DE20008200U1 - Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber - Google Patents
Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische DrehgeberInfo
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Description
CoreTech · ·♦ ··· * ··· * *
Gebrauchsmuster
Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber
Beschreibung
Gegenstand der Anmeldung ist ein Baukastensystem für optische absolute und inkrementale Winkelmessgeräte (gemäß der deutschen Norm DIN 32 878, Punkt 2.1 und 2.2) in den unterschiedlichsten Bauformen und Auflösungen, sowie die entsprechenden Winkelmessgeräte. Dieses Baukastensystem besteht aus wenigen Komponenten und sieht für alle Drehgeber dieselbe optische Einheit (10) vor. Diese optische Einheit (10) beinhaltet neben der Codescheibe (2), der Lichtquelle (11) und der photoelektrischen Empfänger-Einrichtung (13), auch bereits die Lagerung (5). Diese Bauteile werden auf einem mechanischen Träger (4) montiert und sind. für alle Drehgeber identisch. Dieser „Drehgeberkern" wird mit unterschiedlichen mechanischen und elektrischen Bauteilen komplettiert und die Auflösung wird programmiert. Somit entstehen mit relativ wenigen Bauteilen eine große Palette von unterschiedlichen Drehgeber-Typen.
Optische Winkelmessgeräte nach dem Oberbegriff der Anmeldung bestehen aus einer teiltransparenten codierten Scheibe, der sogenannten Codescheibe, welche mit Hell- / Dunkelfeldern versehen ist. Auf einer Seite der Codescheibe (2) ist eine Lichtquelle (11) angeordnet, dessen emittiertes Licht unter Umständen zusätzlich mittels einer Kollimatorlinse (12) in ein paralleles Lichtbündel überführt wird, während auf der gegenüberliegenden Seite ein photoelektrischer Empfänger (13) angeordnet ist. Das vom Lichtsender (11), in der Regel eine IR-LED, emittierte Licht wird vermittels einer Winkelbewegung der Codescheibe (2) optisch moduliert. Die auf der Empfängerschaltung (13) angeordneten Photo-Empfänger transferieren diese modulierten Lichtsignale in entsprechende elektrische Signale um. Diese Signale werden in einer Signalverarbeitungseinheit (15) weiterverarbeitet und an eine Regelung bzw. Steuerung übertragen. Zur Signal-Übertragung kommen neben elektrischen Schnittstellen insbesondere auch Bussysteme infrage.
Diese Winkelmessung kann inkrementell oder absolut decodiert und ausgegeben werden. Winkelmessgeräte dieses Typs werden zur Messung von Winkelbewegungen und Winkelgeschwindigkeiten eingesetzt.
Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzgebiete, Anforderungen und Anbaubedingungen entstand in den letzten Jahren eine große Vielfalt unterschiedlicher Varianten von Winkelmessgeräten. Unterschiedliche Auflösungen, Busanschaltungen, Wellen und Gehäusetypen, absolut, inkremental, multiturn etc. ergeben eine riesige Produktmatrix.
