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Dokumentenidentifikation DE112005001382T5 16.05.2007
Titel Magnetische Codiereinheit
Anmelder Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Fukuoka, JP
Erfinder Uemura, Koji, Kitakyushu, Fukuoka, JP;
Arinaga, Yuji, Kitakyushu, Fukuoka, JP;
Kabashima, Takefumi, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 112005001382
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, EP, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG
WO-Anmeldetag 11.05.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2005/008598
WO-Veröffentlichungsnummer 2005124285
WO-Veröffentlichungsdatum 29.12.2005
Date of publication of WO application in German translation 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse G01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20070222, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01D 5/18(2006.01)A, L, I, 20070222, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Codiereinheit zum Erfassen einer Drehposition eines Motors in einem Industrieroboter, einem NC-Verarbeitungswerkzeug oder ähnlichem, und insbesondere eine magnetische Codiereinheit zum Erfassen einer absoluten Winkelposition bei weniger als einer einzigen Drehung sowie der Größe einer Mehrfachdrehung.

Stand der Technik

Es ist eine magnetische Codiereinheit zum Erfassen eines Winkels bei weniger als einer einzigen Drehung bekannt, wobei das Magnetfeld eines Permanentmagneten erfasst wird, der in einer Richtung senkrecht zu der Drehachse eines Drehglieds magnetisiert ist und unter Verwendung eines Magnetfeld-Detektorelements an dem Drehglied fixiert ist (siehe zum Beispiel das Patentdokument 1).

8 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten magnetischen Codiereinheit.

In 8 gibt das Bezugszeichen 1 ein Drehglied an und gibt das Bezugszeichen 2 einen Permanentmagneten an, der ein scheibenförmiges Magnetfeldglied bildet, das an einem Ende des Drehglieds 1 fixiert ist, wobei der Permanentmagnet 2 in einer Richtung senkrecht zu der Achsenrichtung des Drehglieds 1 magnetisiert ist. Das Bezugszeichen 3 ist ein ringförmiges, fixiertes Glied, das an dem Außenumfang des Permanentmagneten 2 angeordnet ist, und das Bezugszeichen 4 gibt ein Magnetfeld-Detektorelement an, das in einer Umfangsrichtung des fixierten Glieds 3 mit einem konstanten Intervall angeordnet ist, sodass es konzentrisch mit dem Drehzentrum des Drehglieds 1 ist, wobei das Magnetfeld-Detektorelement vier Magnetfeld-Detektorelemente 41, 42, 43 und 44 umfasst. Die Magnetfeld-Detektorelemente 4 sind gegenüber der Außenumfangsfläche des Permanentmagneten 2 mit dazwischen einem Zwischenraum angeordnet. Ein A1-Phastendetektorelement 41 und ein B1-Phasendetektorelement 42 sind mit dazwischen einer Phasendifferenz von 90° des elektrischen Winkels angeordnet. Ein A2-Phasendetektorelement 43 ist mit einer Phasendifferenz von 180° des elektrischen Winkels zu dem A1-Phasendetektorelment 41 versetzt, und ein B2-Phasendetektorelement 44 ist mit einer Phasendifferenz von 180° des elektrischen Winkels von dem B1-Phasendetektorelement 42 versetzt.

9 ist ein Blockdiagramm, das eine Signalverarbeitungsschaltung zeigt.

In 9 gibt das Bezugszeichen 5 eine Signalverarbeitungsschaltung an, die Differentialverstärker 51 und 52 und eine Winkelberechnungsschaltung 53 umfasst.

Im Folgenden wird der Betrieb beschrieben.

Der an dem Drehglied 1 fixierte Permanentmagnet 2 dreht sich mit der Drehung des Drehglieds 1. Das Magnetfeld-Detektorelement 4 erfasst ein Magnetfeld, das durch den Permanentmagneten 2 erzeugt wird, und gibt ein Sinuswellensignal mit einer Periode von ungefähr einer Drehung in einem Drehwinkel aus. Ein derartiger Codierer zum Ausgeben von einem Signal für eine Periode in einer Drehung wird als 1x-Codierer bezeichnet.

Der Differentialverstärker 51 empfängt ein A1-Signal (Va1), das ein Erfassungssignal aus dem A1-Phasendetektorelement 41 ist, und ein A2-Signal (Va2), das ein Erfassungssignal aus dem A2-Phasendetektorelement 43 ist, und gibt ein Differentialsignal Va für beide Signale aus. Der Differentialverstärker 52 empfängt ein B1-Signal (Vb1), das ein Erfassungssignal aus dem B1-Phasendetektorelement 42 ist, und ein B2-Signal (Vb2), das ein Erfassungssignal aus dem B2-Phasendetektorelement 44 ist, und gibt ein Differentialsignal Vb für beide Signale aus. Die Differentialsignale Va und Vb unterscheiden sich in der Phase durch 90°. Die Winkelberechnungsschaltung 53 berechnet den Arkustangens (Va/Vb) aus den Differentialsignalen Va und Vb, um den Drehwinkel zu erhalten.

