DE19748996C1

DE19748996C1 - Kugellager mit integriertem Sensor

Info

Publication number: DE19748996C1
Application number: DE1997148996
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Scharrer; Edwin Vogel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: WO1999024837A1; EP1027610A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugellager mit integriertem Sensor zur Erfassung der Relativbewegung der beiden Lagerringe eines Kugellagers zu einander gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kugellager mit integriertem Sensor oder auch "Sensorlager" genannt, stützen rotierende Wellen ab und messen die relativen Bewegungen der beiden La gerringe zueinander. Erfaßt werden können Drehzahl und Drehrichtung.

Daraus werden Drehbeschleunigung und die Anzahl der Umdrehungen abge leitet. Die betreffenden Informationen benötigt man in zunehmenden Maße in der Steuerungs- und Regelungstechnik, um Anlagen elektronisch überwachen und automatisch betreiben zu können. Gemäß Firmenschrift "Der Relusolver - Das Prinzip zur Messung von Bewegung" der Gesellschaft für integrierte Antriebssysteme mbH umfassen Kugellager mit integriertem Sensor her kömmlicher Art, ein Polrad in Form eines Zahnrings mit gleichbleibenden, entlang des Umfangs wiederkehrenden Ausnehmungen. Der Zahnring muß im Bereich der Ausnehmungen eine besonders exakte Formgebung besitzen, damit bei der Auswertung der Meßsignale eine möglichst exakte sinusförmi ge Kurve erzielt werden kann. Da bei den herkömmlichen Sensorlagern des weiteren der Magnet auf dem Sensor montiert ist, ergeben sich Fehler auf grund der hierdurch begründeten indirekten Messung.

Aus der DE 43 23 444 A1 ist ein mit einem Ringcodierer sowie Informati onsmeßfühler ausgestattetes Wälzlager für den Einsatz in einem Antibloc kiersystem bekannt. Der Ringcodierer umfaßt einen radialen sowie axialen Abschnitt und wird auf einen L-förmigen metallischen Träger aufgespritzt Die magnetischen Markierungen befinden sich im radialen Teil des Ringco dierers und werden mit einem seitlich dazu positionierten Sensor abgetastet. Der Aufbau dieses Wälzlagers im Bereich des Ringcodierers ist aufwendig und die Informationswerte gering.

DE 42 01 328 A1 beschreibt einen Sensor zur Erfassung der Drehung des rotierenden Teils eines Radlagergehäuses mit einem am Radlagergehäuse an gebrachten umlaufenden Permanentmagneten mit Magnetpolpaare sowie ei nem in einem feststehenden Trägergehäuse positionierten Meßelement. Das Meßelement ist ebenfalls seitlich, d. h. in axialer Richtung, zum Permanent magneten versetzt angeordnet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein gattungsgemäßes Kugellager mit einfachem Aufbau bei erhöhter Auflösung und Erfassungsge nauigkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Kugellager mit integriertem Sensor dadurch gelöst, daß der Sensorträger, der Sensor sowie das Polrad in einem seitlich zum Kugellager angeordneten Gehäuse untergebracht sind, die magnetischen Markierungen entlang der äußeren, parallel zur Drechachse des Innenrings liegenden Umfangsfläche des Polrads vorgesehen sind und der Sensor dieser Umfangsfläche gegenüberliegt. Die Erfindung erfordert keine aufwendige Konstruktion eines Kugellagers. Sie kann insbesondere auch bei herkömmlichen Kugellager eingesetzt werden. Durch den Einsatz von ma gnetischen Markierungen (N/S-Markierungen) wird ein von zusätzlichen Be arbeitungen unabhängiges optimales Signal im Sinne einer sinusförmigen Kurve erzielt, wodurch die Genauigkeit der Erfassung optimiert werden kann. Die Erfindung erlaubt es weiterhin, mehr magnetische Markierungen (Codes) sowie mehrere Spuren von magnetischen Markierungen vorzusehen, als dies bei den bisher bekannten mechanischen Ausführungen möglich war. Hierdurch ergibt sich eine höhere Genauigkeit sowie Auflösung.

Das Polrad besteht zweckmäßigerweise aus Ferrit oder einem ferritischem Material. Die magnetische Markierung oder Codierung erfolgt durch am Pol rad vorgesehene magnetische Markierungen, die entlang des Umfangs des Polrad lokal definiert angeordnet sind und vom Sensor abgetastet werden. Durch die Anzahl der Markierungen (z. B. 64 entlang des Umfangs) wird die Menge der für die Inkrementalaufzeichnung notwendigen zu erzeugenden Impulse festgelegt.