Da aufgrund der zahlreichen Typen von Drehgebern eine Lagerhaltung nahezu unmöglich und darüber hinaus wirtschaftlich nicht vertretbar ist, ist die Encoder-Fertigung bislang durchweg auftragsorientiert, d.h. bevor man mit der Produktion eines Drehgebers beginnen kann, muss die Bestellung mit allen technischen Angaben, wie inkrementaler oder absoluter Drehgebertyp, Auflösung, Schnittstelle, evtl. Busanschaltung, Wellen- und Gehäusetyp, komplett vorliegen. Da bei der heutigen Fertigungs-Technologie für jede Impulszahl unterschiedliche Strichscheiben verwendet werden, die mit der Welle verbunden werden, muss vor dem ersten Arbeitsschritt neben der Auflösung auch die Wellenart und -form feststehen. Diese Gründe, sowie die Tatsache, dass diese unterschiedlichsten Mechaniken miteinander verbunden werden mussten, führten zu einer extremen Variantenvielfalt mit entsprechend langen Produktionszeiten. Daraus ergaben sich Schwierigkeiten sowohl für den Hersteller, als auch für den Anwender, denn eine Lagerbevorratung aller Varianten war
Core lech
schwierig bis unmöglich und wirtschaftlich nicht vertretbar. Die nachteilige Konsequenz waren lange Lieferzeiten, da nur eine auftragsbezogene Lieferung möglich war. Darüber hinaus trat das Problem auf, dass eine sinnvolle Automatisierung und damit Kostenreduzierung sich aufgrund der jeweils kleinen zu fertigenden Stückzahlen der einheitlichen Encoder-Typen bei dieser Fertigungsmethode ebenso wenig realisieren ließ. Als weiteres Problem stellte sich aufgrund der bisherigen Kleinserienfertigung die Sicherstellung eines gleichbleibend hohen Qualitätsstandards dar.
Zusammengefasst stellt sich der Problemkreis dar, eine maximale Auswahl an unterschiedlichen Versionen von Winkelmessgeräten in höchster Qualität und Zuverlässigkeit bei kurzen Lieferzeiten und weltweiter Verfügbarkeit, sowie relativ geringer Lagervorhaltung zu produzieren.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass als „Kern" (1) des Winkelmessgerätes für alle unterschiedlichen Typen eine einheitliche, abgeschlossene optische Einheit (10) für die Impulserfassung verwendet wird. Dabei wird nur noch eine Impulsscheibe (2) für alle Auflösungen verwendet - sowohl für absolute als auch für inkrementelle Encodertypen. Dabei kann dieses Kern-Element (1), der sogenannte Core, kostengünstig in größeren Stückzahlen vorproduziert und mechanisch abgeglichen werden.
Die erwähnte und für alle Drehgeber identische optische Einheit (10) besteht aus einem Lichtsender (11), einem photoelektrischen Empfänger (13), sowie aus einer Signalverarbeitungseinheit (15), welche auf einer Platine (14) montiert sind, wobei diese Bauteile auf einem Platinenträger mit integrierter Senderhalterung (16) montiert sind, welcher seinerseits wiederum am Core-Flansch (4) befestigt ist.
Dabei kann die Signalverarbeitungseinheit (15) eventuell bereits den Rechenbaustein inklusive des Interpolators, sowie das EEPROM enthalten. Darüber hinaus ist es möglich, die_ Signalverarbeitungseinheit ganz oder teilweise auf dem photoelektrischen Empfänger als SoC (System-on-Chip) zu implementieren.
Der Drehgeber-Kern (1) besteht nun aus der oben beschriebenen optischen Einheit (10), sowie einer Core-Welle (3), aufweicher die Codescheibe (2) verdrehfest angeordnet ist und die über eine Lagerung (5) mit dem Core-Flansch (4) verbunden ist.
Die Core-Einheit (1) wird anschließend entsprechend eines Herstellungs-Auftrages mit entsprechenden Typen von Drehgeber-Wellen (40), Flanschen (20), Platinen (30), Gehäusen (50) und Kabelabgängen resp. Buchsen (51) zum Drehgeber komplettiert. Hierzu werden der Core-Flansch (4) verdrehfest mit dem Drehgeberflansch (20) und die Core-Welle (3) mit einer eventuellen weiteren Drehgeber-Welle (40) verbunden. Weiterhin wird eine weitere Elektronik-Platine (30), welche die Nutzung als inkrementelles oder als absolutes Winkelmessgerät festlegt, eventuell eine Busanbindung ermöglicht, sowie unterschiedliche Treiber und Schnittstellen enthalten kann, hinzugefügt und alle Teile werden in einem Drehgeber-Gehäuse (50) zusammengebaut. Dabei sind die unterschiedlichsten Mechaniken, wie Vollwelle, Aufsteck- oder Durchsteck-Hohlwelle in unterschiedlichen Durchmessern, Servo- oder Klemmflansche in den verschiedensten künden- und länderspezifischen Varianten realisierbar.
