, weichmagnetischen Pulvermaterial besteht.
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Weiterhin wird gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine magnetische Kodiereinrichtung gemäß dem vierten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welcher das magnetische Material durch Laminieren eines weichmagnetischen Materials hergestellt wird.
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Weiterhin wird gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied zur Verfügung gestellt, das einen Hohlraum und einen Elektronikmotor und eine Elektronikbremse aufweist, wobei das Stellglied den magnetischen Kodierer gemäß dem ersten Aspekt aufweist.
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Weiterhin wird gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied gemäß dem siebten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welchem der feste Körper des magnetischen Kodierers auch als ein Abschnitt eines magnetischen Jochs der Elektronikbremse arbeitet.
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Weiterhin wird gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied gemäß dem siebten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welchem der feste Körper des magnetischen Kodierers eine solche Konstruktion aufweist, dass er an einem magnetischen Joch der Elektronikbremse befestigt ist.
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Weiterhin wird gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied gemäß dem siebten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welchem eine magnetische Abschirmung zwischen dem Elektronikmotor oder der Elektronikbremse und dem magnetischen Kodierer angeordnet ist.
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Weiterhin wird gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied gemäß dem siebten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welchem ein Leitungsloch, durch welches eine Stromversorgungsleitung der Elektronikbremse hindurchgeht, in dem festen Körper des magnetischen Kodierers vorgesehen ist.
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Weiterhin wird gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied gemäß dem siebten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welchem ein Schlitzabschnitt, durch welchen eine Stromversorgungsleitung der Elektronikbremse hindurchgeht, in einer Innenumfangsseite des festen Körpers des magnetischen Kodierers vorgesehen ist.
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Weiterhin wird gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied gemäß dem elften oder zwölften Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welchem das Leitungsloch und der Schlitzabschnitt auf einer Linie angeordnet sind, um ein Zentrum des festen Körpers mit dem Magnetfelddetektorelement zu verbinden, das auf dem festen Körper angebracht ist.
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Weiterhin wird gemäß einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stellglied gemäß dem siebten Aspekt zur Verfügung gestellt, bei welchem das Leitungsloch an einer Innenumfangsseite des festen Körpers angeordnet ist.
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Auswirkung der Erfindung
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Da gemäß dem ersten Aspekt der sich drehende Körper ringförmig ausgebildet ist, der Permanentmagnet ringförmig ist, sich im Inkreis des sich drehenden Körpers befindet und an dessen Innenumfangsseite befestigt ist, und parallel zur Richtung senkrecht zur Zentrumsachse des sich drehenden Körpers magnetisiert ist, und der feste Körper einen kreisförmigen Außenumfang aufweist, sowie einen Hohlraum, und an einer Innenumfangsseite des Permanentmagneten über den Luftspalt angeordnet ist, und das Magnetfelddetektorelement an einer Außenumfangsseite des festen Körpers befestigt ist, wird ermöglicht, eine magnetische Kodiereinrichtung mit einer Hohlraumkonstruktion zu erzielen, die eine einfache Konstruktion aufweist, kostengünstig ist, kleine Abmessungen hat, schlank ist, eine hohe Genauigkeit in Bezug auf einen Absolutwert aufweist, und einen Winkel eines Stellglieds mit einer Hohlraumkonstruktion erfassen kann.
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Weiterhin kann, wenn der Magnet eingesetzt wird, der eine parallele Anisotropie aufweist, der Magnet einfach und exakt magnetisiert in einer Signalrichtung unter Verwendung einer einfachen Magnetisierungsvorrichtung werden.
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Wenn das magnetische Material in dem sich drehenden Körper eingesetzt wird, ist die Permeanz im Gebrauch des Magneten groß, und wird ein erzeugtes Magnetfeld stärker. Darüber hinaus kann ein starkes Ausgangssignal von dem Magnetfelddetektorelement erhalten werden. Da auch die Auswirkung einer Abschirmung eines externen Magnetfelds erzielt wird, wird darüber hinaus ermöglicht, externes, magnetisches Rauschen zu verringern, und das Signal/Rausch-Verhältnis (S/N) zu erhöhen.