Erfindungsgemäß ist desweiteren ein Substrat als Träger eines Sensors oder einer Mehrzahl von Sensoren vorgesehen. Das Substrat gewährleistet, daß der Sensor in unmittelbarer Nähe zu dem Polrad sich befindet und gleichzei tig noch zusätzliche Komponenten am Substrat, wie z. B. Temperaturmeß sensoren, Elektronikteile, ein Busanschluß, vorgesehen sein können.

Das Substrat besteht bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung aus temperaturbeständigem Material, insbesondere aus Keramik. Hierdurch kann das Sensorlager bei erhöhten Betriebstemperaturen problemlos betrieben werden.

Ist ein Betrieb bei erhöhten Temperaturen nicht erforderlich, kann anstelle davon das Substrat auch aus Kunststoff bestehen. Ferner ist vorgesehen, daß das Gehäuse den Außenring nicht überragt.

Zweckmäßigerweise ist der jeweilige Sensor in Aussparungen am Substrat untergebracht. Hierdurch wird es möglich, den Abstand zwischen Substrat und Polrad bis auf kleinste Abstände (1/10 mm Bereich) zu reduzieren, wo durch eine verbesserte Abdichtung des Kugellagers erreicht wird. Substrat und Sensoren können ferner bereits als vorgefertigte Einheit eingesetzt wer den.

Das Polrad erstreckt sich zweckmäßigerweise über den gesamten Umfang des Kugellagers.

Dadurch, daß das Substrat gemäß einer weiteren Ausgestaltung Elektronik schaltteile trägt, kann das Substrat mit den dazugehörigen Komponenten in vorteilhafter Weise vormontiert werden.

Darüber hinaus ist es sogar ohne Schwierigkeiten möglich, auf dem Substrat einen Busanschluß zur Verbindung mit einem PC oder einer SPS vorzusehen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt das Kugellager mehrere Sensoren. Zweckmäßigerweise sind die Sensoren um z. B. eine halbe Teilungsperiode zueinander versetzt angeordnet, um zwei 90° elektrisch versetzte Signale (Sinuskurve; Cosinuskurve) zu erhalten. Die beiden Sensoren sind zweckmäßigerweise um eine halbe Teilungsperiode versetzt angeordnet oder aber um mehrere Teilungsperioden (n + 0,5) entfernt.

Gemäß der Erfindung ist zudem ein zusätzlicher Sensor für den Nullimpuls vorgesehen. Auch kann es zweckmäßig sein, mehrere Sensoren als Sensor modul in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Gehäuse, Substrat sowie Sensoren können hierbei eine vorgefertigte Einheit bilden.

Beim Sensor handelt es sich um ein magnetfeldabhängiges Bauelement, ins besondere um ein Halbleiterbauelement, z. B. um einen Hall-Sensor oder ei nem MR-Sensor. Der zusätzliche Sensor zur Temperaturerfassung befindet sich im Gehäuse.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist darin gekennzeichnet, daß mittels der auf dem Polrad befindlichen N/S- Markierungen die Drehstellung des Kugellagers feststellbar ist. Hierdurch kann eine exakte Feststellung der Position bei z. B. Stromausfall fair den Wie deranlauf vorgenommen werden.

Zweckmäßigerweise wird die Feststellung der Drehstellung über einen von der Art und Anordnung der N/S-Markierungen abhängigen Parallelcode oder seriellen Code durchgeführt.

Zur Erzeugung von Parallelcodes sind in vorteilhafterweise mehrere Spuren mit entsprechenden N/S-Markierungen vorgesehen. Beispielsweise sind zur Erzeugung eines 4Bit-Parallelcodes zusätzlich vier Spuren vorhandenen.

Alternativ kann auch eine einzige Spur mit jeweils unterschiedlichen N/S- Markierungen vorgesehen sein, wobei die einzelnen Markierungen von ein zelnen zugehörigen Sensoren erfaßt werden und hierbei ein serieller Code er zeugbar ist.

Bei einem 16 Bit seriellen Code ist jedem Bit ein separater Sensor zugeord net. Bei Bedarf können sowohl Parallelcodes als auch serielle Codes erzeugt werden.

