Kugellager mit integriertem Sensor
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugellager mit integriertem Sensor zur Erfassung der Relativbewegung der beiden Lagerringe eines Kugellagers zueinander 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 Lagerringe zueinander. Erfaßt werden können Drehzahl und Drehrichtung. Daraus werden Drehbeschleunigung und die Anzahl der Umdrehungen abgeleitet. 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 herkömmlicher 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 sinusförmige Kurve erzielt werden kann. Da bei den herkömmlichen Sensorlagern desweiteren der Magnet auf dem Sensor montiert ist, ergeben sich Fehler aufgrund der hierdurch begründeten indirekten Messung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neuartiges Sensorlager zur Verfügung zu stellen, welches einerseits besonders einfach und
kostengünstig herstellbar ist, andererseits eine erhöhte Meßgenauigkeit gewährleistet.
Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Kugellager mit integriertem Sensor dadurch gelöst, daß das Polrad aus einem dauerhaft magnetisierbaren Material besteht und am Polrad magnetische Markierungen vorgesehen sind, die vom Sensor abtastbar sind. Die Erfindung gewährleistet die Möglichkeit, ein Polrad in einfacher ringförmiger Geometrie, d.h. ohne zusätzliche Nachbearbeitungsschritte einzusetzen. Demgegenüber können die magnetischen Markierungen entlang des Umfangs des Polrads technisch einfach und mit höchster Genauigkeit eingebracht werden. Durch den Einsatz von magnetischen Markierungen wird ein von zusätzlichen Bearbeitungen unabhängiges optimales Signal im Sinne einer sinusförmigen Kurve erzielt, wodurch die Genauigkeit der Erfassung optimiert werden kann. Die Erfindung erlaubt es, mehr Markierungen (Codes) vorzusehen, als dies bei den bisher bekannten mechanischen Ausführungen möglich war. Auch hierdurch ergibt sich eine höhere Genauigkeit. Darüber hinaus entfällt der Umweg über eine indirekte Messung, wodurch die Messung genauer und kostengünstiger wird.
Das Polrad besteht zweckmäßigerweise aus Ferrit oder einem ferritischem Material. Die Markierung oder Codierung erfolgt durch am Polrad vorgesehen N/S-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 In- krementalaufzeichnung 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 gleich-
zeitig noch zusätzliche Komponenten am Substrat, wie z.B. Temperaturmeßsensoren, 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. In Anbetracht der Verwendung eines Substrats sind der Sensor oder die Sensoren sowie das Substrat innerhalb eines Gehäuses, vorzugsweise seitlich am Kugellager untergebracht. Dies bringt den Vorteil, die Elektronik ebenfalls nahe am Kugellager unterzubringen.
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, wodurch eine verbesserte Abdichtung des Kugellagers erreicht wird. Substrat und Sensoren können ferner bereits als vorgefertigte Einheit eingesetzt werden.
Das Polrad erstreckt sich zweckmäßigerweise über den gesamten Umfang des Kugellagers.
Dadurch, daß das Substrat gemäß einer weiteren Ausgestaltung Elektronikschaltteile 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 Sensormodul in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Gehäuse, Substrat sowie Sensoren können hierbei eine vorgefertigte Einheit bilden.
Beim Sensor handelt es sich um ein magnetfeldabhängiges Bauelement, insbesondere um ein Halbleiterbauelement, z.B. um einen Hall-Sensor oder einem 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 für den Wiederanlauf 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 einzelnen zugehörigen Sensoren erfaßt werden und hierbei ein serieller Code erzeugbar ist.
Bei einem 16Bit seriellen Code ist jedem Bit ein separater Sensor zugeordnet. 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 sowie der zugeordneten Lage von Sensoren;
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Polrad mit N/S-Markierungen sowie zugeordneten, unterschiedlichen Lage von Sensoren;
Fig. 5 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise mehrerer Spuren auf dem Polrad (Fig. 5a) sowie den daraus erhaltenen Parallelcode (Fig. 5b) sowie
Fig. 6 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise des Polrads zur Erzeugung eines seriellen Codes (Fig. 6a) sowie 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 Außenring 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 sowie 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 versetzte 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 Gehäuses 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 Übersichtlichkeit 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 Teilung 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 einzigen, 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, beispielsweise vierstellige Parallelcodes 16 gemäß Fig. 5b zu erzeugen und hierbei neben den eingangs erwähnten Informationen auch die Position des Kugellagers 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 Informationen zu liefern, wo sich der Innenring 3 im Vergleich zum Außenring 2 jeweils befindet.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Information hinsichtlich der Drehstellung 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 Vorteil, daß ohne zusätzliche Anbaumaßnahmen die Drehstellung des Kugellagers 1 in einfacher Weise feststellbar ist.
Alles in allem stellt die Erfindung daher eine erhebliche Bereicherung auf dem einschlägigen technischen Gebiet dar.