Auf diese Weise erfasst der bekante 1X-Codierer einen Winkel von nicht mehr als einer Drehung, indem er das durch den in einer Richtung magnetisierten Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld unter Verwendung des Magnetfeld-Detektorelements erfasst und den Winkel unter Verwendung der Signalverarbeitungsschaltung berechnet.

  • Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. Hei10-541482

Beschreibung der Erfindung Problemstellung

Der bekannte 1X-Codierer verfügt über keine Einrichtung zum Erfassen von Mehrfachdrehungen und erfasst deshalb nur einen Winkel von weniger als einer Drehung. Um die Größe einer Mehrfachdrehung zu erfassen, wird eine Mehrfachdrehungs-Detektorschaltung zu der Signalverarbeitungsschaltung des bekannten 1X-Codierers hinzugefügt, wobei die Signale aus dem Magnetfeld-Detektorelement in die Mehrfachdrehungs-Detektorschaltung eingegeben werden, um die Größe der Mehrfachdrehung zu erfassen. Um jedoch die Informationen zu der Größe der Mehrfachdrehung auch bei einer Unterbrechung der Stromversorgung wie etwa bei einem Stromausfall zu erhalten, muss kontinuierlich Strom zu dem Magnetfeld-Detektorelement 4 und der zusätzlichen Mehrfachdrehungs-Detektorschaltung zugeführt werden, wobei eine Sicherungsstromquelle wie etwa eine Batterie verwendet wird. Der Stromverbrauch sollte dabei sehr klein sein, wobei jedoch ein ausreichender Strom in das Magnetfeld-Detektorelement 4 fließen muss, um ein Winkelsignal für weniger als eine Drehung mit hoher Präzision zu erhalten, sodass eine Energieeinsparung sehr schwierig ist. Wenn also eine Batterie als Sicherungsstromquelle verwendet wird, muss die Batterie häufig ausgetauscht werden, sodass es schwierig ist, den bekannten 1X-Codierer für mechanische Vorrichtungen anzuwenden, die kontinuierlich über einen längeren Zeitraum mit nur einer Batterie betrieben werden, wodurch der Anwendungsbereich der magnetischen Codiereinheit eingeengt wird.

Es kann eine mechanische Einrichtung wie etwa ein Getriebe hinzugefügt werden, um die Größe einer mehrfachen Drehung ohne Verwendung einer Sicherungsstromquelle zu erfassen und zu erhalten. Dadurch ergeben sich jedoch Probleme hinsichtlich einer Vergrößerung des Volumens und einer Verkürzung der Lebenszeit der magnetischen Codiereinheit aufgrund eines mechanischen Kontakts oder hinsichtlich einer Verminderung der Zuverlässigkeit aufgrund eines mechanischen Verschleißes.

Es ist schwierig, einen kleinen Dämpfungsmechanismus unter Verwendung einer mechanischen Einrichtung wie etwa eines Getriebes für einen Motor des Außenrotortyps vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die oben geschilderten Probleme zu lösen. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine magnetische Codiereinheit mit einer kleinen Größe, einer kleinen Dicke und einer langen Lebenszeit vorgesehen wird, die die Größe einer mehrfachen Drehung mit einem geringeren Stromverbrauch erfassen kann und die kontinuierlich für eine lange Zeitdauer mit nur einer Batterie betrieben werden kann, wobei sie auch die Größe einer mehrfachen Drehung eines Motors des Außenrotortyps erfassen kann.

Problemlösung

Um den oben genannten Vorteil zu erhalten, sieht eine magnetische Codiereinheit gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung die folgenden Konfigurationen vor.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 ist eine magnetische Codiereinheit angegeben, die umfasst:

einen Permanentmagneten, der in einer Richtung senkrecht zu einer Drehachse eines Drehglieds magnetisiert ist und an dem Drehglied fixiert ist,

ein Magnetfeld-Detektorelement, das an einem fixierten Glied gegenüber dem Permanentmagneten mit dazwischen einem Zwischenraum fixiert ist, und

eine Signalverarbeitungsschaltung, die ein Signal aus dem Magnetfeld-Detektorelement verarbeitet, wobei

das Magnetfeld-Detektorelement wenigstens zwei Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente zum Erfassen des Winkels bei weniger als einer Drehung und wenigstens zwei Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente zum Erfassen der Größe einer Mehrfachdrehung umfasst, und

