DE19800403C2 - Verschiebungssensor - Google Patents
VerschiebungssensorInfo
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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.
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.
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.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE1998100403 DE19800403C2 (de) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | Verschiebungssensor |
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---|---|---|---|
DE1998100403 DE19800403C2 (de) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | Verschiebungssensor |
Publications (2)
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DE19800403A1 DE19800403A1 (de) | 1999-07-15 |
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Family
ID=7854140
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998100403 Expired - Fee Related DE19800403C2 (de) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | Verschiebungssensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19800403C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004045810B4 (de) * | 2004-09-22 | 2013-11-28 | Robert Bosch Gmbh | Magnetsensoranordnung |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10036653B2 (en) * | 2014-10-06 | 2018-07-31 | Te Connectivity Corporation | Relative angle sensor |
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---|---|---|---|---|
DE3926328A1 (de) * | 1989-08-09 | 1991-02-14 | Magnetic Research And Trading | Vorrichtung zum messen von laengen, winkeln und dergleichen |
DE4103561A1 (de) * | 1990-02-07 | 1991-08-14 | Papst Motoren Gmbh & Co Kg | Drehstellungsgeber fuer die erfassung einer rotorposition |
-
1998
- 1998-01-08 DE DE1998100403 patent/DE19800403C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE19800403A1 (de) | 1999-07-15 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SIEMENS AG, 80333 MUENCHEN, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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