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Wenn das magnetische Material in dem festen Körper eingesetzt wird, ist darüber hinaus die Permeanz im Gebrauch des Magneten groß, und wird das erzeugte Magnetfeld stärker. Weiterhin kann ein starkes Ausgangssignal von dem Magnetfelddetektorelement erhalten werden.
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Weiterhin kann ein starkes Ausgangssignal von dem Magnetfelddetektorelement erhalten werden.
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Wenn das magnetische Material aus gesintertem, weichmagnetischem Pulvermaterial besteht, wird darüber hinaus die Erzeugung von Wirbelströmen in dem festen Körper unterdrückt. Daher wird ermöglicht, eine magnetische Kodiereinrichtung zu erzielen, welche den Drehwinkel mit hoher Genauigkeit zwischen niedrigen Drehzahlen und hohen Drehzahlen erfassen kann. Da das gesinterte Material durch Einsatz eines postenartigen Ausformprozesses unter Verwendung einer Form hergestellt werden kann, wird ermöglicht, die Herstellungs- und Zusammenbaukosten zu verringern, und eine Chip-Kodiereinrichtung zur Verfügung zu stellen. Da ein Bruch erleichtert wird, ist darüber hinaus ein Recycling möglich. Daher wird ermöglicht, eine magnetische Kodiereinrichtung zur Verfügung zu stellen, die zu geringen Umweltbelastungen führt.
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Wenn das magnetische Material durch Laminieren eines weichmagnetischen Materials hergestellt wird, wird darüber hinaus ermöglicht, eine magnetische Kodiereinrichtung zu erzielen, die den Drehwinkel mit hoher Genauigkeit erfassen kann, ohne Wirbelströme in dem festen Körper hervorzurufen, unabhängig von der Drehzahl.
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Da bei dem siebten Aspekt der magnetische Kodierer, welcher den Hohlraum aufweist, bei einem Stellglied eingesetzt wird, das einen Hohlraum aufweist, und eine Elektronikbremse aufweist, wird darüber hinaus ermöglicht, ein Stellglied mit einem Hohlraum zu erzielen, welches eine Elektronikbremse aufweist.
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Weiterhin wird, wenn der feste Körper des magnetischen Kodierers auch als ein Abschnitt eines magnetischen Jochs der Elektronikbremse dient, die Länge des Stellglieds in Axialrichturig kürzer, so dass das Stellglied verkleinert werden kann. Da die Anzahl an Teilen verringert wird, werden daher die Herstellungs- und Zusammenbaukosten verringert, und wird die Verlässlichkeit verbessert.
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Wenn der feste Körper des magnetischen Kodierers eine solche Konstruktion aufweist, dass er an einem magnetischen Joch der Elektronikbremse befestigt ist, wird der Zusammenbau vereinfacht. Weiterhin wird ermöglicht, einfach das Magnetfelddetektorelement auf dem festen Körper mit hoher Genauigkeit anzubringen.
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Wenn die magnetische Abschirmung zwischen dem Elektronikmotor oder der Elektronikbremse und dem magnetischen Kodierer angeordnet ist, wird darüber hinaus ermöglicht, externes Magnetfeldrauschen oder ein externes Magnetfeld abzuschirmen, die von dem Motor oder der Elektronikbremse erzeugt werden, um die Rauschfestigkeit des magnetischen Kodierers zu verbessern.
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Wenn das Leitungsloch, durch welches eine Stromversorgungsleitung der Elektronikbremse hindurchgeleitet wird, in dem festen Körper vorgesehen ist, wird darüber hinaus ermöglicht, die Stromversorgungsleitung aus dem Stellglied durch das Leitungsloch abzuziehen. Hierbei ist ein Raum, in welchem die Leitung aufgewickelt ist, unnötig, so dass das Stellglied in Axialrichtung verkleinert werden kann, und der Zusammenbau erleichtert wird. Da die Leitung nicht gebogen wird, wird darüber hinaus die Verlässlichkeit der Leitung verbessert.
