DE19960891C2 - Drehgeber bzw. Lineargeber insbesondere für die Erfassung langsamer Bewegungen und Bewegungsrichtungen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Drehgeber bzw. ein Lineargeber insbesondere mit Bewegungsrichtungserkennung, welcher insbesondere für die Erfassung langsamer Bewegungen und deren Bewegungsrichtung geeignet ist.

Ein derartiger Drehgeber oder Positionsdetektor ist beispielsweise mit dem Gegenstand der DE 43 42 069 A1 bekannt geworden.

Bei diesem bekannten Drehgeber wird ebenfalls ein Arm von einer Antriebswelle drehend angetrieben, wobei auf dem Arm drehfest ein Permanentmagnet angeordnet ist. Diesem drehbar angetriebenen Permanentmagneten liegen mindestens zwei wiederum auf Wellen drehbar ausgebildete Permanentmagnete gegenüber, an denen sich der erst genannte auf dem Arm befindliche Permanentmagnet vorbei bewegt.

Dieser Permanentmagnet ist also im Zentrum einer Drehachse angeordnet, wobei radial auswärts eine Reihe (mindestens zwei) drehbar angeordnete Permanentmagnete angeordnet sind. Dem jeweils radial außen liegenden, drehbar gelagerten Permanentmagneten ist hierbei weiter radial auswärts eine Induktionsspule zugeordnet.

Läuft nun der innere, drehend angetriebene Permanentmagnet an einem außen liegenden, drehbar gelagerten Permanentmagneten vorbei, dann kommt es entweder zu einer Anziehung oder Abstoßung des jeweils betroffenen, drehbar gelagerten Permanentmagneten.

Kommt es zu einer Anziehung der sich gegenüber stehenden Permanentmagneten, d. h. liegt beispielsweise ein Nordpol auf dem drehbar angetriebenen Permanentmagneten einem gegenüberliegenden Südpol gegenüber, wird in der dahinter liegenden Spule keine Induktionsspannung induziert. Kommt es hingegen zu einer Gegenüberstellung von einem Nordpol des drehbaren Permanentmagneten zu einem Nordpol des drehbar gelagerten, radial auswärts angeordneten Permanentmagneten, dann dreht sich dieser Permanentmagnet aufgrund der herrschenden Abstoßungskraft schlagartig um und induziert so eine Induktionsspannung in der dahinter liegenden Induktionsspule.

Auf diese Weise wird also ein Energiespeicher realisiert, der im wesentlichen aus drehbar gelagerten Permanentmagneten besteht, wobei diese drehbar gelagerten Permanentmagnete je nach ihrer Drehlage und Beschleunigung in der radial auswärts liegenden, jeweils zugeordneten Induktionsspule eine Induktionsspannung induziert.

Ein derartiger Drehwinkelgeber hat jedoch den Nachteil, daß er sehr kompliziert ist, denn er setzt drehbar gelagerte Permanentmagnete voraus, die mit zugeordneten radial auswärts liegenden Induktionsspulen zusammenwirken.

Es gibt hierbei im Bereich des Drehlagers Reibungswiderstände, so daß die Gefahr besteht, daß ein Permanentmagnet sich sehr schnell schlagartig dreht, während sich ein anderer verzögert dreht, wodurch der Nachteil besteht, daß die in der jeweiligen Spule induzierte Spannung nicht gleich groß ist.

Weiterer Nachteil ist, daß der gesamte Aufbau mechanisch relativ aufwendig wird, teuer in der Herstellung ist und im übrigen auch noch einen großen Platzbedarf voraussetzt, weil die entsprechenden Spulen radial auswärts angeordnet sind, und hier ein entsprechend großer Durchmesser erforderlich ist.

Weiterer Nachteil ist, daß bei sehr hohen Drehzahlen die außen liegenden drehbar gelagerten Permanentmagnete sich nicht mehr mitdrehen und keine Induktionsspannung mehr erzeugen.

Ein weiterer Nachteil ist im übrigen, daß die jeweilige Drehlage der drehbar angeordneten Permanentmagnete nicht ohne weiteres feststellbar ist. Steht beispielsweise ein drehbar gelagerter Permanentmagnet falsch - z. B. verursacht durch eine Erschütterung - dann stellt sich der gewünschte Umschlageffekt nicht ein, obwohl er an dieser Stelle vorausgesetzt und erwartet wird. Der drehbar angetriebene Permanentmagnet dreht dann diesen drehbaren Permanentmagneten in seine "richtigen Lage", so daß also jeweils eine Korrektur stattfinden muß, die auf mindestens einer Gesamtumdrehung des drehbar angetriebenen Permanentmagneten erfolgt.

Damit besteht also der Nachteil, daß eine nicht betriebssichere Erfassung der Drehlage des Positionsgebers in Kauf genommen werden muß, wenn dieser Drehgeber erschüttert wird oder die drehbar angeordneten Permanentmagnete aufgrund anderer Einflüsse in einer nicht erwarteten Drehlage stehen.

Im übrigen besteht noch der weitere Nachteil, daß bei bestimmten dynamischen Bedingungen, insbesondere bei schlagartigen Drehzahländerungen die Masse des drehbar gelagerten Permanentmagneten nicht schlagartig dem vorbeilaufenden drehend angetriebenen Permanentmagneten folgt.