Besondere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Kugellagers mit integriertem Sensor;

Fig. 2 eine Ansicht gemäß Blickwinkel A in Fig. 1 ohne Gehäuse;

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Polrad mit N/S-Markierungen so wie der zugeordneten Lage von Sensoren;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Polrad mit N/S-Markierungen so wie zugeordneten, unterschiedlichen Lage von Sensoren;

Fig. 5 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise mehrerer Spuren auf dem Polrad (Fig. 5a) sowie den dar aus erhaltenen Parallelcode (Fig. 5b) sowie

Fig. 6 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Polrads zur Erzeugung eines seriellen Codes (Fig. 6a) so wie den daraus resultierenden seriellen Code (Fig. 6b).

Bezugsziff. 1 in Fig. 1 bezeichnet das Kugellager mit integriertem Sensor ("Sensorlager") in seiner Gesamtheit. Bezugsziff. 2 bezeichnet den Außen ring des Kugellagers, welcher lediglich der Übersichtlichkeit halber an der Oberseite von Fig. 1 dargestellt ist. Bezugsziff. 3 bezeichnet demgegenüber den Innenring. Dazwischen befindet sich eine Vielzahl von Kugeln 4.

Seitlich zu den Kugeln 4 versetzt angeordnet befindet sich ein Substrat 7, welches Sensoren 8 trägt. Mit dem Innenring 3 verbunden ist ein Polrad 5, welches unmittelbar an die Sensoren 8 angrenzt. Substrat 7, Sensoren 8 so wie Polrad 5 befinden sich in einem Gehäuse 11, welches mit dem Außenring 2 verbunden ist.

Das Substrat 7 besteht aus temperaturbeständigem Werkstoff, z. B. Keramik und trägt (nicht dargestellte) Elektronikschaltteile sowie einen Busanschluß 15 für einen PC bzw. SPS.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, befinden sich die Sensoren 6, 8 sowie 9 am Substrat 7 in unmittelbarer Nähe zum Polrad 5. Das Polrad 5 umfaßt über dessen gesamten Umfang angeordnete, in ihrer Position exakte festgelegte Nord-/Südpol-Markierungen, die von den Sensoren 6, 8 sowie 9 abgetastet werden. In Fig. 2 sind die beiden Sensoren 6 und 8 zueinander in bezug auf den Umfang versetzt angeordnet. Gleiches gilt für den Sensor 9. Die versetz te Anordnung gewährleistet die Möglichkeit, phasenverschobene Signale (z. B. eine Sinuskurve sowie eine Cosinuskurve) zu erhalten. Der zusätzliche Sensor 9 ist dazu vorgesehen, eine Temperaturfühlung im Inneren des Ge häuses 11 vorzunehmen.

Die Fig. 3 zeigt in stark vereinfachter Form einen Abschnitt des Polrads 5 mit den einzelnen lokal definierten N/S-Codierungen, von den der Übersichtlich keit halber lediglich eine in Fig. 3 beschriftet ist. Desweiteren ist aus Fig. 3 die jeweilige Position der einzelnen Sensoren 6, 8 sowie 9 in bezug auf das Polrad 5 zu erkennen. Die Sensoren 6 sowie 8 sind zueinander um eine Tei lung versetzt angeordnet. Hierdurch werden zwei um 90° phasenverschobene Signale (Sinuskurve; Cosinuskurve) erhalten. Der dritte Sensor 9 befindet sich außerhalb des Einflusses der Codierungen auf dem Polrad 5. Mit ihm wird lediglich eine Nullpunktsetzung vorgenommen.

Alternativ zu der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 sind bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 die Sensoren 6 sowie 8 seitlich versetzt sowie in einem einzi gen, gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Die Einteilung des Polrads 5 kann bis zur kleinsten technisch möglichen N/S- Markierungen vorgenommen werden, wodurch die Genauigkeit der Messung erheblich gesteigert werden kann.

Das Polrad 5 besteht zweckmäßigerweise aus einem Ferritring, in den die einzelnen N/S-Markierungen eingebracht sind. Weitere Überarbeitungen sind hierbei nicht erforderlich.

Gemäß Fig. 5a umfaßt das Polrad 5 insgesamt vier Spuren 18, mit jeweils unterschiedlichen Informationen, die von einzelnen, der jeweiligen Spur 18 zugeordneten Sensoren 6 erfaßt werden. Hierdurch ist es möglich, beispiels weise vierstellige Parallelcodes 16 gemäß Fig. 5b zu erzeugen und hierbei neben den eingangs erwähnten Informationen auch die Position des Kugella gers 1, d. h. des Substrats 7 bzw. Außenrings 2 zum Polrad 5 bzw. Innenring 3 festzustellen.