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Wenn der Schlitzabschnitt in einer Innenumfangsseite des festen Körpers des magnetischen Kodierers vorgesehen ist, kann darüber hinaus die Leitung der Elektronikbremse durch den Schlitzabschnitt durch einen einfachen Vorgang hindurchgeleitet werden, ohne die Exaktheit des magnetischen Kodierers zu beeinträchtigen.
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Wenn das Leitungsloch und der Schlitzabschnitt auf einer Linie zum Verbinden eines Zentrums des festen Körpers mit dem Magnetfelddetektorelement, das auf dem festen Körper angebracht ist, angeordnet ist, wird darüber hinaus ermöglicht, eine Beeinträchtigung der Exaktheit des magnetischen Kodierers infolge der Ausbildung des Leitungslochs oder des Schlitzabschnitts zu verringern.
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Wenn das Leitungsloch an einer Innenumfangsseite des festen Körpers angeordnet ist, wird darüber hinaus ermöglicht, die Beeinträchtigung der Exaktheit des magnetischen Kodierers infolge der Ausbildung des Leitungslochs weiter zu verringern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion einer magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung;
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3 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Ausgangssignals eines Magnetfelddetektorelements;
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4 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Ausgangssignals der Signalverarbeitungsschaltung;
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5 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Erfassungswinkelfehlers;
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6 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Erzeugung von Wirbelströmen;
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7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion einer magnetischen Kodiereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' von 10;
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12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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13 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C' von 12;
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14 zeigt Magnetflusslinien zur Erläuterung des Einflusses der Position eines Leitungslochs auf die Magnetflussverteilung;
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15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Position des Leitungslochs und einem Winkelfehler zeigt;
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16 ist eine Querschnittsansicht eines magnetischen Kodierers gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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17 ist eine Perspektivansicht einer herkömmlichen magnetischen Kodiereinrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Magnetischer Kodierer;
- 11
- Drehkörper;
- 12
- Permanentmagnet;
- 211
- Statorjoch
- 212
- Ankerwicklung
- 22
- Rotor
- 13
- fester Körper;
- 131
- Leitungsloch;
- 132
- Schlitzabschnitt;
- 14
- Magnetfelddetektorelement
- 141
- A1-Phasendetektorelement
- 142
- B1-Phasendetektorelement
- 143
- A2-Phasendetektorelement
- 144
- B2-Phasendetektorelement
- 15
- Signalverarbeitungsschaltung
- 151, 152
- Differenzverstärker
- 153
- Winkelberechnungsschaltung
- 16
- magnetische Abschirmung
- 20
- Motor
- 21
- Stator
- 31
- Feld
- 311
- Bremsjoch
- 312
- Bremswicklung
- 313
- Stromversorgungsleitung
- 32
- Anker
- 33
- Feder
- 34
- Bremsreibungsplatte
- 35
- Bremsscheibe
- 50
- am Stellglied befestigter Körper
- 60
- Kupplungsteil
- 221
- Motorfeld-Permanentmagnet
- 222
- Rotorjoch
- 30
- Elektronikbremse
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Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
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Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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1 ist eine Querschnittansicht, die eine Konstruktion einer magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen ringförmigen Drehkörper, der aus einem magnetischen Material besteht, und bezeichnet das Bezugszeichen 12 einen ringförmigen Permanentmagneten, der sich im Inkreis des Drehkörpers 11 befindet, und an dessen Innenumfangsseite befestigt ist, und parallel zur Richtung senkrecht zur Zentrumsachse des Drehkörpers 11 magnetisiert ist. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen festen Körper, der einen kreisförmigen Außenumfang aufweist, und aus einem magnetischen Material besteht, das einen Hohlraum aufweist. Weiterhin bezeichnet das Bezugszeichen 14 ein Magnetfelddetektorelement, das einer Innenumfangsseite des Magneten 12 über einen Luftspalt zugewandt ist, und an der Außenumfangsseite des festen Körpers 13 befestigt ist. Infolge dieser Konstruktion ist ein Zentrumsabschnitt des festen Körpers 13, also ein Zentrumsabschnitt der magnetischen Kodiervorrichtung, hohl.