Der Positionsdetektor der DE 43 42 069 A1 hat in seiner einfachsten Form eine drehbare Welle, die über einen starren radialen Arm einen ersten Permanentmagneten mitnimmt, dessen N-S-Ausrichtung axial zur Welle ausgerichtet ist. Axial darüber liegt ein drehfester Halter, an dem radial eine als Energiespeicher dienende Blattfeder angebracht ist, an deren freiem Ende sich ein zum ersten Magneten gegensinnig polarisierter zweiter Magnet befindet, welcher in Ruhestellung des Positionsdetektors in axialer Flucht zum ersten Magneten liegt. Axial über diesem zweiten Magneten liegt eine ortsfeste Induktionsspule mit Eisenkern. Wird nun die Welle gedreht, dann nimmt der erste Magnet den axial darüber befindlichen zweiten Magneten solange mit, bis die Federkraft der Feder größer ist als die Magnethaltekraft zwischen den beiden Magneten. Die in der Feder gespeicherte potenzielle Energie wird dann in kinetische Energie umgesetzt und der zweite Magnet dreht mit Schwung zurück an der ortsfesten Spule vorbei, in der eine Induktionsspannung erzeugt wird, die ausgewertet werden kann. Demgemäss sind die beiden Magnete und damit die Welle und die Feder zeitweise über einen bestimmten Winkelbereich magnetisch miteinander gekoppelt, wobei auch eine zeitweise mechanische Kopplung über einen bestimmten Winkelbereich beschrieben ist. Nicht offenbart ist jedoch, dass direkt zwischen Antriebswelle und erstem Magneten eine lediglich zeitweise mechanische Kopplung besteht und somit keine zeitweise mechanische Entkopplung über einen bestimmten Winkelbereich erfolgt. Nachteil ist also, dass viel Bauraum benötigt wird, da die Magnete, sowie die Spule axial hintereinander in drei Ebenen angeordnet sind. Weiterhin liegen erhöhte Herstellungskosten vor, da alle Magnete bewegt werden. Eine reduzierte Präzision ergibt sich durch Energiefreisetzung aus der Feder entgegen der Bewegungsrichtung der Welle, sowie durch deren Hysterese und Verschleiß.

Eine zweite Ausführung der DE-43 42 069 A1 zeigt einen ersten zentralen Permanentmagneten, dessen N-S-Ausrichtung radial zur Welle ausgerichtet ist, dessen Mittelpunkt auf der Längsachse der Welle liegt und sich hierum drehen lässt. Weiterhin sind zum ersten Magneten radial außen liegende, ebenfalls quer zur ersten Welle ausgerichtete und um sich selbst drehbare zweite Permanentmagnete vorgesehen, die mit axial und/oder radial außerhalb zu diesen beabstandeten Spulen zusammenwirken. Nicht offenbart ist, dass zwischen Antriebswelle und erstem zentralen Magneten eine lediglich zeitweise mechanische Kopplung besteht und somit keine zeitweise mechanische Entkopplung über einen bestimmten Winkelbereich erfolgt. Nachteil ist, dass viel Bauraum benötigt wird, da Spulen und Magnete hintereinander radial auf drei Umkreisen um die Antriebswelle und axial in zwei Ebenen angeordnet sind. Weiterhin liegen erhöhte Herstellungskosten vor, da alle Magnete bewegt werden.

In einer dritten Ausführung der DE-43 42 069 A1 ist ein Lineargeber gezeigt, der auf einer horizontal und linear verschieblichen Schiene eine Vielzahl von beabstandeten und in Querrichtung zur Bewegungsrichtung angeordneten ersten Permanentmagneten besitzt, die alternierend polarisiert sind. Quer zur Bewegungsrichtung der Schiene und in ihrer Ebene liegen um sich selbst drehbare zweite Permanentmagnete, sowie zugehörige fluchtende Spulen, welche weiter von der Schiene entfernt angeordnet sind. Nicht offenbart ist, dass direkt zwischen Antriebsstange und ersten Magneten eine lediglich zeitweise mechanische Kopplung besteht und somit keine zeitweise mechanische Entkopplung über einen bestimmten Winkelbereich erfolgt. Nachteil ist, dass viel Bauraum benötigt wird, da Magnete und Spulen zwar in einer horizontalen Ebene liegen, aber in drei verschiedenen vertikalen Ebenen. Weiterhin liegen erhöhte Herstellungskosten vor, da alle Magnete bewegt werden.