die Signalverarbeitungsschaltung eine Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung zum Erzeugen eines Einfachdrehungs-Winkelsignals aus den Erfassungssignalen aus dem Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelementen und eine Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung zum Erzeugen eines Mehrfachdrehungssignals aus den Erfassungssignalen aus den Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelementen umfasst.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 2, weisen das Drehglied und der Permanentmagnet eine Ringform auf, wobei

ein ringförmiges Magnetjoch um den Permanentmagneten herum ausgebildet ist, und

das fixierte Glied in dem Drehglied angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 3 weist das fixierte Glied eine Ringform auf und ist aus einer ferromagnetischen Substanz ausgebildet.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 4 sind die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente jeweils Magnetwiderstandselemente oder Hall-Elemente.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 5 sind die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente in der Umfangsrichtung des Permanentmagneten angeordnet.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 6 sind die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente auf der Seitenfläche des Permanentmagneten mit dazwischen einem Zwischenraum in der Achsenrichtung des Drehglieds angeordnet.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 wird die Mehrfachdrehungs-Detektoreinrichtung einschließlich der Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente und der Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung unabhängig zu der Einfachdrehungs-Winkeldetektoreinrichtung einschließlich der Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelementen und der Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung hinzugefügt. Weil dementsprechend eine Sicherungsstromversorgung zu nur der Mehrfachdrehungs-Detektoreinrichtung bei einer Unterbrechung der externen Stromversorgung zugeführt werden kann, kann die Größe der Mehrfachdrehung mit sehr kleinem Stromverbrauch erfasst werden, sodass eine als Sicherungsstromquelle verwendete Batterie nicht häufig ausgetauscht werden muss und eine lange kontinuierliche Betriebszeit ermöglicht wird.

Weil gemäß der Erfindung nach Anspruch 2 das Drehglied und der Permanentmagnet eine Ringform aufweisen und das fixierte Glied in dem Drehglied angeordnet ist, kann die Größe einer Mehrfachdrehung eines Motors des Außenrotortyps mit einem sehr geringen Stromverbrauch erfasst werden.

Weil gemäß der Erfindung nach Anspruch 3 das in dem Drehglied angeordnete fixierte Glied eine Ringform aufweist, kann eine hohle magnetische Codiereinheit vorgesehen werden, die die Größe einer Mehrfachdrehung erfassen kann.

Indem gemäß der Erfindung nach Anspruch 4 ein magnetisches Widerstandselement oder ein Hall-Element mit einer kleinen Größe und einem geringen Stromverbrauch als Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement verwendet wird, wird das Volumen nicht wesentlich vergrößert, wenn eine Mehrfachdrehungsfunktion hinzugefügt wird. Also auch wenn die Mehrfachdrehungsfunktion zu einer bekannten magnetischen Codiereinheit hinzugefügt wird, ist die Anwendung der Einheit nicht hinsichtlich der Außengröße beschränkt. Weil kein mechanischer Kontakt vorgesehen ist, kann eine magnetische Codiereinheit mit einer langen Lebensdauer und einer großen Zuverlässigkeit vorgesehen werden.

Weil gemäß der Erfindung nach Anspruch 5 die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente in dem Außenraum am Außenumfang des Permanentmagneten angeordnet sind, in dem die Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente angeordnet sind, kann die Dicke in der Umfangsrichtung vermindert werden.

Gemäß der Erfindung nach Anspruch 6 sind die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente auf der Seitenfläche des Permanentmagneten 2 gegenüber dem Drehglied 1 angeordnet. Dementsprechend sind die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente nicht direkt der Strahlungswärme aus dem Motor ausgesetzt, auch wenn der Motor direkt mit dem Drehglied verbunden ist, sodass die Größe einer Mehrfachdrehung auch bei einer geringen Stromversorgung stabil und sehr zuverlässig erfasst werden kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Codiereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

2 ist ein Blockdiagramm, das eine Mehrfachdrehungs-Verarbeitungsschaltung der magnetischen Codiereinheit gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

3 ist ein Betriebsdiagramm, das die Beziehung zwischen einem Mehrfachdrehungssignal und einem Einfachdrehungssignal zeigt.

4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Codiereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Codiereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Codiereinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Codiereinheit gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.

8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine bekannte magnetische Codiereinheit zeigt.

9 ist ein Blockdiagramm, das eine Signalverarbeitungsschaltung der bekannten magnetischen Codiereinheit zeigt.