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Ein Beispiel für die Konstruktion der magnetischen Kodiereinrichtung ist wie nachstehend geschildert ausgebildet.
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Der Drehkörper 11 besteht aus einem magnetischen Material SS41 mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einem Hohlraumdurchmesser von 20 mm, und der Permanentmagnet 12 besteht aus einem ringförmigen Magneten auf Grundlage von SmCo, der eine parallele Anisotropie aufweist, und einen Außendurchmesser von 40 mm. Weiterhin besteht der feste Körper 13 aus S45C, und ist das Magnetfelddetektorelement 14 als ein Hall-Element ausgebildet.
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Als nächstes wird der Betrieb der magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wenn sich der Drehkörper 11 dreht, dreht sich auch der Permanentmagnet 12. Durch die Änderung des Magnetfelds des Permanentmagneten 12 wird ein Zyklus eines Sinuswellensignals von dem Magnetfelddetektorelement 14 bei einer Drehung des Drehkörpers 11 ausgegeben.
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2 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung, welche das Signal von dem Magnetfelddetektorelement 14 verarbeitet und in ein Winkelsignal θ umwandelt. In 2 bezeichnen die Bezugszeichen 151 und 152 Differenzverstärker, und bezeichnet das Bezugszeichen 153 eine Winkelberechnungsschaltung. Jeweilige Erfassungssignale Va1 und Va2 von einem A1-Phasendetektorelement 141 bzw. einem A2-Phasendetektorelement 143, die gegeneinander um 180° verschoben sind, werden dem Differenzverstärker 151 zugeführt, um ein A-Phasensignal Va zu erhalten, welches ein Differenzsignal zwischen den beiden Signalen darstellt. Entsprechend werden jeweilige Erfassungssignale Vb1 und Vb2 von einem B1-Phasendetektorelement 142 und einem B2-Phasendetektorelement 144, die gegeneinander um 180° verschoben sind, dem Differenzverstärker 152 zugeführt, um ein 3-Phasensignal Vb zu erhalten, das ein Differenzsignal zwischen den beiden Signalen darstellt.
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3 ist eine Ansicht, die ein Ausgangssignal des Magnetfelddetektorelements erläutert, und zeigt Signalformen des A-Phasensignals Va und des B-Phasensignals Vb. Die Phasen des A-Phasensignals Va und des B-Phasensignals Vb unterscheiden sich um eine Phase von 90° infolge der Anordnung der Detektorelemente.
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Das A-Phasensignal Va und das B-Phasensignal Vb werden der Winkelberechnungsschaltung 153 zugeführt, um das Winkelsignal θ zu erhalten, durch einen Berechnungsvorgang mittels arctan(Va/Vb).
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Als nächstes werden Eigenschaften der magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die magnetische Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Bezugs-Kodiereinrichtung (Auflösung: 1 050 000 PPR) werden miteinander verbunden, und von außen gedreht, und der Messwinkel der magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und der Messwinkel der Bezugs-Kodiereinrichtung werden gemessen, und miteinander verglichen.
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4 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Ausgangssignals der Signalverarbeitungsschaltung, und zeigt ein Winkelausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung 15, wenn sich der Drehkörper 11 dreht. Weiterhin ist 5 eine Ansicht zur Erläuterung eines Messwinkelfehlers, und zeigt einen Winkelfehler zwischen der magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und der Bezugs-Kodiereinrichtung. Wie aus 5 hervorgeht, weist die magnetische Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein hohes Leistungsvermögen auf, beispielsweise einen Winkelfehler von 0,08° und eine Exaktheit von 12 Bit.
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Weiterhin weist zwar die vorliegende Ausführungsform einen Permanentmagneten 12 auf, der ein Magnet auf Grundlage von SmCo ist, jedoch weist auch ein Magnet auf Grundlage von NeFeB, ein verbundener Magnet, oder ein Ferrit-Magnet die gleichen Auswirkungen auf, unabhängig vom Material des Magneten. Darüber hinaus sind zwar die Materialien des Drehkörpers 11 und des festen Körpers 13 die Magnetmaterialien SS41 bzw. S45C, jedoch können auch andere Magnetmaterialien eingesetzt werden. Darüber hinaus muss die Form des Hohlraums des festen Körpers 13 nicht kreisförmig sein. Zwar wird das Hall-Element als das Magnetfelddetektorelement 14 eingesetzt, jedoch führt ein magnetisches Widerstandselement zu den gleichen Auswirkungen.
