DE19800403C2 - Verschiebungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschiebungssensor.

Ein gattungsgemäßer Verschiebungssensor ist aus der DE 41 03 561 A1 bekannt. Der Verschiebungssensor arbeitet auf der Basis eines magnetischen Impulsgene­ rators. Solche Sensoren sind vielfältig einsetzbar, z. B. als Rückmeldeorgan für Positionseinrichtungen oder Regelungen. Bei herkömmlichen magnetischen Ver­ schiebungssensoren wird ein Permanentmagnet abgetastet, welcher entlang der Bewegungsrichtung in viele Pole unterteilt ist.

Die mit den verfügbaren Magneten erreichbaren Auflösungen sind jedoch für viele Zwecke zu klein, da die Auflösung von der Breite der Einzelpole abhängt. Pole, die schmäler als 3 mm sind, können aber einerseits aus Ferrit oder ähnlichen ma­ gnetischen Werkstoffen nicht billig hergestellt und andererseits nicht stark genug magnetisiert werden, da der dazu notwendige apparative Aufwand zu hoch ist. Für eine befriedigende Auflösung bei beschränktem Bauvolumen bedarf es aber kei­ nerlei Polbreiten. Außerdem ist die Reluktanz einer Anordnung mit vielfach ge­ poltem Permanentmagneten und einer eisernen Geberstruktur oft zu hoch: Für Anwendungen, bei denen ein Getriebe zur Erhöhung der Auflösung eingeschaltet ist oder bei denen sehr kleine Kräfte wirken, kann die Reluktanz des Gebers dazu führen, daß der Geber auf die abzutastenden Einrichtungen in unzulässigem Ma­ ße rückwirkt und deren Bewegung erschwert oder unmöglich macht.

Als Meßwandler werden Hall-Wandler, magneto-resistive Wandler, Feldplatten oder andere magnetfeld-empfindliche Bauelemente eingesetzt. Besonders ko­ stengünstige Lösungen sind mit Hall-Wandlern möglich, da sie zusammen mit der weiterverarbeitenden Elektronik auf einem Chip integriert werden können. In der Regel wird die Hallspannung auf dem Chip einem Komparator zugeführt, der das analoge Signal in einem digitalen Logikpegel umsetzt.

Für viele Auswertungen ist es zusätzlich auch notwendig, die Bewegungsrichtung des Rotors detektieren zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verschiebungssensor anzugeben, der ein­ fach, robust und preiswert in der erforderlichen Genauigkeit und mit einer hohen Auflösung herstellbar ist, wobei gleichzeitig die Bewegungsrichtung des Rotors detektierbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Um die Bewegungsrichtung detektieren zu können, braucht man zwei Wandler, von denen jeder ein eigenes Signal erzeugt. So kann über den Phasen­ versatz zwischen den beiden Wandlerkanälen die Verschieberichtung bestimmt werden.

Bei richtiger Wahl der Abstände der Statorbleche und der Zahnteilung weist eine solche Anordnung nur eine geringe Reluktanz auf, weil der gesamte magnetische Fluß, der die Anordnung durchsetzt, annähernd konstant ist.

Den besten Effekt ergibt ein Phasenversatz von einem Viertel einer Periode. Au­ ßerdem ergibt sich durch eine logische XOR-Verknüpfung der beiden Signale ein Signal der doppelten Frequenz. Damit wird die doppelte Auflösung erreicht. Die­ ses Verfahren ist unter der Bezeichnung Quadratur-Decodierung bekannt.

Im Sinne einer magnetischen Verschaltung bilden die vier Abschnitte der Stator­ bleche und die beiden Kreisscheiben eine magnetische Brückenschaltung darge­ stellt, daß zwei magnetische Reihenschaltungen parallel geschaltet sind.

Die erste davon besteht aus einem ersten Spalt zwischen dem einen Abschnitt des einen Statorbleches und der einen Kreisscheibe aus einem ersten Abstand zwischen dem einen Abschnitt des einen Statorbleches und dem einen Abschnitt des anderen Statorbleches und einem zweiten Spalt zwischen dem einen Ab­ schnitt des anderen Statorbleches und der anderen Kreisscheibe. Die zweite Rei­ henschaltung besteht aus einem dritten Spalt zwischen dem anderen Abschnitt des einen Statorbleches und der einen Kreisscheibe, einem zweiten Abstand zwi­ schen dem anderen Abschnitt des einen Statorbleches und dem anderen Ab­ schnitt des anderen Statorbleches und einem vierten Spalt zwischen dem anderen Abschnitt des anderen Statorbleches und der anderen Kreisscheibe.