Das erfindungsgemäße Kugellager 1 ist damit in der Lage, auch Informatio nen zu liefern, wo sich der Innenring 3 im Vergleich zum Außenring 2 jeweils befindet.

Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Information hinsichtlich der Dreh stellung auch unter Erzeugung eines seriellen Codes 17 erfolgen, wie dies in Fig. 6a dargestellt ist. Hierzu werden unterschiedliche N/S-Markierungen 10 entlang einer Spur 18 angeordnet und von jeweils einzelnen zugehörigen Sensoren 6 abgefragt. Daraus resultiert die Erzeugung eines seriellen Codes 17, wie er in Fig. 6b dargestellt ist.

Bei Bedarf können Parallelcodes 16 mit seriellen Codes 17 sogar kombiniert werden. Die obigen Ausgestaltungen der Erfindung gewährleisten den Vor teil, daß ohne zusätzliche Anbaumaßnahmen die Drehstellung des Kugella gers 1 in einfacher Weise feststellbar ist.

Alles in allem stellt die Erfindung daher eine erhebliche Bereicherung auf dem einschlägigen technischen Gebiet dar.

Bezugszeichenliste

1

Kugellager

2

Außenring

3

Innenring

4

Kugel

5

Polrad

6

Sensor

7

Substrat

8

Sensor

9

Sensor

10

N/S-Markierung

11

Gehäuse

12

Aussparung

13

Aussparung

14

Aussparung

15

Busanschluß

16

Parallelcode

17

serieller Code

18

Spur

Claims

1. Kugellager mit integriertem Sensor zur Erfassung der Relativbewegung der beiden Lagerringe des Kugellagers zueinander, mit einem zumin dest abschnittsweise ausgebildeten Polrad, mindestens einem Sensor zur Abtastung des Polrads sowie einem Sensorträger, wobei am Polrad magnetische Markierungen vorgesehen sind, die vom Sensor abtastbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorträger, der Sensor (6, 8 oder 9) sowie das Polrad (5) in ei nem seitlich zum Kugellager (1) angeordneten Gehäuse (11) unterge bracht sind, die magnetischen Markierungen entlang der äußeren, paral lel zur Drechachse des Innenrings (3) liegenden Umfangsfläche des Polrads (5) vorgesehen sind und der Sensor (6, 8 oder 9) dieser Um fangsfläche gegenüberliegt.

2. Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad (5) aus Ferrit oder zumindest ferritischem Material besteht.

3. Kugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Markierungen entlang mindestens eines Teils, vor zugsweise entlang des gesamten Umfangs des Polrads (5) vorgesehen sind.

4. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorträger ein Substrat (7) vorgesehen ist.

5. Kugellager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7) aus temperaturbeständigem Material, insbesondere aus Keramik oder aus Kunststoff besteht.

6. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) den Außenring (2) in radialer Richtung nicht über ragt.

7. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6, 8 oder 9) in einer Aussparung (12, 13, 14) am Substrat (7) untergebracht ist.

8. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad (5) sich über den gesamten Umfang des Polrads (5) er streckt.

9. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7) Elektronikschaltteile und/oder einen Busanschluß (15) für Leittechnik trägt.

10. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren (6, 8, 9) vorgesehen sind.

11. Kugellager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (6, 8) zueinander versetzt angeordnet sind, um zwei phasen verschobene Signale zu erhalten.

12. Kugellager nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Sensor (9) für den Nullimpuls vorgesehen ist.

13. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren (6, 8 und 9) als Sensormodul in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.

14. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11), das Substrat (7) sowie der oder die Sensoren (6, 8 sowie 9) eine vorgefertigte Einheit bilden.

15. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6, 8 oder 9) ein magnetfeldabhängiges Bauelement, insbe sondere Halbleiterbauelement, insbesondere ein Hall-Sensor oder ein MR-Sensor ist.

16. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Sensor zur Temperaturerfassung im Gehäuse (11) vor gesehen ist.

17. Kugellager nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellung des Kugellagers mittels der magnetischen Markierun gen (10) insbesondere über von Sensoren erfaßbare Parallelcodes (16) oder serielle Codes (17) feststellbar ist.

18. Kugellager nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spuren mit magnetischen Markierungen (10) vorgesehen sind, wodurch ein Parallelcode (16) erzeugbar ist.

19. Kugellager nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spur mit unterschiedlichen magnetischen Markierungen vorgese hen ist, die von einzelnen Sensoren erfaßt werden und hierdurch ein serieller Code (17) erzeugbar ist.

20. Kugellager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Parallelcodes (16) als auch serielle Codes (17) erfaßbar sind.