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Zweite Ausführungsform
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird in dem festen Körper 13 ein magnetisches Material, beispielsweise ein mechanisches Konstruktionsmaterial S45C, das bei der ersten Ausführungsform verwendet wird, durch ein gesintertes, weichmagnetisches Material ersetzt.
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Das gesinterte, weichmagnetische Material wird durch Beschichtung von Eisenpulver mit einem Durchmesser von einigen zehn um mit einem Isolierfilm mit einer Dicke von einigen hundert nm und Härten des Eisens durch ein Bindemittel erhalten. Daher werden die Pulverteile gegeneinander isoliert.
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Als nächstes wird der Effekt beschrieben, dass ein Wirbelstrom erzeugt wird, und wird der Einfluss des Wirbelstroms auf die Genauigkeit erläutert.
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6 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Erzeugung von Wirbelströmen.
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Wie in 6 gezeigt ist, geht ein sich drehendes Magnetfeld des Permanentmagneten 12 durch den festen Körper 13 hindurch, der eine magnetische Schaltung bildet. Wenn sich der Permanentmagnet 12 dreht, der an dem Drehkörper 11 befestigt ist, werden Wirbelströme in der Nähe der Oberfläche des festen Körpers in einer solchen Richtung erzeugt, dass die Erzeugung einer Magnetflussänderung in dem festen Körper 13 verhindert wird. Die Stärke des Wirbelstroms ist proportional zu dem Magnetfluss, der in dem festen Körper induziert wird, zum Radius des festen Körpers, und zum Produkt der Drehgeschwindigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit des festen Körpers. Weiterhin ist, unabhängig davon, ob sich der Permanentmagnet in Vorwärtsrichtung oder Rückwärtsrichtung dreht, die Phase des Wirbelstroms nacheilend gegenüber jener des sich drehenden Magnetfeldes, so dass der Magnetfluss, der dem festen Körper zugeführt wird, verringert wird. Daher nimmt die Genauigkeit des Kodierers ab.
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Anders ausgedrückt wird, wenn das magnetische Material, wie beispielsweise das mechanische Konstruktionsmaterial S45C, bei dem festen Körper 13 eingesetzt wird, das sich drehende Magnetfeld durch Wirbelströme beeinflusst. Daher wird die Phase des Messsignals geändert, und die Ausgangsspannung verringert. Weiterhin sieht man, dass der Einfluss in Abhängigkeit von der Drehzahl zunimmt.
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Da bei der vorliegenden Ausführungsform das gesinterte, weichmagnetische Material in dem festen Körper 13 eingesetzt wird, und die Pulverteile des weichmagnetischen Materials des gesinterten, weichmagnetischen Materials gegeneinander isoliert sind, werden keine Wirbelströme hervorgerufen, welche einen Einfluss auf die Genauigkeit des Kodierers haben.
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Wenn der Winkelfehler infolge von Wirbelströmen bis zu 5000 min–1 unter Verwendung der Drehzahl als Parameter gemessen wird, ist der Winkelfehler kleiner als der Messfehler.
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Dritte Ausführungsform
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7(a) ist eine Querschnittsansicht einer Konstruktion einer magnetischen Kodiereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 7(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A'.
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Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Hinsicht, dass der feste Körper 13 bei der ersten Ausführungsform aus dem Material S45C besteht, wogegen der feste Körper 13 durch Laminieren von Siliziumstahlblech hergestellt wird, also dünnen Platten aus einem weichmagnetischen Material, die bei der vorliegenden Ausführungsform mit einem Isoliermaterial beschichtet sind.