Desweiteren gibt es zwei Querverbindungen zwischen den beiden Reihenschal­ tungen. Eine Querverbindung besteht zwischen der Verbindung des ersten Spalts und des ersten Abstands und der Verbindung des dritten Spalts und des zweiten Abstands. Sie ist durch die Lücke im einen Statorblech hergestellt. Die andere Querverbindung besteht zwischen der Verbindung des ersten Abstands und des zweiten Spalts und der Verbindung des zweiten Abstands und des vierten Spalts. Sie ist durch die Lücke in dem anderen Statorblech hergestellt. An die beiden En­ den der Parallelschaltung ist schließlich der Permanentmagnet angeschlossen.

Es ist günstig, wenn die magnetfeld-empfindlichen Wandler Hall-Wandler sind, da solche Wandler sehr preiswert und genau herstellbar sind. Außerdem lassen sich solche Wandler einfach auf einer integrierten Schaltung unterbringen.

Damit der Verschiebungssensor unempfindlich ist gegen seitliche Bewegungen oder Versatz des Läufers gegenüber dem Stator durch ungenaue Führung oder Fertigung der Läuferteile oder des Stators, ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Statorbleche sich von der Dicke der Kreisscheibe unterscheidet.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zu den Lücken der Statorbleche weisenden Enden der beiden Abschnitte jedes Stator­ bleches abgewinkelt sind. Damit sind größere Fertigungstoleranzen bei der Her­ stellung und beim Einbau der Wandler möglich, ohne daß das Nutzsignal wesentlich schwächer wird.

Weiterhin ist es bei einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn die zu den Lücken der Statorbleche weisenden Enden der beiden Abschnitte eines Statorbleches abgewinkelt sind. Damit können die Wandler auch um einen Winkel von beispielsweise 90 Grad verdreht eingebaut werden. In manchen Einbausituationen kann dies vorteilhaft sein.

Eine weitere Möglichkeit, den Abstand zwischen den Wandlern zu ändern, besteht darin, daß die zu den Lücken der Statorbleche weisenden Enden der beiden Abschnitte eines oder beider Statorbleche gekröpft sind. Wandler verschiedener Hersteller oder verschiedener Bauserien weisen meist unterschiedliche Abstände zueinander auf. Mit dieser Maßnahme kann das berücksichtigt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt. Sie sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Winkelgebers in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 eine Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Winkelgebers mit verdreht und in einem gemeinsamen Gehäuse eingebauten Wandlern und abgewinkelten Statorblech-Enden,

Fig. 3 eine Schaltskizze der magnetischen Schaltung der Komponenten des Verschiebungssensors und

Fig. 4 ein Diagramm der Signale, die an den beiden Wandlern anliegen. Es ist der magnetische Fluß Φ in Abhängigkeit von einem Winkel aufgetragen. Ein Verdrehen des Winkelgebers um eine Zahnteilung entspricht im Diagramm einer Periode.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 3 wurden, der besseren Übersicht wegen, alle Schaltsymbole mit den Bezugszeichen derjenigen Teile des Winkelgebers versehen, die sie repräsentieren sollen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Winkelgeber bestehen aus den vier Abschnitten 1 bis 4 der beiden Statorbleche 1, 2; 3, 4, dem Läufer aus den beiden Läuferblechen 5; 6, dem Permanentmagneten 7 und der Läuferachse 8 sowie zwei Hall-Wandlern 9; 10. Die Hall-Wandler 9; 10 enthalten bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die gesamte Codierelektronik und geben beispielsweise ein digitales Signal aus. Die Abschnitte 1 bis 4 und die Läuferbleche 5; 6 sind mit Verzahnungen 11 bis 16 versehen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Luftspalte 21 bis 24 zwischen den Abschnitten 1 bis 4 des Stators und die beiden Abstände 25; 26 zwischen den Abschnitten 2; 3 sowie 1; 4. Weiterhin sind die Lücken 27; 28 in den Statorblechen 1, 2; 3, 4 dargestellt, in die die beiden Hall-Wandler 9; 10 eingesetzt sind.