In einer vierten Ausführung der DE-43 42 069 A1 ist ein Drehgeber gezeigt, mit vier von einer Antriebswelle drehend angetrieben radialen Armen mit je einem darauf befestigten polarisierten Permanentmagneten, deren N-S-Ausrichtung ebenfalls radial zur Längsachse der angetriebenen Welle ausgerichtet ist und deren Nordpole nach radial außen zeigen. Die Winkel zwischen den vier Armen sind 60° und 120°. Radial außerhalb dieser ersten Magnete liegen zwei Stück zweite Permanentmagnete, deren N-S-Achse gleich zu den ersten Magneten liegt, jedoch deren Nordpole nach radial innen zeigen. Diese zweiten Magnete sind je auf einem radial sich erstreckenden Arm angeordnet, der an einer separaten, nicht angetriebenen Welle befestigt sind. Wiederum radial außerhalb zu den zweiten Magneten befinden sich drei Stück dritte aber ortsfeste Permanentmagnete, deren N-S-Ausrichtung völlig identisch zu den zweiten rotierbaren Magneten ist. Auf dem gleichen Umkreis um die Antriebswelle wie die dritten Magnete liegen ortsfeste Spulen, welche gleichmäßig zwischen den dritten Magneten angeordnet sind. Alle Spulen und alle Magnete sind in einer horizontalen Ebene angeordnet, jedoch auf drei unterschiedlichen Umkreisen um die Antriebswelle, was zu einem erhöhten Platzbedarf führt. Die Magnete auf jedem einzelnen der Umkreise sind nicht alternierend polarisiert, sondern gleichsinnig polarisiert. Es sind wieder sehr viele bewegte Magnete vorhanden. Hierdurch ist der Drehgeber sehr kompliziert, teuer, anfällig und platzaufwendig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Drehwinkelgeber bzw. Lineargeber mit insbesondere Erkennung der Bewegungsrichtung auch bei langsamen Bewegungen so weiter zu bilden, daß er wesentlich betriebssicherer arbeitet, daß er genauer auch unter ungünstigen Umgebungseinflüssen arbeitet, und daß er kostengünstiger und platzsparender herstellbar ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technischen Lehren der Ansprüche 1 und 14 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß bei Ausführung als Drehgeber, die ortsfesten Permanentmagnete alternierend polarisiert angeordnet sind und der auf dem drehbaren Arm befestigte Permanentmagnet auf einem zum Umkreis axial beabstandeten und konzentrischen Umkreis bewegbar ist, wobei der Arm relativ zur Antriebswelle einen Schlupf über einen vorbestimmten Rotationswinkel aufweist, entlang dem der Arm nicht starr mit der Antriebswelle oder einem der Antriebswelle vorgeschalteten Element verbunden ist, sondern frei um die Drehachse drehbar ausgebildet ist.

Wesentliches Merkmal der Erfindung bei Ausführung als Lineargeber ist, daß mehrere alternierend polarisierte Permanentmagnete entlang einer Führung und beabstandet davon vorgesehen sind, und zwischen den ortsfesten Permanentmagneten mindestens je eine Spule angeordnet ist, und ein mit einem weiteren polarisierten Permanentmagneten versehener Schlitten auf der Führung längs an den ortsfesten Permanentmagneten vorbei bewegbar und in magnetische Wechselwirkung bringbar ist, wobei der Schlitten ein begrenztes lineares Schleppspiel aufweist, entlang dem er nicht starr mit der Führung verbunden ist, sondern frei relativ zur Führung ausgebildet ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass wesentlich weniger Bauraum benötigt wird, da Spulen und ortsfeste Magnete in einer Ebene liegen, die zur Ebene des zweiten Magneten, der mit der Welle verbunden ist, nur einen geringen axialen Abstand aufweist. Daraus resultieren auch geringere Herstellungskosten, auch deswegen, da nur ein einziger auf einem Arm befindliche Magnet bewegt wird, nicht aber die zwei oder mehr ortsfesten Magneten, was eine höhere Präzision der Messung ergibt. Auch kann auf zahlreiche Bauteile verzichtet werden, was zu einem weiteren Kostenvorteil führt, die Reparaturanfälligkeit vermindert, sowie die Präzision der Messung weiter erhöht.

Hauptunterschied zwischen der DE-43 42 069 A1 und der vorliegenden Erfindung ist also zum einen die spezielle, alternierend polarisierte Anordnung der ortsfesten Permanentmagnete und der dazwischen liegenden ortsfesten Messspulen und zum anderen die zeitweise Entkopplung des an der ortsfesten Anordnung der Magnete und Spulen vorüber bewegten einzigen Permanentmagneten vom Antriebselement (Winkelschlupf/Schleppspiel) über einen definierten Bewegungsbereich. Hierdurch erfolgt eine schlagartige Umwandlung der potenziellen in kinetische Energie ohne Rückkopplung auf den Antrieb und Induktion eines erhöhten Messsignals in den Messspulen.

Beispielsweise kann dieser Rotationsarm mit Permanentmagnet einen unten liegenden Nordpol haben, der dann mit den entsprechenden, oben liegenden Südpolen bzw. Nordpolen auf der darunter liegenden Umkreisebene zusammenwirkt.

Weiterhin ist wichtig, daß der Arm mit einem Schlupf auf der Antriebswelle drehend angetrieben wird. Dieser Schlupf wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Arm auf der Antriebswelle drehbar gelagert ist und zwischen zwei Anschlagkanten bewegbar ist, die im Bereich einer Ausnehmung der Antriebswelle angeordnet sind.

Auf dieser Weise kann sich der Arm frei zwischen den beiden Anschlagkanten im Bereich der Ausnehmung der Antriebswelle bewegen, wobei die Antriebswelle selbst mit einer kontinuierlichen Drehbewegung angetrieben wird.

Es handelt sich also um einen Schlepparm, der im Bereich der Anschlagkanten ein bestimmtes freies Bewegungsspiel aufweist.

Wird nun der am freien Ende des Arms angeordnete Nordpol über einen ortsfest angeordneten Südpol auf der Kreisringbahn bewegt, dann wird dieser Arm von dem Südpol eingefangen und dort festgehalten. Das Festhalten geschieht bei sich weiter drehender Antriebswelle so lange, bis der in Antriebsrichtung hinten liegende Anschlag den Arm unter Überwindung der magnetischen Rastkraft über den Südpol des Magneten hinweg bewegt, wodurch der Arm über eine dazwischen liegende Spule hinweg bewegt wird.