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Vierte Ausführungsform
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8 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 8 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen magnetischen Kodierer, das Bezugszeichen 20 einen Motor, und das Bezugszeichen 30 eine Elektronikbremse. Der Motor 20 weist einen Stator 21 auf, der mit einem Statorjoch 211 versehen ist, und eine Ankerwicklung 212 und einen Rotor 22 mit einem Motorfeldpermanentmagneten 221 und einem Rotorjoch 222. Weiterhin weist die Elektronikbremse 30 ein Feld 31 auf, einen Anker 32, eine Feder 33, eine Bremsreibungsplatte 34, und eine Bremsscheibe 35. Das Feld 31 weist ein Bremsjoch 311 und eine Bremswicklung 312 auf. Weiterhin kann der Anker 32 in Axialrichtung bewegt werden.
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Weiterhin ist bei dem Drehkörper 11 des magnetischen Kodierers 10 ein unmagnetisches Kupplungsteil 60 mit dem Rotor 22 des Motors 20 verbunden, und erfasst die Drehlage des Rotors 22. Weiterhin dient der feste Körper 13 des magnetischen Kodierers 10 auch als ein Abschnitt des Bremsjochs 311 der Elektronikbremse 30. Die Konstruktion des magnetischen Kodierers 10 ist ähnlich jener bei der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der Tatsache, dass ein Abschnitt des Bremsjochs 311 der Elektronikbremse 30 auch als der feste Körper 13 des magnetischen Kodierers 10 dient.
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Als nächstes wird der Betriebsablauf der Elektronikbremse beschrieben.
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Wenn die Elektronikbremse 30 nicht mit Energie versorgt wird, drückt die Feder 30 auf den Anker 32, und drückt ein am Stellglied befestigter Körper 50 auf die Bremsscheibe 35, die in Axialrichtung durch einen Keil über die Bremsreibungsplatte 34 bewegt werden kann. Daher kann sich der Rotor 22 nicht drehen. Wenn die Elektronikbremse 30 mit Energie versorgt wird, wirkt jedoch eine elektromagnetische Kraft zwischen dem Feld 31 und dem Anker ein, und wird der Anker 32 an das Bremsjoch 311 angezogen. Daher wird die Bremsreibungsplatte 34 frei, so dass sich der Rotor 22 des Motors 20 frei drehen kann.
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Wie voranstehend geschildert, wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Abschnitt des Bremsjochs der Elektronikbremse eingesetzt, und ist vereinigt mit dem festen Körper des magnetischen Kodierers ausgebildet.
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Fünfte Ausführungsform
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9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 13 einen festen Körper, der so ausgebildet ist, dass er an dem Bremsjoch 311 befestigt wird.
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Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass der feste Körper 13 des magnetischen Kodierers vereinigt oder einstückig mit dem Bremsjoch 311 bei der vierten Ausführungsform ausgebildet ist, wogegen der feste Körper 13 so ausgebildet ist, dass er bei der vorliegenden Ausführungsform an dem Bremsjoch 311 befestigt ist. So kann beispielsweise der feste Körper 13 aus einem gesinterten, weichmagnetischen Material bestehen, und das magnetische Joch 311 aus S10C bestehen.
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Sechste Ausführungsform
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10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' von 10.
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In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 16 eine magnetische Abschirmung.
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Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass die magnetische Abschirmung 16 vorgesehen ist.
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Die magnetische Abschirmung kann beispielsweise aus einem SS-Material bestehen.
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Wenn die magnetische Abschirmung vorhanden ist, kann Magnetfeldrauschen von der Ankerwicklung 212 und der Bremswicklung 312 abgesperrt werden, und kann die Entfernung zwischen dem magnetischen Kodierer und dem Motor oder der Elektronikbremse verkleinert werden.
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Siebte Ausführungsform
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12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konstruktion eines Hohlraum-Stellglieds gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 13 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C' von 12.
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In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 131 ein Leitungsloch, das in dem festen Körper 13 des magnetischen Kodierers vorgesehen ist, und bezeichnet das Bezugszeichen 313 eine Stromversorgungsleitung der Elektronikbremse. Die Stromversorgungsleitung 313 der Elektronikbremse geht durch das Leitungsloch 131 hindurch. Das Leitungsloch ist kreisförmig, und das Leitungsloch 131 ist an einer Innenumfangsseite des festen Körpers 13 auf einer Linie zum Verbinden des Zentrums des festen Körpers 13 mit dem Magnetfelddetektorelement 14 angeordnet.