1, 1'
Drehglied
2
Permanentmagnet
2'
Magnetfeld-Erzeugungsrotor
21
Ringförmiger Permanentmagnet
22
Ringförmiges Magnetjoch
3, 3'
Fixiertes Glied
31
Ringförmiges fixiertes Glied
32
Elementhalterung
4
Magnetfeld-Detektorelement, Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement
41
A1-Phasendetektorelement
42
B1-Phasendetektorelement
43
A2-Phasendetektorelement
44
B2-Phasendetektorelement
5
Signalverarbeitungsschaltung, Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung
51, 52
Differentialverstärker
53
Winkelberechnungsschaltung
6
Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement
61
Am-Phasendetektorelement
62
Bm-Phasendetektorelement
7
Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung
71, 72
Verstärker
73
Zähler

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Codiereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In 1 gibt das Bezugszeichen 1 ein Drehglied an, gibt das Bezugszeichen 2 einen Permanentmagneten an, gibt das Bezugszeichen 3 ein fixiertes Glied an, gibt das Bezugszeichen 4 ein Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement an, gibt das Bezugszeichen 5 eine Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung an, gibt das Bezugszeichen 6 ein Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement an und gibt das Bezugszeichen 7 eine Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung an. Die Konfigurationen des Drehglieds 1, des Permanentmagneten 2, des fixierten Glieds 3, des Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelements 4 und der Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 5 sind denjenigen der bekannten magnetischen Codiereinheit ähnlich, sodass hier auf eine weitere Beschreibung derselben verzichtet wird.

In dieser Ausführungsform wird der Permanentmagnet 2 aus einem Ferrit-Magneten ausgebildet und umfasst zwei Pole, die parallel zu einer Richtung senkrecht zu der Drehachse des Drehglieds 1 magnetisiert sind. Der Durchmesser des Permanentmagneten 2 beträgt ungefähr 3 mm, und die Dicke beträgt ungefähr 1 mm.

Das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 umfasst zwei magnetische Widerstandselemente eines Am-Phasendetektorelements 61 und eines Bm-Phasendetektorelements, die auf der Außenumfangsfläche des Permanentmagneten 2 auf einer Scheibe mit dazwischen einem Zwischenraum angeordnet sind und mit ungefähr 90° in der Phase eines elektrischen Winkels zueinander versetzt sind.

Weil die Am-Phase und die B-Phase die Drehrichtung bestimmen, können die Am-Phase und die B-Phase jeweils Phasenwinkel in einem Bereich sein, der die Reihenfolge der Erzeugung eines Vam-Signals und eine Vbm-Signals aufgrund eines Zitterns beider Signale nicht beeinflusst. Das Am-Phasendetektorelement 61 und das Bm-Phasendetektorelement 62können an Positionen angeordnet sein, die um 10° bis 170° des elektrischen Winkels zueinander versetzt sind.

Die Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 verarbeitet das Am-Phasensignal und das Bm-Phasensignal, die durch das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 erfasst werden, um ein Mehrfachdrehungssignal zu erzeugen.

2 ist ein Blockdiagramm, das die Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung zeigt.

In 2 geben die Bezugszeichen 71 und 72 Verstärker an, und gibt das Bezugszeichen 73 einen Zähler an.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass sie das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 und die Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 umfasst.

Im Folgenden wird der Betrieb der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Die Erfassung eines Winkels bei weniger als einer Drehung erfolgt ähnlich wie im Stand der Technik, sodass hier nur die Erfassung der Größe einer Mehrfachdrehung beschrieben wird.

Wenn sich der Permanentmagnet 2 mit der Drehung des Drehglieds 1 dreht, variiert die magnetische Flussdichte des Zwischenraums. Die Variation der magnetischen Flussdichte wird durch das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 erfasst und in die Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 eingegeben. Das durch das Am-Phasendetektorelement 61 des Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelements 6 erfasste Signal wird durch den Verstärker 71 zu dem Signal Vam verstärkt und dann in den Zähler 73 eingegeben. Das durch das Bm-Phasendetektorelement 61 erfasste Signal wird durch den Verstärker 72 zu dem Signal Vbm verstärkt und dann in den Zähler 73 eingegeben. Der Zähler 73 zählt Vam und Vbm, um ein Mehrfachdrehungssignal zu erzeugen.

3 ist ein Betriebsdiagramm, das die Beziehung zwischen einem Mehrfachdrehungssignal und einem Signal für weniger als eine Drehung zeigt.

In 3 ist das Einfachdrehungssignal ein Winkelsignal, das mit der Drehung des Drehglieds 1 zwischen 0 und (dn – 1) variiert, wenn die Auflösung des Signals gleich dn ist. Ein Winkelsignal mit der Größe der Mehrfachdrehung an einem Erfassungspunkt kann erhalten werden, indem zuvor Daten cd zu dem Einfachdrehungssignal gespeichert werden, wenn das Mehrfachdrehungssignal variiert, wobei {(d – dc)/dn} zu dem Mehrfachdrehungssignal k addiert wird, wenn die Daten d des Einfachdrehungssignals an dem Erfassungspunkt größer als dc sind, und wobei {(d + dn – dc)/dn} zu dem Mehrfachdrehungssignal k addiert werden, wenn d kleiner als dc ist.