Nun ist in Drehrichtung hinter dieser Spule ein Nordpol angeordnet, so daß also der Nordpol auf dem Schlepparm mit diesem ortsfest angeordneten Nordpol eine Abstoßungswirkung erfährt, so daß dieser Schlepparm noch weiter in Drehrichtung beschleunigt wird und über die hinter dem ortsfest angeordneten Nordpol angeordnete Spule hinwegschnellt und dort eine relativ starke Induktionsspannung erzeugt.

Er wird dann von einem hinter der Spule angeordneten Südpolmagneten eingefangen und rastet dort magnetisch ein.

Mit dieser Anordnung von alternierender Polung angeordneten Permanentmagneten besteht also der wesentliche Vorteil, daß der Arm wechselweise von einem Magneten angezogen wird und dort einrastet und beim Weitertransport dieses Schlepparmes schlagartig durch ein dazwischen liegenden gleichsinnig magnetisierten Permanentmagneten beschleunigt wird, bis er wieder auf einen dahinter liegenden entgegengesetzt polarisierten Permanentmagneten trifft, wo er wieder magnetisch einrastet.

Wegen dieser abwechselnden Bewegung von Drehrichtung und nachgeschalteter Beschleunigung kommt es daher zu sehr hohen Induktionsspannungen in den entsprechenden Spulen, was zu einem sehr kräftigen und energiereichem Induktionssignal führt.

Es handelt sich also um eine sehr betriebssichere Anordnung, weil bei dieser Anordnung ortsfeste Magnete abwechselnd zwischen ortsfesten Spulen auf einem gemeinsamen Umkreis angeordnet sind.

Damit besteht auch der Vorteil, daß ein nur geringer Umkreis-Durchmesser verwendet werden muß und die gesamte Anordnung sehr klein gehalten werden kann. Erfindungsgemäß kann somit auch auf eine entsprechende Drehlagerung von Permanentmagneten und gegebenenfalls auch von Spulen verzichtet werden, weil alle genannten Bauteile auf dem Umkreis entsprechend ortsfest auf einer Platte, auf einer Platine oder aber frei gelagert sein können.

Es wird in der folgenden Beschreibung auf die Anordnung dieser beschriebenen Konstruktion als Lineargeber verzichtet. Es ist ohne weiteres verständlich und wird auch in verschiedenen Druckschriften beschrieben, daß man anstatt einer Drehbewegung eine entsprechende lineare Verschiebebewegung durchführt, um mit dieser Art der magnetischen Rastmomente und der Beschleunigung eines Armes einen entsprechenden Lineargeber zu erzeugen.

Im Falle der Linearbewegung des Schlepparmes wird hierbei ein längs einer Schiene oder Führung bewegbarer Schlitten verwendet, dieser Schlitten mit einem Permanentmagneten gekoppelt ist, der in einer bestimmten Richtung polarisiert ist und der mit ebenfalls abwechselnd polarisierten ortsfest angeordneten und längs einer Bahn befindlichen Permanentmagneten zusammen wirkt, zwischen denen die entsprechenden Spulen angeordnet sind.

Vorteil der gesamten Anordnung ist es, daß durch die Schleppbewegung und durch die nachfolgende Beschleunigungsbewegung eine eigenständige Spannung in den Spulen induziert wird, so daß mit dieser induzierten Spannung die gesamte Elektronik mit Energie versorgt werden kann. Es handelt sich also um ein autonomes System, bei dem auf eine Batterieversorgung oder einer Netzversorgung verzichtet werden kann.

Die in den nacheinander folgend angeordneten Spulen induzierten Induktionsspannungen erzeugen jeweils einen Impuls, welche Impulsfolge für die Bewegungsrichtung des Armes über dieser Anordnung eine Aussage trifft.

Damit ist also die Bewegungsrichtung genau festlegbar, weil die Impulsfolge genau festgestellt werden kann, ob z. B. zuerst in der ersten Spule, dann in der zweiten Spule und danach in der dritten Spule eine Spannung induziert wurde.

Ebenso kann die Anzahl der Umdrehungen bzw. Hubbewegungen festgestellt werden, weil ja eine Vollumdrehung bzw. ein Vollausschlag eine definierte Anzahl von Impulsen in den auf dem Umkreis bzw. der Linearführung angeordneten Spulen induziert.

In einer Minimalkonfiguration ist lediglich erforderlich, daß man eine volle Umdrehung erfassen will. Hierzu reichen zwei Spulen aus, die auf einem Umkreis angeordnet werden können, um die Drehrichtung in einer Richtung zu erfassen.

Kommt es hingegen darauf an, daß man die Drehrichtung in zwei entgegengesetzten Richtungen erfaßt, benötigt man vier Spulen, die mit entsprechenden, dazwischen liegenden und alternierend polarisierten Permanentmagneten abgewechselt sind. Für diesen Fall würden dann fünf Permanentmagnete benötigt.

Mit dieser Anordnung können auch größere Rüttelbewegungen eleminiert werden.

Es ist hierbei nicht notwendig, diese Anordnung auf einem Umkreis-Segment von 180° anzuordnen, es können auch beliebige andere Umkreis-Segmente verwendet werden, wie z. B. 90°, 30°, 60° oder dergleichen mehr. Es genügt ja, auf einem Umkreis von 360° nur an einer bestimmten Stelle diese Anordnung unterzubringen, weil man ja nur einen einzigen Durchlauf dieses Armes über einen Winkel von 360° entsprechend seiner Drehrichtung erfassen will.

Die Drehrichtungszählung erfolgt so, daß die in einer Spule oder in mehreren Spulen induzierte Spannung in einen Prozessor eingespeist wird und dort in einem Speicher abgelegt wird, um die Anzahl der durchlaufenden Voltumdrehungen mit Vorzeichen richtig zu zählen.