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Darüber hinaus kann die Anzahl an Leitungslöchern gleich Eins sein. Es können auch mehrere Leitungslöcher vorhanden sein, so dass Magnetflussverteilungen der jeweiligen Magnetfelddetektorelemente ausgeglichen werden. Wenn mehrere Leitungslöcher vorgesehen sind, ist es vorzuziehen, dass zwei Stromversorgungsleitungen in Hin- und Herrichtung durch ein einzelnes Leitungsloch hindurchgehen. Da die Richtungen der Ströme der beiden Stromversorgungsleitungen in dem Leitungsloch entgegengesetzt zueinander sind, wird eine Erzeugung eines Magnetfelds unterdrückt, so dass verhindert werden kann, dass das Magnetfelddetektorelement durch Strom beeinflusst wird, der in die Bremswicklung fließt.
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Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass das Leitungsloch 131, durch welches die Stromversorgungsleitung 313 der Elektronikbremse 30 hindurchgeht, in dem festen Körper 13 der magnetischen Kodiereinrichtung 10 vorgesehen ist.
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Als nächstes wird der Einfluss des Leitungslochs auf das Winkelerfassungssignal beschrieben.
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Durch Vorsehen des Leitungslochs in dem festen Körper 13 nimmt der magnetische Widerstand in der Nähe des Leitungslochs zu, und wird der magnetische Widerstand in dem festen Körper nicht gleichförmig. Zu diesem Zweck werden die Magnetflussdichte und die Magnetfelderfassungs-Signalform, die von dem Magnetfelddetektorelement 14 erfasst werden, beeinflusst, so dass die Exaktheit des Kodierers beeinträchtigt wird. Ob wohl das Leitungsloch vorgesehen ist, nimmt die Exaktheit des Kodierers nicht ab, wenn der Querschnitt des festen Körpers ausreichend groß ist, um die Ungleichförmigkeit des magnetischen Widerstands vernachlässigen zu können. Allerdings muss der Hohlraum des festen Körpers so groß wie möglich sein. Um die elektrische Anziehungskraft der Elektronikbremse zu erhöhen, muss der Durchmesser der Wicklungsleitung groß sein, so dass das Leitungsloch ebenfalls groß sein muss. Hierbei kann es tatsächlich schwierig sein, die Ungleichförmigkeit des magnetischen Widerstands infolge der Ausbildung des Leitungslochs zu vermeiden. Hierbei wird die Position des Leitungslochs, bei welcher die Exaktheit des Kodierers nicht beeinträchtigt wird, durch eine Untersuchung des Magnetfelds unter Verwendung eines Verfahrens mit finiten Elementen untersucht.
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14 zeigt Magnetflusslinien zur Erläuterung des Einflusses der Position des Leitungslochs auf die Magnetflussverteilung. 14 zeigt Magnetflussverteilungen in einem Fall, in welchem das Leitungsloch nicht vorhanden ist, und in Fällen, in welchen die Positionswinkel des Leitungslochs gleich 0° und 45° sind, wenn der Winkel einer Linie zum Verbinden des festen Körpers 13 mit dem Magnetfelddetektorelement 14 auf 0° eingestellt ist. 15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Position des Leitungslochs und einem Winkelfehler zeigt. Die Winkelfehler, wenn die Positionswinkel der Leitungslöcher gleich 0° bzw. 45° sind, sind 1,5-mal bzw. 4,0-mal so hoch wie dann, wenn das Leitungsloch nicht vorhanden ist. Anders ausgedrückt sieht man, dass die Beeinträchtigung der Genauigkeit verringert werden kann, wenn das Leitungsloch auf einer Linie zum Verbinden des Zentrums des festen Körpers 13 mit dem Magnetfelddetektorelement angeordnet ist. Weiterhin ist, je kleiner der Durchmesser des Lochs ist, die Beeinträchtigung der Genauigkeit desto geringer. Da das Leitungsloch in der Innenumfangsseite des festen Körpers vorgesehen ist, wird darüber hinaus die Beeinträchtigung der Genauigkeit weiter verringert. Man sieht, dass in der gleichen Querschnittsfläche des Leitungslochs die Beeinträchtigung der Genauigkeit weiter verringert wird, wenn das Leitungsloch in Umfangsrichtung verlängert wird.