Wenn eine externe Stromversorgung aufgrund eines Stromausfalls oder ähnlichem unterbrochen wird, werden das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 und die Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 mit Strom aus einer Batterie versorgt, um die Mehrfachdrehungsdaten zu erhalten und die Größe einer Mehrfachdrehung kontinuierlich zu erfassen. Weil die Erfassung der Größe einer Mehrfachdrehung keine größere Erfassungspräzision erfordert als bei dem Einfachdrehungs-Winkelsignal, kann die Größe einer Mehrfachdrehung mit einem kleinen Stromverbrauch erfasst werden. Dabei werden das Magnetfeld-Detektorelement 4 und die Signalverarbeitungsschaltung 5 nicht mit Strom versorgt, sodass das Einfachdrehungssignal nicht erfasst werden kann. Wenn jedoch bei dem 1X-Codierer die externe Stromversorgung aufgrund eines Stromausfalls oder ähnlichem unterbrochen wird, kann das Einfachdrehungs-Winkelsignal aus dem Erfassungssignal des Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelements 4 reproduziert werden, nachdem die Stromversorgung wiederhergestellt wurde.

Indem in dieser Ausführungsform zusätzlich eine Mehrdrehungs-Detektoreinrichtung einschließlich des Mehrdrehungs-Magnetfeld-Detektorelements 6 und der Mehrdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 unabhängig von der Einfachdrehungs-Winkeldetektoreinrichtung einschließlich des Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelements 4 und der Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 6 vorgesehen wird und die Sicherungsstromversorgung bei einer Unterbrechung der externen Stromversorgung nur zu der Mehrdrehungs-Detektoreinrichtung mit geringem Stromverbrauch zugeführt wird, kann die Größe einer Mehrfachdrehung mit einem sehr geringen Stromverbrauch erfasst werden. In dieser Ausführungsform kann der Stromverbrauch der Sicherungsstromquelle auf ungefähr 0,3 mW reduziert werden. Dieser Wert entspricht ungefähr 1/500 des Stromverbrauchs bei der Erfassung einer Mehrfachdrehung unter Hinzufügung der Mehrfachdrehungs-Detektorschaltung zu der bekannten magnetischen Codiereinheit und der gemeinsamen Verwendung des Signals des Magnetfeld-Detektorelements.

Als Magnetfeld-Detektorelement zum Erfassen der Größe einer Mehrfachdrehung ohne Hinzufügung eines bestimmten Mehrdrehungs-Erfassungsmechanismus ist das Mehrdrehungs-Magnetwiderstandselement 6 mit einer kleinen Größe und einem geringen Stromverbrauch in dem Zwischenraum auf demselben Umfang angeordnet wie das Einfachdrehungs-Magnetdetektorelement 4. Dementsprechend ist das Volumen in der Achsenrichtung und in der Durchmesserrichtung der Drehachse nicht vergrößert, sodass ein kleiner Aufbau vorgesehen wird.

Es kann also eine magnetische Codiereinheit vorgesehen werden, die für verschiedene Einsatzzwecke angewendet werden kann.

In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Ferrit-Magnet als Permanentmagnet verwendet, wobei der Permanentmagnet auch aus einem Sm-Co-Magneten, einem Ne-Fe-B-Magneten oder einem komplexen Magneten ausgebildet werden kann, bei dem verschiedene Magneten mit einem Polymermaterial verbunden sind.

Die Signale werden unter Verwendung der Verstärker 71 und 72 in der Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 angepasst. Derselbe Effekt kann auch unter Verwendung eines Komparators erhalten werden. Der Komparator kann in Nachbarschaft zu dem Magnetfeld-Detektorelement 6 und nicht in Nachbarschaft zu der Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 angeordnet werden. Weil in diesem Fall das aus dem Komparator ausgegebene binarisierte Signal für die Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 gegeben wird, kann der Rauschwiderstand erhöht werden.

Zweite Ausführungsform

4 ist eine perspektivische Ansicht einer magnetischen Codiereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 der ersten Ausführungsform auf der Außenumfangsfläche des scheibenförmigen Permanentmagneten mit dazwischen einem Zwischenraum angeordnet ist, während das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement hier auf der Ebene des scheibenförmigen Permanentmagneten 2 angeordnet ist. Das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement ist auf der Ebene gegenüber der Ebene angeordnet, an der das Drehglied 1 fixiert ist.

