DE19820014A1 - Multiturn-Codedrehgeber - Google Patents

Abstract

Bei einem Multiturn-Codedrehgeber sind die Codeträger (5, 12) zur Erfassung der Umdrehungen einer Eingangswelle (2) untersetzt angetrieben. Die Codeträger (5, 12) weisen jeweils nur einen Nord- und Südpol auf und jeder Codeträger (5, 12) wird von mehreren magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (8, 9) abgetastet. Die Sensorelemente (8, 9) sind in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (7) integriert (Figur 1).

Description

In vielen Fällen ist es erforderlich, die Position einer Welle innerhalb einer Umdrehung sowie die Anzahl der Umdrehungen absolut zu erfassen. Zu diesem Zweck werden Multiturn-Codedrehgeber eingesetzt, wie beispiels­ weise in der EP 0 715 151 B1 und der DE 42 20 502 C1 beschrieben.

Der Multiturn-Codedrehgeber gemäß der EP 0 715 151 B1 ist im HEIDENHAIN-Firmenprospekt: Code-Drehgeber, April 1997 auf Seite 9 be­ schrieben. Zur Erfassung und Unterscheidung einer Vielzahl von Umdre­ hungen einer Welle sind mehrere Codescheiben über ein Getriebe miteinan­ der verbunden. Jede Codescheibe besteht aus mehreren Codespuren mit abwechselnd angeordneten Nord- und Südpolen. Die Codespuren sind un­ terschiedlich geteilt, so besitzt die gröbste jeweils nur einen Nord- und Süd­ pol, die nächstfeinere Spur jeweils zwei Nord- und Südpole und die feinste Spur jeweils acht Nord- und Südpole. Die Codespuren werden von Hall-Sen­ soren abgetastet. Durch Kombination der Abtastsignale aller Hall-Sensoren wird ein absolutes mehrstelliges Codewort gebildet, das die absolute Win­ kelstellung der Codescheibe angibt.

Nachteilig bei diesem Multiturn-Codedrehgeber ist, daß eine Codescheibe mit mehreren Codespuren verwendet werden muß, um ein mehrstelliges Codewort zu erzeugen.

Bei dem Multiturn-Codedrehgeber gemäß der DE 42 20 502 C1 sind eben­ falls mehrere Codescheiben jeweils über ein Untersetzungsgetriebe mitein­ ander verbunden. Jede Codescheibe besteht aus einer Magnettrommel mit einem einzigen Nord- und Südpol. Am Umfang der Magnettrommel sind zwei um 90° gegeneinander versetzt angeordnete Hall-Sensoren vorgesehen. Das Magnetfeld der Magnettrommel, welches die Hall-Sensoren durchdringt ist radial ausgerichtet. Bei einer Umdrehung der Magnettrommel wird ein analoges sin- und cos-Signal erzeugt. Die analogen sin- und cos-Signale aller Codescheiben werden einer Auswerteeinheit zugeführt, welche das mehrstellige Codewort bildet, das wiederum die absolute Winkelstellung der Codescheibe über mehrere Umdrehungen anzeigt.

Nachteilig dabei ist, daß die Hall-Sensoren einzeln auf einer Platine montiert werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Multiturn-Codedrehgeber zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird von einer Anordnung mit den Merkmalen des Patentan­ spruches 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß alle Sensorelemente zur Ab­ tastung eines oder mehrerer Codeträger in einem Chip integriert sind und somit hochgenau zueinander ausgerichtet sind und gleiche Charakteristiken aufweisen.

Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Patentansprüchen ange­ geben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zei­ gen

Fig. 1 das Prinzip eines Multiturn-Codedrehgebers,

Fig. 2 ein erstes Beispiel eines drehbaren Codeträ­ gers mit einer Abtasteinrichtung,

Fig. 3 ein zweites Beispiel eines drehbaren Codeträ­ gers mit einer Abtasteinrichtung,

Fig. 4 ein drittes Beispiel eines drehbaren Codeträ­ gers mit einer Abtasteinrichtung,

Fig. 5 ein viertes Beispiel eines drehbaren Codeträ­ gers mit einer Abtasteinrichtung,

Fig. 6 eine gemeinsame Abtasteinrichtung für meh­ rere Codeträger,

Fig. 7 einen Codeträger, der relativ zu einer Abtast­ einrichtung verdrehbar sowie verschiebbar ist und

Fig. 8 den Codeträger gemäß Fig. 7 in einer weite­ ren Position.