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Achte Ausführungsform
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16 ist eine Querschnittsansicht eines magnetischen Kodierers gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 16 bezeichnet das Bezugszeichen 133 einen Schlitzabschnitt, durch welchen eine Bremsenergieversorgungsleitung 313 der Elektronikbremse hindurchgeht, die in dem festen Körper 13 vorgesehen ist. Der Schlitzabschnitt ist auf einer Linie zum Verbinden des Zentrums des festen Körpers 13 mit dem Magnetfelddetektorelement 14 angeordnet. Die Form des Schlitzabschnitts ist rechteckig. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der achten Ausführungsform in der Hinsicht, dass der Schlitzabschnitt 132 an der Innenumfangsseite des festen Körpers vorgesehen ist, anstatt bei dem Leitungsloch.
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Als nächstes wird ein Ergebnis der Messung des Einflusses des Leitungslochs auf die Messgenauigkeit beschrieben.
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Die magnetische Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Bezugs-Kodiereinrichtung (Auflösung: 1 050 000 PPR) werden miteinander verbunden, und von außen gedreht, und es werden ein Messwinkel der magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Messwinkel der Bezugs-Kodiereinrichtung gemessen und miteinander verglichen.
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Die Beeinträchtigung der Genauigkeit infolge des Leitungslochs beträgt 0,12° bei der siebten Ausführungsform und 0,09° bei der achten Ausführungsform. Anders ausgedrückt sieht man, dass die Beeinträchtigung der Genauigkeit infolge des Leitungslochs gering ist.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Da bei einer magnetischen Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, eine Kodiereinrichtung zu erzielen, die eine Hohlraumkonstruktion aufweist, mit kleinen Abmessungen, die schlank ist, und mit geringem Kostenaufwand, kann die magnetische Kodiereinrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines Hohlraum-Stellglieds verwendet werden, das bei einem Roboter oder dergleichen eingesetzt wird. Weiterhin kann das Stellglied, das die magnetische Kodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, bei einer Halbleiterherstellungseinrichtung eingesetzt werden.
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[Fig. 1]
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- A1:
- Hohlraum
- A2:
- Luftspalt
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[Fig. 2]
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- A1:
- A-Phasensignal Va
- A2:
- B-Phasensignal Vb
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[Fig. 3]
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- A1:
- Ausgangsmesssignal
- A2:
- A-Phasensignal
- A3:
- B-Phasensignal
- A4:
- 90 Grad
- A5:
- 360 Grad
- A6:
- Drehwinkel
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[Fig. 4]
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- A1:
- Winkelausgangssignal
- A2:
- Drehwinkel (Grad)
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[Fig. 5]
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- A1:
- Messwinkelfehler (Grad)
- A2:
- Drehwinkel (Grad)
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[Fig. 6]
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[Fig. 7]
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- A1:
- Hohlraum
- A2:
- Luftspalt
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[Fig. 8]
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[Fig. 9]
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[Fig. 10]
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[Fig. 11]
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- A1:
- Hohlraum
- A2:
- Luftspalt
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[Fig. 12]
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[Fig. 13]
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- A1:
- Hohlraum
- A2:
- Luftspalt
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[Fig. 14]
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- A1:
- Kein Leitungsloch
- A2:
- Leitungsloch: 0 Grad
- A3:
- Leitungsloch: 45 Grad
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[Fig. 15]
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- A1:
- Winkelfehler (Grad)
- A2:
- Leitungsloch: 0 Grad
- A3:
- Kein Leitungsloch
- A4:
- Leitungsloch: 45 Grad
- A5:
- Drehwinkel (Grad)
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[Fig. 16]
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- A1:
- Hohlraumwinkel
- A2:
- Luftspalt
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[Fig. 17]
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- A1:
- Magnetisierungsrichtung