Vorteil dieser Maßnahme ist, daß diese Zählung der Drehung der Antriebswelle auch im stromlosen Zustand passieren kann, d. h. wenn das Gesamtsystem ausgeschaltet ist und keine Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Dies kommt häufig bei Werkzeugmaschinen vor, bei denen der Betriebsstrom abgestellt wird und die noch einen bestimmten Nachlauf haben und es ist hierbei dann nicht möglich, unter Spannung die noch ablaufenden Leerlaufumdrehungen zu zählen. Hier gibt es mechanische Systeme, die mit einem mechanischen Getriebe gekoppelt sind. Also eine Antriebswelle ist mit einem mechanischen Getriebe gekoppelt ist, um im stromlosen Zustand die Umdrehung der Antriebswelle zu zählen.

Es gibt andere Systeme, bei denen eine Versorgungsbatterie verwendet wird, um ebenfalls bei Wegfall der Versorgungsspannung die noch bestehenden Umdrehungen der Antriebswelle zu zählen.

Hier setzt die Erfindung ein, die eben vorsieht, daß auch bei Wegfall der Versorgungsspannung eine eigene Spannung induziert wird, die nun ausgelesen und abgespeichert werden kann.

Beim Wiedereinschalten des Systems werden die gezählten Vollumdrehungen ausgelesen und im System als Anfangswert zur Verfügung gestellt.

Bei dieser Art der Auswertung wird also die Anzahl der Umdrehungen erfaßt, die spannungslos durchgeführt wurden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur darauf beschränkt, daß das System spannungslos arbeitet, es kann selbstverständlich eine Auswertung der in den Spulen induzierten Spannungen auch dann erfolgen, wenn die Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Dies ist der Regelfall.

Der hier dargestellte Vollumdrehungszähler ist noch mit einer Codierscheibe kombiniert, auf der absolut der Drehwinkel auslesbar ist, so daß beim Wiederschalten des Systems die Anzahl der Vollumdrehungen über den hier erfindungsgemäß dargestellten Vollumdrehungszähler erfaßt werden kann und zusätzlich noch die absolute Lage des Systems insgesamt, weil hierzu die Codierscheibe ausgelesen wird. Daraus ergibt sich die Absolutposition des Gesamtsystems.

Der Begriff Codescheibe ist hier nur als Beispiel gemeint, es gibt auch andere absolute Codierungssysteme, wie z. B. einen induktiven Geber, eine kapazitiven Geber und dergleichen mehr.

Der Vollumdrehungszähler ist also allgemein mit einem absoluten Positionserfassungsgeber gekoppelt.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1: schematisiert einen Vollumdrehungszähler nach der Erfindung in der Draufsicht

Fig. 2: die gleiche Darstellung wie in Fig. 1 in einem anderen Funktionszustand

Fig. 3: schematisiert einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 2

Fig. 4: die Ausbildung der Anordnung als Lineargeber

Fig. 5: die Ausbildung der Anordnung nach Fig. 1-3 mit einem Hohlwellengeber

Fig. 6: schematisiert einen Schnitt durch den Hohlwellengeber nach Fig. 5

In Fig. 1 ist der Drehgeber so aufgebaut, daß auf einer ortsfesten Platte 1 in einem bestimmten Kreissektor von einem Winkel 31 von beispielsweise 170° eine Hintereinanderanordnung von Permanentmagneten 9-13 und Spulen 14-17 auf einem Umkreis 8 angeordnet ist.

Dem als obliegenden Südpol polarisierten Magneten 9 folgt in Drehrichtung eine Spule 14, der wiederum ein als Nordpol polarisierter Permanentmagnet 10, dem wiederum eine Spule 15 folgt, der wiederum einen Südpol polarisierter Permanentmagnet 11 folgt, dem wiederum eine Spule 16 folgt, dem ein als Nordpol polarisierter Permanentmagnet 12 folgt, dem eine Spule 17 folgt und dem schließlich ein Permanentmagnet 13 folgt, der als Südpol polarisiert ist.

Auf einer im Uhrzeigersinn angetriebenen Antriebswelle 2 ist hierbei in der Drehachse ein Arm 18 montiert, der drehbar auf der Antriebswelle gelagert ist.

Dieser Arm 18 ist im Bereich einer Ausnehmung 3 frei verdrehbar und wirkt zur Drehwinkelbegrenzung mit links- und rechtsseitigen Anschlagkanten 4, 5 im Bereich dieser Ausnehmung 3 zusammen.

Der Winkel 6 dieser Ausnehmung steht in einem bestimmten Verhältnis zum Winkel 7 zwischen zwei gleichsinnig gepolten Permanentmagneten 11, 13.

Hierbei sollte der Winkel 6 größer sein als der Winkel 7, um zu vermeiden, daß beim Einrasten des Armes 18 mit seinem als Nordpol polarisierten Magneten 19 dieser Arm an der Anschlagkante 4 anschlägt, wenn der Permanentmagnet 19 an dem Magneten 11 einrastet.

In Fig. 2 ist ein erster Funktionszustand dargestellt, wobei der lediglich der besseren zeichnerischen Verdeutlichung wegen der am Arm 18 montierte Permanentmagnet 19 größer dargestellt ist als der darunter liegenden Permanentmagnet 13. Die Magneten sind in der Praxis gleich ausgebildet.