Die beiden Enden 30; 31 des einen Statorbleches 3, 4 sind in Fig. 2 abgewinkelt, damit die beiden Hall-Wandler 9 und 10 übereinander statt nebeneinander eingebaut werden können. Bei dieser Art Statorblech ist der Abstand zwischen den Statorblechen 25; 26 unabhängig vom Abstand der beiden Wandler 9; 10 zueinander wählbar. Die Hall-Wandler, die hier in einem gemeinsamen Gehäuse 32 eingebaut sind, sind aus der Lücke herausgerückt dargestellt.

Fig. 3 zeigt die magnetische Schaltung der magnetischen Widerstände der Winkelgeber nach den Fig. 1 und 2. Die Schaltung ist eine Brückenschaltung und besteht aus den beiden parallelen Reihenschaltungen der magnetischen Widerstände der Spalte 21, 26, 24 sowie 22, 25, 23 und aus dem Permanentmagneten 7. Die beiden Reihenschaltungen sind über die magnetischen Widerstände der Lücken 27; 28 in den Statorblechen und der darin montierten Hall-Wandler 9; 10 miteinander verbunden.

Beim Verdrehen des Läufers 5 bis 8 verändert sich der magnetische Widerstand der Spalte und die Brückenschaltung wird verstimmt. Durch den mit 42 angedeuteten Phasenversatz um eine halbe Periode zwischen den Verzahnungen jeweils der beiden Abschnitte eines Statorbleches 1, 2; 3, 4 verändern sich die magnetischen Widerstände der Spalte 21, 22; 23, 24 jeweils gegenläufig.

Aus einem Versatz 41 der Verzahnungen 15; 16 der beiden Läuferscheiben 5; 6 um eine viertel Periode ergibt sich damit idealerweise eine Verschiebung der Widerstandsänderung zwischen den beiden Statorblechen 1, 2; 3, 4 um eine viertel Periode. Da die beiden Statorbleche 1, 2; 3, 4 magnetisch nicht vollständig entkoppelt sind, ist diese Phasenverschiebung jedoch in der Realität kleiner als eine viertel Periode. Durch eine Korrektur der Verschiebung zwischen den Verzahnungen der beiden Läuferbleche läßt sich dieser Effekt jedoch leicht umgehen.

Die beiden Hall-Wandler 9; 10 registrieren die Verstimmung der Brückenschaltung und wandeln sie in ein elektrisches Signal um. Die magnetischen Eingangssignale 43; 44, die die Hall-Wandler registrieren, sind in Fig. 4 dargestellt. Es handelt sich jeweils um den magnetischen Fluß Φ in den Lücken 27; 28 der Statorbleche 1, 2; 3, 4, in die die Wandler eingesetzt sind. Eine Periode entspricht dabei der Bewegung des Läufers um einen Zahn und eine Zahnlücke. Die beiden Signale sind aufgrund des Zahnversatzes zwischen den Läuferblechen 5; 6 um annähernd eine Viertelperiode phasenverschoben. Durch Digitalisieren und Exklusiv-Oder-Verknüpfen der beiden Signale 43; 44 erhält man ein Signal der doppelten Frequenz der Ausgangssignale. Der Verdrehwinkel ist dadurch mit der doppelten Auflösung ermittelbar.

Durch Vergleichen des Vorzeichens der Steigung eines der beiden Signale 43; 44 und des Vorzeichens des jeweils anderen Signals läßt sich die Drehrichtung des Läufers 5 bis 8 ermitteln.

Claims (8)