In Fig. 1 ist das Prinzip eines Multiturn-Codedrehgebers dargestellt. Er be­ steht aus einem Singleturn-Teil und einen Multiturn-Teil. Der Singleturn-Teil wird von einer Codescheibe 1 gebildet, die direkt mit der zu messenden Ein­ gangswelle 2 gekoppelt ist. Die Codescheibe 1 trägt eine lichtelektrisch, ma­ gnetisch, kapazitiv oder induktiv abtastbare Codierung 3, um eine Umdre­ hung der Eingangswelle 2 in eine Vielzahl von unterscheidbaren Sektoren aufzuteilen. Diese Codierung 3 ist in der Regel ein mehrspuriger Gray-Code, sie kann aber auch durch einen einspurigen Kettencode gebildet werden. Die Codierung 3 wird von einer Abtasteinrichtung 4 abgetastet, so daß am Ausgang des Singleturn-Teils ein mehrstelliges Codewort C1 ansteht, das die Absolutposition der Eingangswelle 2 innerhalb einer einzigen Umdrehung angibt.

Zur Erfassung der Umdrehungszahlen der Eingangswelle 2 ist der Multiturn- Teil vorgesehen. Er besteht aus zumindest einem Codeträger 5, welcher über ein Untersetzungsgetriebe 6 mit der Eingangswelle 2 gekoppelt ist. Im dargestellten Beispiel ist eine 8-fache Untersetzung gewählt.

Der Codeträger 5 weist einen einzigen Dipol, also einen Nord- und einen Südpol auf. Die Pole werden von einer Abtasteinrichtung 7 abgetastet. Sie besteht aus einem Halbleitersubstrat, in dem mehrere magnetfeldempfindli­ che Sensorelemente 8, 9 integriert sind. Dieses Halbleitersubstrat 7 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Im einfachsten Beispiel sind zwei Sensorele­ mente 8, 9 als Hall-Sensoren integriert. Die empfindlichen Sensorflächen stehen im Beispiel senkrecht zur Substratoberfläche und sind gegenseitig um einen Winkel α verdreht angeordnet. Die Hall-Sensoren 8, 9 sind bei­ spielsweise in der durch den Doppelpfeil gezeichneten Richtung maximal empfindlich, für Magnetfelder parallel zu ihrer gezeichneten längeren Seite dagegen unempfindlich. Dadurch, daß der Magnet 5 um die Drehachse D gedreht wird, wird ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien im Bereich der Hall-Sensoren 8, 9 parallel zur Substratoberfläche liegt, aber seine Richtung in dieser Fläche drehwinkelabhängig verändert. Jeder der Hall-Sensoren 8, 9 liefert somit pro Umdrehung des Magneten 5 ein analo­ ges sinusförmiges Abtastsignal. Wenn der Winkel α = 90° beträgt, sind die Abtastsignale um 90° gegeneinander phasenverschoben und es lassen sich daraus durch bekannte Interpolationsverfahren eine Vielzahl von absoluten Positionen innerhalb einer Umdrehung des Magneten 5 unterscheiden. Die hierzu erforderliche Auswerteschaltung 10 ist ebenfalls im Substrat 7 inte­ griert. Die Auswerteschaltung 10 verknüpft die analogen Abtastsignale der Hall-Sensoren 8, 9 derart, daß am Ausgang parallel mehrere digitale Signale unterschiedlicher Perioden anstehen, die beispielsweise einen Gray-Code bilden oder daß am Ausgang bereits direkt ein mehrstelliges digitales Code­ wort C2 seriell ansteht.

Die Anordnung der Hall-Sensoren 8, 9 kann aber auch gemäß Fig. 3 ge­ wählt werden. Die empfindliche Fläche der Hall-Sensoren 8, 9 liegt parallel zur Oberfläche des Substrats 7 und das wirksame Magnetfeld des Magneten 5 seht senkrecht auf der Substratoberfläche. Diese Anordnung hat den Vor­ teil, daß die Hall-Sensoren 8, 9 am äußersten Umfang des Substrats 7 an­ geordnet werden können, woraus eine hohe Winkelauflösung resultiert. Der Raum im Zentrum des Substrats 7 kann für die Auswerteschaltung 10 opti­ mal genutzt werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist es besonders vorteilhaft, wenn dem Codeträger 5 ein weiteres Untersetzungsgetriebe 11 nachgeschaltet ist, mit dem ein weiterer Codeträger 12 untersetzt angetrieben wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle Codeträger 5, 12 des Multiturn-Teils gleichartig gestaltet sind. Dadurch können auch die korrespondierenden Abtasteinrichtungen 7, 13 gleichartig ausgebildet sein, was die Lagerhaltung vereinfacht und den Ein­ kaufspreis des Substrats 7, 13 erheblich reduziert.

Die jeweils in den einzelnen Abtasteinrichtungen 4, 7, 13 gebildeten mehr­ stelligen Codewörter C1, C2, C3 oder die jeweils gebildeten digitalen Signale unterschiedlicher Perioden werden einer Kombinationslogik 14 zugeführt, welche ein resultierendes mehrstelliges Codewort CR bildet und an eine Folgeelektronik weitergibt.