Es ist jedoch auch möglich, den Permanentmagneten 19 anders in seiner Größe auszubilden als die darunter liegenden und ortsfest angeordneten Permanentmagneten 9-13.

Wird nun die Antriebswelle 2 um ihre Drehachse 32 in Pfeilrichtung 23 angetrieben, dann schlägt die Anschlagkante 5 am Arm 18 an, der somit in Pfeilrichtung 33 mitgenommen wird. Er wird also entsprechend der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle zunächst über die Spule 17 bewegt, wo er eine geringe Induktionsspannung induziert.

Nun gelangt der Nordpol des Magneten 19 über den gleichfalls als Nordpol polarisierten Magneten 12 und wird dort abgestoßen, so daß er stark in Pfeilrichtung 33 beschleunigt wird und mit relativ hoher Geschwindigkeit über die in Drehrichtung sich anschließend angeordnete Spule 16 hinweg schnellt, wo eine beträchtliche Induktionsspannung induziert wird. Damit ist gewährleistet, daß auch bei beliebig langsamer Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle in Pfeilrichtung 23 immer eine gewisse Mindestspannung in der Induktionsspule 16 induziert wird, weil die Induktion allein durch die Abstoßungskraft zwischen den beiden Nordpol-Permanentmagneten erfolgt und diese nicht mehr abhängig ist von der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 2 selbst.

Es erfolgt nämlich ein freies Bewegen des Schlepparmes 18 im Bereich dieser Ausnehmung 3, so daß also diese Bewegung von der Bewegung der Antriebswelle 2 entkoppelt ist.

Nach dem Hinwegschnellen über die Spule 16 wird der als Nordpol polarisierte Permanentmagnet 19 von dem sich in Drehrichtung anschließenden Magneten 11 eingefangen, der als Südpol polarisiert ist. Er rastet dort magnetisch ein und verharrt dort bei Position 34. Hierbei sollte die Anschlagkante 4 in Drehrichtung 23 hinter der Position 34 liegen, um zu vermeiden, daß der Arm 18 beim Einrasten auf dem Magneten 11 an der Anschlagkante anschlägt. Daher ist der Winkel 6 größer zu wählen als der Winkel 7.

Mit zunehmender Weiterdrehung der Antriebswelle 2 holt dann die Anschlagkante 5 den in Position 34 verharrenden Arm 18 wieder ein, nimmt diesen wieder mit und transportiert diesen noch über die weitere Anordnung gemäß Fig. 1, wo sich das gleiche Spiel wiederholt.

Es sind also zwei identische Anordnungen, auf dem Umkreis über einen Winkel von etwa 170° (Winkel 31) gemäß Fig. 1 verteilt.

Diese Anordnung, die auf dem Winkel 7 beschrieben wurde, ist die Minimalkonfiguration. Die andere Konfiguration, die sich auf dem weiteren Weg ergibt, ist nicht lösungsnotwendig.

Wird nämlich in Position 34 die Drehrichtung der Antriebswelle geändert und dreht sich diese dann beispielsweise in Gegenrichtung zur Pfeilrichtung 23, dann erfolgt das Abreißen des Magneten 19 von dem Magneten 11 in Richtung über die Spule 16, in der nur eine geringe Induktionsspannung induziert wird und der Permanentmagnet wird dann von dem Magneten 12 abgestoßen und in der Spule 17 wird eine entsprechend starke Induktionsspannung induziert.

Es wurde aber oben angegeben, daß die Anordnung, welche im Winkelbereich des Winkels 7 liegt, ausreicht.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch die gleiche Anordnung im Winkelbereich 7' angeordnet.

Es reicht also aus, die Anordnung im Winkel 7, bestehend aus drei Magneten und zwei Spulen, zu verwenden, um einwandfrei eine Vollumdrehung zu erfassen und hierzu auch die Drehrichtung zu bestimmen.

Eine Verdoppelung der Anordnung - d. h. also die Anordnung der Hintereinanderfolge von Magneten 9, 10, 11 zusammen mit den Spulen 14, 15 wird jedoch bevorzugt, weil dann ein Drehrichtungswechsel auch sehr feinfühlig in anderen Drehbereichen der Antriebswelle erfaßt werden kann. Um die Feinfühligkeit noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, daß jeder Quadrat eine Anordnung erhält.

Im übrigen dient die Anordnung, welche im Winkelbereich von 7' angeordnet ist, auch noch zur Verfügungstellung einer redundanten Information, denn wenn sich beispielsweise bei der Auswertung der Drehrichtung in der Anordnung im Winkelbereich 7 herausstellt, daß ein bestimmter Drehwinkel festgelegt wurde und beim weiteren Drehen der Antriebswelle nun der Drehwinkel im Bereich der Anordnung des Winkels 7' erfaßt wird, kann festgestellt werden, ob der mit der Anordnung im Winkelbereich 7 festgestellte Drehsinn mit der Anordnung im Winkelbereich 7' festgestellt Drehsinn übereinstimmt.

In Fig. 3 ist schematisiert ein Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 und 2 dargestellt, wo erkennbar ist, daß der Permanentmagnet 19 am freien Ende des drehbaren Schlepparmes 18 angeordnet ist, der in Pfeilrichtung 23 um die Drehachse 32 gedreht wird.

Ortsfest ist hierbei die Platte 1 angeordnet, auf deren Umkreis die Magneten 9-13 und Spulen 14-17 jeweils zueinander abwechselnd angeordnet sind.

Im Gehäuse 20 ist hierbei die weitere Elektronik für den Drehwinkelgeber angeordnet.