Das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 umfasst zwei Hall-Elemente eines Am-Phasendetektorelements 61 und eines B-Phasendetektorelements 62, die an dem fixierten Glied 3 durch eine nicht gezeigte Fixierungseinrichtung derart fixiert sind, dass sie um ungefähr 90° in der Phase in der Drehrichtung des Drehglieds 1 zueinander versetzt sind. Der Zwischenraum zwischen der Fläche des Permanentmagneten 2 und dem Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement beträgt ungefähr 1 mm.

Der Betrieb dieser Ausführungsform ist demjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich, sodass hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird.

In dieser Ausführungsform ist das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 auf einer Scheibenebene des Permanentmagneten 2 gegenüber dem Drehglied 1 mit dazwischen einem Zwischenraum angeordnet. Wenn also ein nicht gezeigter Motor direkt mit dem Drehglied 1 verbunden ist, empfängt das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement keine Strahlungswärme aus dem Motor, sodass ein Magnetfeld mit einem kleinen Stromverbrauch erfasst werden kann.

In dieser Ausführungsform kann ähnlich wie in der ersten Ausführungsform durch das Hinzufügen der Mehrfachdrehungs-Detektorschaltung zu der Signalverarbeitungsschaltung der bekannten magnetischen Codiereinheit und das durch gemeinsame Verwenden des Signals aus dem Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement der Stromverbrauch auf ungefähr 1/500 des Stromverbrauchs bei der Erfassung einer Mehrfachdrehung reduziert werden. Dementsprechend kann das Intervall für das Austauschen einer Batterie beträchtlich verlängert werden, wenn eine Batterie als Sicherungsstromquelle verwendet wird.

Dritte Ausführungsform

5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Codiereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In 5 gibt das Bezugszeichen 1' ein Drehglied an, gibt das Bezugszeichen 2' einen Magnetfeld-Erzeugungsrotor an und gibt das Bezugszeichen 3' ein fixiertes Glied an. Das Bezugszeichen 21 gibt einen ringförmigen Permanentmagneten an, das Bezugszeichen 22 gibt ein ringförmiges Magnetjoch an, das auf dem Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten 21 angeordnet ist und aus einem magnetischen Material ausgebildet ist. Der Magnetfeld-Erzeugungsrotor 2' umfasst den ringförmigen Permanentmagneten 21 und das ringförmige Magnetfeldjoch 22. Das Bezugszeichen 4 gibt vier Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente an, die an dem fixierten Glied 3' gegenüber dem ringförmigen Permanentmagneten 21 mit dazwischen einem Zwischenraum fixiert sind und eine Position bei weniger als einer Drehung erfassen. Das Bezugszeichen 5 gibt eine Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung an, die Signale aus den Magnetfeld-Detektorelementen 4 verarbeitet. Und das Bezugszeichen 6 gibt zwei Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente an, die an dem fixierten Glied 3' gegenüber dem ringförmigen Permanentmagneten 2 mit dazwischen einem Zwischenraum fixiert sind.

Der ringförmige Permanentmagnet 21 ist aus einem Ferritmagneten ausgebildet und weist zwei Pole auf, die in einer Richtung parallel zu der Richtung senkrecht zu der Achse des Drehglieds 1 magnetisiert sind. Das ringförmige Joch 22 ist aus einer ferromagnetischen Substanz wie etwa Karbonstahl ausgebildet. Der Magnetfeld-Erzeugungsrotor 22 dient dazu, den magnetischen Widerstand zu reduzieren und ein Magnetfeld auf das Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 4 und das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 zu konzentrieren, um das Signal/Rauschen-Verhältnis der Magnetfeld-Detektorelemente zu erhöhen. Der Magnetfeld-Erzeugungsrotor dient dazu, externes magnetisches Rauschen abzuschirmen, wobei er aus einer ferromagnetischen Substanz wie etwa Karbonstahl ausgebildet sein kann.

Das Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 4 umfasst vier Hall-Effekt-Elemente, die gegenüber der Innenumfangsfläche des Permanentmagneten 21 mit dazwischen einem Zwischenraum angeordnet sind. Ein A1-Phasendetektorelement 41 und ein B1-Phasendetektorelement 42 sind mit einer Phasendifferenz von 90° des elektrischen Winkels zueinander versetzt. Ein A2-Phasendetektorelement 43 ist mit einer Phasendifferenz von 180° des elektrischen Winkels zu dem A1-Phasendetektorelement 41 versetzt, und ein B-Phasendetektorelement 44 ist mit einer Phasendifferenz von 180° des elektrischen Winkels zu dem B1-Phasendetektorelement 42 versetzt.