Anstelle von nur zwei Sensorelementen 8, 9 kann auch in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von Sensorelementen 80 bis 95 im Halbleitersubstrat 74 inte­ griert sein, die jeweils einen Winkel α kleiner als 90° zueinander einschlie­ ßen. Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 4 dargestellt. Das Halbleitersubstrat ist hier mit 74 bezeichnet und die Sensorelemente in Form von Hall-Sensoren mit 80 bis 95. Der Codeträger 54 ist wiederum als Dipol mit einem einzigen Nord- und Südpol ausgebildet. Zum Ausgleich von Exzentrizitäten bei der Drehung des Codeträgers 54 um die Drehachse D sind die Sensorelemente 80 bis 95 symmetrisch zur Drehachse D angeordnet. Abtastsignale jeweils gegenüberliegender Sensorelemente 80, 88; 81, 89 usw. werden zur Bildung eines gemeinsamen Abtastsignals miteinander kombiniert ausgewertet.

Die zur Auswertung erforderlichen Schaltungselemente sind wiederum im Substrat 74 integriert. Werden Hall-Sensoren als Sensorelemente 80 bis 95 eingesetzt, so kann jedem Hall-Sensor 80 bis 95 eine eigene Triggerschal­ tung auf dem Substrat 74 zugeordnet sein. Ein derartiger Hall-Sensor 80 bis 95 wird dann als digitaler Hall-Sensor bezeichnet, da er direkt ein digitales Signal abgibt. Die analogen oder digitalen Signale der Sensorelemente 80 bis 95 werden einer Auswerteschaltung 10 des Substrats 74 zugeführt, so daß wiederum am Ausgang ein mehrstelliges Codewort C2 seriell oder meh­ rere digitale Signale unterschiedlicher Perioden parallel anstehen, die bei­ spielsweise einen Gray-Code bilden.

Beim Beispiel gemäß Fig. 4 ist der Magnet 54 ein scheiben- oder trommel­ förmiger Körper. Die Hall-Sensoren 80 bis 95 sind am Außenumfang räum­ lich verteilt angeordnet, so daß ihre empfindlichen Flächen parallel zur Ober­ fläche des Substrats 74 ausgerichtet sind und sie von einem Magnetfeld des Magneten 54 beeinflußt werden, das senkrecht zur Substratoberfläche aus­ gerichtet ist. Der Einfluß des Magnetfeldes auf die einzelnen Sensorele­ mente 80 bis 95 ist abhängig von der augenblicklichen Drehstellung des Ma­ gneten 54. Die in der Substratoberfläche - welche beispielsweise von den Sensorelementen 80 bis 95 umschlossen wird - angeordnete Auswerteein­ heit 10 bildet aus der Magnetfeldverteilung die absolute Position. Hierzu ist ein Speicher vorgesehen, in dem die Zuordnung von Sensorelement 80 bis 95 zum Winkelwert abgespeichert ist. Wird beispielsweise festgestellt, daß die Sensorelemente 81, 82 im Bereich des maximalen Magnetfeldes liegen, wird ein Winkelwert von 20° ausgegeben. Zur Bestimmung des Ortes des momentan maximalen Magnetfeldes kann auch zwischen zwei Sensorele­ menten interpoliert werden. Bei der Auswertung der momentanen Magnet­ feldlage können die Sensorelemente 81, 82 ermittelt werden, welche maxi­ male Signale abgeben oder es kann auch eine Position ermittelt werden, an der ein Übergang von maximalen zu minimalen Signalen vorhanden ist, im Beispiel wären dies die Sensorelemente 93, 94.

In Fig. 5 ist eine weitere Variante dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 4 sind die Sensorelemente 80 bis 95 unterhalb des Magneten angeordnet. Das wirksame Magnetfeld liegt im Bereich der Trennlinie von Nord- und Südpol.

Die Sensorelemente 8, 9 mehrerer Abtasteinrichtungen 7, 13 des Multiturn- Teils können auch in einem gemeinsamen Substrat 713 integriert sein. Bei­ spiele hierzu sind in den Fig. 6 bis 8 dargestellt.

Die Codeträger 5, 12, die gemäß Fig. 1 jeweils über ein Untersetzungsge­ triebe 6, 11 angetrieben werden, liegen gemäß Fig. 6 in einer gemeinsa­ men Ebene. Die Abtasteinrichtungen 7 und 13 sind in einem gemeinsamen Substrat 713 integriert. Hierzu ist im Substrat 713 ein zweidimensionales Sensorarray aus magnetfeldempfindlichen Sensorelementen 8, 9 ausgebil­ det. Im Beispiel besteht das Array aus vier Zeilen und acht Spalten von Ein­ zelelementen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur zwei der Elemente 8, 9 mit einem Bezugszeichen versehen. Die absolute Drehstellung jedes Magneten 5, 12 kann wie zu Fig. 2 bis 5 beschrieben bestimmt werden.

Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die absolute Position aus der augen­ blicklichen Magnetfeldverteilung beider Codeträger 5, 12 auf dem Sensor­ array 713 durch logische Auswertung gemeinsam zu bestimmen.

Die untersetzte Bewegungsübertragung zwischen den beiden Codeträgern 5, 12 ist nicht auf eine rotatorische Bewegung beschränkt.

Die in Fig. 1 dargestellten Untersetzungsgetriebe 6, 11 können auch als gemeinsames Untersetzungsgetriebe zusammengefaßt werden, so daß der Codeträger 5 nicht nur eine Drehbewegung um eine Drehachse D, sondern eine weitere der Drehbewegung überlagerte Verschiebebewegung oder weitere Drehbewegung relativ zum Sensorarray 713 ausführt. Dieses Bei­ spiel ist schematisch in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt. Nach einer Umdre­ hung des Codeträgers 5 verschiebt sich der Codeträger 5 von der in Fig. 7 dargestellten Position in die in Fig. 8 dargestellte Position. Die überlagerte Bewegung simuliert das zweite Untersetzungsgetriebe 11, sie kann linear, rotatorisch oder spiralförmig sein. Die überlagerte Bewegung kann kontinu­ ierlich erfolgen, oder schrittweise.

Bei den Beispielen gemäß der Fig. 4 bis 8 wird die Codeteilung von der räumlichen Verteilung der Sensorelemente gebildet. Die örtliche Verteilung der Sensorelemente dient als Lageinformation des Magnetkörpers. Jedem Sensorelement ist hierbei eine Adresse zugeordnet, welche die Lageinfor­ mation des Sensorelementes gegenüber den weiteren Sensorelementen und somit die örtliche Verteilung auf dem Halbleitersubstrat definiert. Im Halbleitersubstrat 7, 8, 713 können auch Schnittstellenkomponenten und Ausgangstreiber integriert sein.

Die Zeichnungen sind Prinzipdarstellungen und nicht maßstäblich ausge­ führt. Die Fläche eines Sensorelementes beträgt tatsächlich etwa 0,2 mal 0,4 mm.

Anstelle von Hall-Sensoren können auch andere magnetfeldempfindliche Sensorelemente, wie beispielsweise magnetoresistive Elemente oder Flux­ gates eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Multiturn-Codedrehgeber mit

• 1. einem ersten Codeträger (1), der mit einer Eingangswelle (2) ver­ bunden ist und zur Erzeugung der absoluten Position innerhalb ei­ ner Umdrehung von einer Abtasteinrichtung (4) abgetastet wird,
• 2. zumindest einem weiteren Codeträger (5, 12) zur Messung der An­ zahl der Umdrehungen der Eingangswelle (2), wobei zwischen dem ersten Codeträger (1) und dem weiteren Codeträger (5, 12) ein Untersetzungsgetriebe (6, 11) angeordnet ist, und
• 3. der weitere Codeträger (5, 12) ein Magnetkörper mit nur einem ein­ zigen Nord- und Südpol ist und
• 4. diesem Magnetkörper (5, 12) eine Abtasteinrichtung (7, 13) mit mehreren magnetfeldempfindlichen Sensorelementen (8, 9) zuge­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• 5. diese Sensorelemente (8, 9) in einem gemeinsamen Halbleiter­ substrat (7, 13) integriert sind.

2. Multiturn-Codedrehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleitersubstrat (7, 13) eine Auswerteschaltung (10) inte­ griert ist, der Abtastsignale der Sensorelemente (8, 9) zugeführt werden, und daß die Auswerteschaltung (10) die Abtastsignale derart kombiniert, daß am Ausgang ein digitales Codewort (C2, C3) mit mehreren Bits an­ steht.

3. Multiturn-Codedrehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorelemente Hall-Elemente (8, 9, 80 bis 95) sind und eine Array-Anordnung mit n Sensorelementen bilden, mit n größer oder gleich vier.

4. Multiturn-Codedrehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere weitere Codeträger (5, 12) vorgesehen sind, und daß jeder Codeträger (5, 12) ein Magnetkörper mit einem einzigen Nord- und Südpol ist, und daß die Sensorelemente (8, 9) zur Abtastung mehrerer Codeträger (5, 12) in einem gemeinsa­ men Halbleitersubstrat (713) integriert sind.

5. Multiturn-Codedrehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe zwi­ schen der Eingangswelle (2) und dem weiteren Codeträger (5) eine Verdrehung des Codeträgers (5) sowie eine der Verdrehung überlagerte Verschiebung verursacht, und daß die Sensorelemente (8, 9) zweidi­ mensional in Verdrehrichtung sowie Verschieberichtung nebeneinander in einem Halbleitersubstrat (713) integriert sind.