Wird ein System benötigt, daß keine Drehrichtungserkennung voraussetzt, wird nur ein Magnet mit zwei Spulen verwendet (Spule 17 und 16 mit Magnet 12).

In Fig. 4 ist die analoge Darstellung und Ausbildung des Drehwinkelgebers als Lineargeber dargestellt. Für diese Ausführung wird gesonderter Schutz beansprucht, der unabhängig ist von dem Schutz des Drehwinkelgebers. Es gelten jedoch alle Erläuterungen, die für den Drehwinkelgeber gegeben wurden, in analoger Weise auch für den in Fig. 4 dargestellten Lineargeber.

Hierbei wird ein Schlitten 21 längs einer Führung 22 in Pfeilrichtung 23 dadurch angetrieben, daß ein entsprechendes gabelförmiges Antriebsteil 35 mit seinem linken Gabelzinken an dem Schlitten 21 angreift und das Antriebsteil 35 damit in Pfeilrichtung 23 bewegt wird. Der Schlitten 21 hat hierbei das im Zusammenhang mit der Ausnehmung 3 erwähnte Schleppspiel im Bereich der Gabel 35, so daß wiederum der Effekt entsteht, daß der am Schlitten 21 angeordnete Permanentmagnet 19 auf dem Magneten 13 einrastet.

Er wird bei weiterer Bewegung in Pfeilrichtung 23 über die Spule 17 bewegt, von dem Magneten 12 abgestoßen und schnellt dann vom Magneten 12 ausgehend über die Spule 16 in Pfeilrichtung 33, bis er an dem Magneten 11 einrastet.

Hierbei wird in der Spule 16 aufgrund der Abstoßungskraft zwischen dem Magneten 12 und dem Magneten 19 die entsprechende, beträchtliche Induktionsspannung induziert.

Die Fig. 5 zeigt das Drehwinkelprinzip nach den Fig. 2-3 in Form eines Hohlwellengebers.

Hierbei ist - in Verbindung mit Fig. 6 - eine untere, ortsfeste Scheibe 24 als Ring ausgebildet, auf dem die Anordnung von Spulen und Magneten angeordnet ist, wie dies anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.

Darüber liegend ist auf der Drehachse ein oberer Ring 26 drehbar montiert, der axial nach oben ragende Anschläge 29, 30 aufweist.

Die Antriebswelle 2 mit ihrer Drehachse 32 ist drehfest mit einer oberen Antriebsscheibe 36 gekoppelt, an der ein axial nach unten gerichteter Anschlagstift 28 angeordnet ist.

Mit dem Drehantrieb der Antriebsscheibe 36 in Pfeilrichtung 23 nimmt somit der Anschlagstift 28 durch Anlage an den Anschlag 29 den Ring 26 mit, der dementsprechend mitgeschleppt wird, bis der Permanentmagnet 19, der auf dem Ring 26 befestigt ist, an dem auf dem Ring 24 befestigten ersten Permanentmagneten 13 einrastet.

Es erfolgt dann der gleiche Bewegungsablauf wie anhand der Fig. 1-3 beschrieben wurde.

Es gelten im übrigen auch für diese Ausführungen die gleichen Erläuterungen.

Die vorliegenden Ausführung unterscheidet sich von der erst genannten Ausführung im wesentlichen nur dadurch, daß statt des Armes 18 ein entsprechender Ring 26 verwendet wird, der mit zugeordneten Anschlägen 29, 30 ausgerüstet ist, und der mit dem als Antrieb dienenden Stift 28 zusammenwirkt.

Richtungserkennung

Es werden immer zwei Impulse dem Steuersystem pro Umdrehung zugeführt. Vom Uhrzeigersinn aus betrachtet ist die Reihenfolge der induzierten Spannungen Spule 16 dann Spule 14. Gegen den Uhrzeigersinn ist die Reihenfolge Spule 15 und dann Spule 17.

Wird die Drehrichtung innerhalb des Permanentmagnet-; Spulen-System geändert (Permanentmagnet 19 verharrt über Permanentmagnet 11) wird eine Spannung an Spule 17 (bzw. Spule 14) ein zweites Mal erzeugt. Das Steuersystem kann aus der Reihenfolge der induzierten Spannungen die Zählrichtung feststellen und die Zählimpulse addieren bzw. subtrahieren.

Drehzahländerung

Wird die Drehzahl langsam erhöht, so werden nahtlos die induzierten Spannungen zu Zählimpulsen durch den Beschleunigungseffekt der Drehzahl gemacht. Es wird garantiert, daß über den gesamten Drehzahlbereich die Umdrehungen gezählt werden. Auch der Übergang von einer hohen Drehzahl zu Null wird so durch das System abgefangen.

Spannungsversorgung

Die induzierte Spannung wird zusätzlich als Spannungsversorgung für das Steuersystem ausgenutzt. Dies hat zur Folge, daß keine Fremdversorgung notwendig ist, wenn die Versorgungsspannung nicht zur Verfügung steht.