Das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 umfasst Magnetwiderstandselemente, die gegenüber dem Magnetfeld-Erzeugungsrotor 2' mit dazwischen einem Zwischenraum in der Durchmesserrichtung des Drehglieds 1 angeordnet sind. Ein Am-Phasendetektorelement 61 und ein B-Phasendetektorelement 62 sind mit einer Phasendifferenz von 90° des elektrischen Winkels zueinander versetzt.

Die Konfigurationen der Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 5 und der Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 sind denjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich, sodass sie hier nicht weiter beschrieben werden.

Die Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der an dem Drehglied fixierte Permanentmagnet mit einer Ringform ausgebildet ist, wobei ein ringförmiges Magnetjoch um den Permanentmagneten herum ausgebildet ist und wobei das Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 4 und das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 an dem fixierten Glied innerhalb des Drehglieds angeordnet sind.

Im Folgenden wird der Betrieb beschrieben. Der Magnetfeld-Erzeugungsrotor 2' dreht sich mit der Drehung des Drehglieds 1'. Das durch den Magnetfeld-Erzeugungsrotor 2' erzeugte Magnetfeld wird durch das Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 4 erfasst und dann durch die Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 5 zu einem Einfachdrehungs-Winkelsignal gewandelt. Das durch den Magnetfeld-Erzeugungsrotor 2' erzeugte Magnetfeld wird durch das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 erfasst und durch die Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 zu einem Mehrfachdrehungssignal gewandelt. Die Verfahren zum Erzeugen des Einfachdrehungswinkelsignals und des Mehrfachdrehungssignals sind denjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich, sodass sie hier nicht weiter beschrieben werden.

Weil in dieser Ausführungsform das Volumen in der Achsenrichtung und in der Durchmesserrichtung des Drehglieds nicht durch das Hinzufügen einer Funktion zum Erfassen einer Mehrfachdrehungsgröße vergrößert wird, kann ein kleiner Aufbau erhalten werden, um die Größe einer Mehrfachdrehung eines Drehglied des Außenrotortyps mit einem sehr kleinem Stromverbrauch zu erfassen.

Weil eine kleine Größe (ungefähr 2,5 × 1,5 × 0,6 mm) beibehalten werden kann und ein starkes Ausgangssignal erhalten werden kann, indem das Hall-Element als Magnetfeld-Detektorelement verwendet wird, ist der Rauschwiderstand hervorragend. Weil das Hall-Element eine kleine Größe aufweist, kann die Dicke in der Breitenrichtung des Drehglieds reduziert werden. Weil außerdem die Dicke im Durchmesser reduziert werden kann, kann der Hohldurchmesser vergrößert werden, um einen optimalen Aufbau mit einer hohlen Form zu erhalten.

In dieser Ausführungsform wird ein Ferrit-Magnet als ringförmiger Permanentmagnet verwendet, wobei der Permanentmagnet jedoch auch aus einem Sm-Co-Magneten, einem Ne-Fe-B-Magneten oder einem komplexen Magneten des Dipersionstyps, in dem verschiedene Magneten mit einem Polymermaterial verbunden sind, verwendet werden kann.

Vierte Ausführungsform

6 ist eine perspektivische Ansicht einer magnetischen Codiereinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform dadurch, dass in der dritten Ausführungsform das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 auf der Außenumfangsfläche des fixierten Glieds 3' angeordnet ist, während das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 hier durch eine nicht gezeigte Fixierungseinrichtung an dem fixierten Glied 3' gegenüber der Seitenfläche des Magnetfeld-Erzeugungsrotors 2' mit dazwischen einem Zwischenraum in der Achsenrichtung des Drehglieds 1' angeordnet ist.

Der Betrieb dieser Ausführungsform ist demjenigen der dritten Ausführungsform ähnlich, sodass hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird.

In dieser Ausführungsform kann die Größe der Mehrfachdrehung eines Motors des Außenrotortyps mit einem sehr geringen Stromverbrauch erfasst werden, wobei das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 auf der Ebene des Magnetfeld-Erzeugungsrotors gegenüber dem Drehglied 11 mit dazwischen einem Zwischenraum angeordnet ist. Wenn also ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform ein nicht gezeigter Motor direkt mit dem Drehglied 1' verbunden wird, wird das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement nicht der Strahlungswärme aus dem Motor ausgesetzt, sodass das Magnetfeld stabil und mit einem geringen Stromverbrauch erfasst werden kann.