1. Verschiebungssensor, der einen beweglichen Läufer und einen feststehenden Stator aufweist, wobei der Läufer zwei nebeneinander angeordnete, am Umfang verzahnte Kreisscheiben (5) und (6) und einen dazwischenliegenden, axial polari­ sierten Permanentmagneten (7) als Flußquelle aufweist, der so angeordnet ist, daß die eine Kreisscheibe (5) die eine Polarisation des Magneten (7) annimmt und die andere Kreisscheibe (6) die andere Polarisation,
wobei der Stator aus zwei weichmagnetischen Statorblechen (1, 2; 3, 4) besteht, die als Kreissegmente jeweils eine Kreisscheibe am Umfang teilweise umfassen, wobei jedes der beiden Statorbleche (1, 2; 3, 4) durch eine Lücke (27; 28), welche je einen magnetfeld-empfindlichen Wandler (9; 10) aufweist, in zwei Abschnitte (1 bis 4) geteilt ist,
wobei jeder Abschnitt (1 bis 4) jedes Statorbleches auf einer dem Läufer zuge­ wandten Seite mit einer Verzahnung (11 bis 14) konstanter Teilung versehen ist, wobei die Verzahnungen (11 bis 14) der beiden Abschnitte jedes Statorbleches gegeneinander verschoben sind,
wobei die beiden Kreisscheiben (5, 6) mit einer Verzahnung (15; 16) versehen sind, deren Teilung mit derjenigen der Statorabschnitte (1 bis 4) übereinstimmt,
wobei die Verzahnung (11, 12; 13, 14) je eines Statorbleches der Verzahnung (15; 16) je einer Kreisscheibe (5, 6) gegenüberliegt und
wobei entweder die Verzahnung (15; 16) der beiden Kreisscheiben (5; 6) oder die Verzahnungen (11 bis 14) der beiden Statorbleche (1, 2; 3, 4) gegeneinander im Bewegungssinn des Läufers um einen Betrag kleiner als eine halbe Periode pha­ senverschoben sind.

2. Verschiebungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Abschnitte (1 bis 4) der Statorbleche und die beiden Kreisscheiben (5; 6) eine magnetische Brückenschaltung derart bilden, daß zwei magnetische Reihen­ schaltungen parallel geschaltet sind, von denen eine erste aus einem ersten Spalt (21) zwischen dem einen Abschnitt (1) des einen Statorbleches und der einen Kreisscheibe (5), aus einem ersten Abstand (26) zwischen dem einen Abschnitt (1) des einen Statorbleches und dem einen Abschnitt (4) des anderen Statorble­ ches und einem vierten Spalt (24) zwischen dem einen Abschnitt (4) des anderen Statorbleches und der anderen Kreisscheibe (6) besteht und von denen die zweite magnetische Reihenschaltung aus einem zweiten Spalt (22) zwischen dem ande­ ren Abschnitt (2) des einen Statorbleches und der einen Kreisscheibe (5), einem zweiten Abstand (25) zwischen dem anderen Abschnitt (2) des einen Statorble­ ches und dem anderen Abschnitt (3) des anderen Statorbleches und einem dritten Spalt (23) zwischen dem anderen Abschnitt (3) des anderen Statorbleches und der anderen Kreisscheibe (6) besteht,
daß es außerdem zwei Querverbindungen (9) und (27) sowie (10) und (28) zwi­ schen den beiden Reihenschaltungen gibt, von denen eine Querverbindung (9) und (27) zwischen der Verbindung des ersten Spalts (21) und des ersten Ab­ stands (26) und der Verbindung des zweiten Spalts (22) und des zweiten Ab­ stands (25) durch die Lücke (27) im einen Statorblech und den einen elektromechanischen Wandler (9) hergestellt ist und die andere Querverbindung (10) und (28) zwischen der Verbindung des ersten Abstands (26) und des vierten Spalts (24) und der Verbindung des zweiten Abstands (25) und des dritten Spalts (23) durch die Lücke (28) in dem anderen Statorblech und dem anderen elektro­ mechanischen Wandler (10) hergestellt ist und
daß an die beiden Enden der Parallelschaltung der Permanentmagnet (7) ange­ schlossen ist.

3. Verschiebungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeld-empfindlichen Wandler Hall-Wandler (9, 10) sind.

4. Verschiebungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Statorbleche (1, 2; 3, 4) sich von der Dicke der Kreisscheibe (5; 6) unterscheidet.

5. Verschiebungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Lücken (27; 28) der Statorbleche weisenden Enden der beiden Abschnitte jedes Statorbleches abgewinkelt sind.

6. Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu den Lücken (27; 28) der Statorbleche (1, 2; 3, 4) weisenden Enden (30; 31) der beiden Abschnitte (3; 4) eines Statorbleches abgewinkelt sind.

7. Verschiebungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Lücken (27; 28) der Statorbleche weisenden Enden der beiden Abschnitte jedes Statorbleches gekröpft sind.

8. Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Lücken (27; 28) der Statorbleche weisenden Enden der beiden Abschnitte eines Statorbleches gekröpft sind.