Zeichnungslegende

1

Platte

2

Antriebswelle

3

Ausnehmung

4

Anschlagkante

5

Anschlagkante

6

Winkel

7

Winkel

7

'

8

Umkreis

9

ortsfester Permanentmagnet

10

ortsfester Permanentmagnet

11

ortsfester Permanentmagnet

12

ortsfester Permanentmagnet

13

ortsfester Permanentmagnet

14

Spule

15

Spule

16

Spule

17

Spule

18

Arm

19

Permanentmagnet auf

18

20

Gehäuse

21

Schlitten

22

Führung

23

Pfeilrichtung

24

Ring (unten)

25

-

26

Ring (oben)

27

-

28

Anschlagstift

29

Anschlag

30

Anschlag

31

Winkel

32

Drehachse

33

Pfeilrichtung

34

Position

35

Gabel

36

Antriebsscheibe

Claims (15)

1. Drehgeber insbesondere mit Drehrichtungserkennung, mit einem von einer Antriebswelle (2) um eine Drehachse (32) drehend angetriebenen Arm (18) mit einem darauf befestigten polarisierten Permanentmagneten (19), welcher an mindestens zwei gegenüberliegenden ortsfesten polarisierten Permanentmagneten (9-13) mit dazwischen liegender ortsfester Spule (14, 17), die etwa auf einem Umkreis (8) angeordnet sind, vorbei bewegbar und dadurch in magnetische Wechselwirkung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfesten Permanentmagnete (9-13) alternierend polarisiert angeordnet sind und der auf dem drehbaren Arm (18) befestigte Permanentmagnet (19) auf einem zum Umkreis (8) axial beabstandeten und konzentrischen Umkreis bewegbar ist, wobei der Arm (18) relativ zur Antriebswelle (2) einen Schlupf über einen vorbestimmten Rotationswinkel (6) aufweist, entlang dem der Arm (18) nicht starr mit der Antriebswelle (2) oder einem der Antriebswelle (2) vorgeschalteten Element verbunden ist, sondern frei um die Drehachse (32) drehbar ausgebildet ist.

2. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsvektor des auf dem Arm (18) befestigten Permanentmagneten (19) mit dem Polarisationsvektor desjenigen ortsfesten Permanentmagneten (9-13) und/oder der Symmetrielinie derjenigen ortsfesten Spule (14, 17), welcher in wesentlicher magnetischer Wechselwirkung zum auf dem Arm (18) befestigten Permanentmagneten (19) steht, etwa in einer gemeinsamen Ebene liegt.

3. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (18) etwa radial sich erstreckend an der Antriebswelle (2) angebracht ist.

4. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (19) des Armes (18) an dessen freiem Ende angeordnet ist.

5. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Schlupf dadurch erreicht wird, daß der auf der Antriebswelle (2) gelagerte Arm (18) im Bereich des Rotationswinkels (6) zwischen zwei Anschlagkanten (4, 5) frei drehbar ist, welche im Bereich einer Ausnehmung (3) der Antriebswelle (2) angeordnet sind.

6. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung des Drehgebers mit den induzierten Spannungen der Spulen (14-17) bewerkstelligbar ist und dadurch eine Batterieversorgung oder Netzversorgung mindestens teilweise und/oder zeitweise entfallen kann.

7. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei ortsfeste Spulen (14-17) vorgesehen sind und ein ortsfester Permanentmagnet (9-13) mehr, wie ortsfeste Spulen (14-17).

8. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfesten Spulen (14-17) und die ortsfesten Permanentmagnete (9-13) lediglich auf einem vorbestimmten Segment des Umkreises (8) innerhalb eines Winkels (31) angeordnet sind.

9. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren identischen Anordnungen von ortsfesten Spulen (14-17) und ortsfesten Permanentmagneten (9-13) der Winkel (31) des Segmentes des Umkreises (8) etwa 170° beträgt und bei einer Minimalkonfiguration von lediglich einer Anordnung von ortsfesten Spulen (16 und 17) und ortsfesten Permanentmagneten (11-13 bzw. 12) der Winkel (7) des Segmentes des Umkreises (8) etwa 85°.

10. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationswinkel (6) des Armes (18) größer ist als der Winkel (7", 7) einer Anordnung von ortsfesten Spulen (14 und 15 bzw. 16 und 17) und ortsfesten Permanentmagneten (9-11 bzw. 11-13).

11. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der letzte ortsfeste Permanentmagnet (9, 11 bzw. 11, 13) auf dem Umkreis (8) oder der Führung (22) entgegengesetzt polarisiert sind wie der Permanentmagnet (19) auf dem Arm (18) der Antriebswelle (2) bzw. dem Schlitten (21).

12. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeber mit einem absoluten Positionserfassungsgeber gekoppelt ist.

13. Drehgeber mit Drehrichtungserkennung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der absolute Positionserfassungsgeber eine Codierscheibe ist.

14. Lineargeber insbesondere mit Bewegungsrichtungserkennung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere alternierend polarisierte Permanentmagnete (9­ -13) entlang einer Führung (22) und beabstandet davon vorgesehen sind, und zwischen den ortsfesten Permanentmagneten (9-13) mindestens je eine Spule (14, 17) angeordnet ist, und ein mit einem weiteren polarisierten Permanentmagneten (19) versehener Schlitten (21) auf der Führung (22) längs an den ortsfesten Permanentmagneten (9-13) vorbei bewegbar und in magnetische Wechselwirkung bringbar ist, wobei der Schlitten (21) ein begrenztes lineares Schleppspiel aufweist, entlang dem er nicht starr mit der Führung (22) verbunden ist, sondern frei relativ zur Führung (22) ausgebildet ist.

15. Lineargeber insbesondere mit Bewegungsrichtungserkennung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Spulen (14, 17), deren Symmetrieachsen und sämtliche Permanentmagnete (9-13 und 19) und deren Polarisierungsvektoren etwa in einer Ebene liegen.