Fünfte Ausführungsform

7 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines fixierten Glieds gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In 7 gibt das Bezugszeichen 31 ein ringförmiges Fixierungsglied an und gibt das Bezugszeichen 32 eine Elementhalterung an. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform dadurch, dass das fixierte Glied eine Ringform aufweist. Dementsprechend kann die Größe einer Mehrfachdrehung eines Motors des Außenrotortyps mit einem hohlen Aufbau erfasst werden. Das ringförmige Fixierungsglied 31 ist aus einer ferromagnetischen Substanz (zum Beispiel aus Karbonstahl) ausgebildet. Dementsprechend kann der Magnetwiderstand ähnlich wie bei dem ringförmigen Magnetjoch 22 der dritten Ausführungsform reduziert werden, um das Magnetfeld auf das Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 4, das eine Position bei weniger als einer Drehung erfasst, und auf das Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 zu konzentrieren. Außerdem kann das Signal/Rauschen-Verhältnis des Erfassungssignals verbessert werden und kann ein externes Magnetrauschen abgeschirmt werden. Die Elementhalterungen aus einer nicht-magnetischen Substanz sind zwischen dem ringförmigen fixierten Glied 31, dem Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 4 und dem Mehrfach-Magnetfeld-Detektorelement 6 angeordnet. Dank der Elementhalterung kann eine Position des Magnetfeld-Detektorelements erfasst werden und kann die Positionspräzision verbessert werden.

Der Betrieb dieser Ausführungsform ist demjenigen der dritten Ausführungsform ähnlich, sodass hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird.

Wie oben beschrieben kann gemäß dieser Ausführungsform die Größe einer Mehrfachdrehung des Motors des Außenrotortyps mit einem hohlen Aufbau mit einem sehr geringen Stromverbrauch erfasst werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Weil gemäß der Erfindung die Größe einer Mehrfachdrehung bei einer kleinen Größe und mit einem sehr geringen Stromverbrauch erfasst werden kann, kann die Erfindung auf kleine Servomotoren angewendet werden, bei denen die absolute Position erfasst werden muss.

Zusammenfassung

Es wird eine magnetische Codiereinheit mit einer kleinen Größe und einem geringen Stromverbrauch angegeben, die einen Winkel bei weniger als einer Drehung und die Größe einer Mehrfachdrehung erfassen kann.

Die magnetische Codiereinheit umfasst einen Permanentmagneten 2, der in einer Richtung senkrecht zu einer Drehachse eines Drehglieds 1 magnetisiert ist und an dem Drehglied 1 fixiert ist, ein Magnetfeld-Detektorelement 4, das an einem fixierten Glied 3 gegenüber dem Permanentmagneten 2 mit dazwischen einem Zwischenraum fixiert ist, und eine Signalverarbeitungsschaltung 5, die ein Signal aus dem Magnetfeld-Detektorelement 4 verarbeitet. Weiterhin ist eine Mehrfachdrehungs-Detektoreinrichtung einschließlich eines Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelements 6 und einer Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung 7 zum Erfassen der Größe einer Mehrfachdrehung aus einem Signal aus dem Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelement 6 hinzugefügt.


Anspruch[de]
Magnetische Codiereinheit, die umfasst:

einen Permanentmagneten, der in einer Richtung senkrecht zu einer Drehachse eines Drehglieds magnetisiert ist und an dem Drehglied fixiert ist,

ein Magnetfeld-Detektorelement, das an einem fixierten Glied gegenüber dem Permanentmagneten mit dazwischen einem Zwischenraum fixiert ist, und

eine Signalverarbeitungsschaltung, die ein Signal aus dem Magnetfeld-Detektorelement verarbeitet, wobei

das Magnetfeld-Detektorelement wenigstens zwei Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente zum Erfassen des Winkels bei weniger als einer Drehung und wenigstens zwei Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente zum Erfassen der Größe einer Mehrfachdrehung umfasst, und

die Signalverarbeitungsschaltung eine Einfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung zum Erzeugen eines Einfachdrehungs-Winkelsignals aus den Erfassungssignalen aus dem Einfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelementen und eine Mehrfachdrehungs-Signalverarbeitungsschaltung zum Erzeugen eines Mehrfachdrehungssignals aus den Erfassungssignalen aus den Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelementen umfasst.
Magnetische Codiereinheit nach Anspruch 1, wobei:

der Permanent eine Ringform aufweist,

ein ringförmiges Magnetjoch um den Permanentmagneten herum ausgebildet ist, und

das fixierte Glied in dem Drehglied angeordnet ist.
Magnetische Codiereinheit nach Anspruch 2, wobei:

das fixierte Glied eine Ringform aufweist und aus einer ferromagnetischen Substanz ausgebildet ist.
Magnetische Codiereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei:

die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente jeweils Magnetwiderstandselemente oder Hall-Elemente sind.
Magnetische Codiereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei:

die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente in der Umfangsrichtung des Permanentmagneten angeordnet sind.
Magnetische Codiereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei:

die Mehrfachdrehungs-Magnetfeld-Detektorelemente auf der Seitenfläche des Permanentmagneten mit dazwischen einem Zwischenraum in der Achsenrichtung des Drehglieds angeordnet sind.






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