Insbesondere ist es mit dieser Konstruktion möglich, auch bei inkrementellen Encodern eine elektronische Nulljustage vorzunehmen, welche über die absolut codierte Spur auf der Codescheibe (2), welche vom optischen Empfänger (13) abgetastet wird, generiert wird. Diese Nulljustage kann etwa mittels eines Schalters am Gerät, oder auch über die Geberleitung von der Steuerung aus erfolgen. Zur Nulljustage am Geber kann eine Verschraubung (52) am Drehgebergehäuse (50) vorgesehen sein, hinter der sich ein Reset-Schalter befindet.
KE-Pat/ts
05.05.00
CoreTech
Durch Programmierung ist bei den inkrementellen-Encodern die Ausgabe aller Strichzahlen bis zur maximalen Anzahl der Strichzahlen auf der Codescheibe (2) möglich, bei den Absolut-Encodern ist entsprechend die Ausgabe aller Auflösungen bis zur maximalen Auflösung des Drehgebers möglich. Hierzu werden die ermittelten Schritte intern umgerechnet. So ist beispielsweise bei einem Inkremental-Encoder mit einer Strichzahl von 8.192 die Ausgabe aller Strichzahlen von 1 bis 8.192 möglich, und analog bei einem Absolut-Encoder mit einer Auflösung von 15 Bit eine Ausgabe von 1 bis 15 Bit, das entspricht 2 bis 32.768 Schritten pro Umdrehung.
Durch Spannzangen und auswechselbare Reduzierungen lassen sich darüber hinaus unterschiedliche Hohlwellendurchmesser etwa in unterschiedlichen Millimeter- und Zollmaßen realisieren.
Durch das Anbringen einer weiteren Baueinheit ist es, darüber hinaus möglich, Multiturn-Drehgeber zu realisieren, d.h. Drehgeber, die mehrere Umdrehungen absolut detektieren. Diese Multiturn-Baueinheit kann ebenfalls durch optische Sensoren, etwa nach dem HeIl-Dunkelfeldprinzip gestaltet sein, sie kann jedoch auch auf anderen Technologien beruhen, etwa auf einem magnetischen Abtastprinzip. Hierzu ist es möglich, die Maßverkörperung mittels magnetischer, ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien zu realisieren und den das je nach Umdrehungsstellung unterschiedliche resultierende Magnetfeld mittels Magnetsensoren zu detektieren. Hierfür kommen eine Reihe von Sensortypen in Frage. Neben Flux-Sensoren können Hall-Sensoren, oder aus dem Bereich der magnetoresistiven Magnetsensoren etwa AMR- oder GMR-Sensoren zweckdienlich eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch weitere Sensortechnologien, wie kapazitive oder induktive Sensoren prinzipiell realisierbar.
Durch die Kombination der verschiedenen elektrischen und mechanischen Varianten und der programmierbaren Auflösungen ergibt sich eine sehr große Anzahl von unterschiedlichen Drehgeber-Typen mit vergleichsweise wenigen Teilen. Neben der Auflösung können weitere Geberdaten parametriert werden, wie etwa die Auswahl der Ausgabe von inkrementellen oder von absoluten Winkelpositionsdaten. So ist es beispielsweise möglich, mit weniger als 100 Einzelkomponenten theoretisch mehr als zehn Million verschiedene Typen bereitzustellen.
Anschließend werden die Eigenschaften der Anmeldung anhand von Zeichnungen erläutert: Es zeigen die
Figur 1 einen geöffneten Core-Drehgeber,
Figur 2 den Drehgeber-Kern mit geöffnetem Deckel.
In der Figur 1 erkennen wir den prinzipiellen Aufbau eines Drehgebers nach dem Baukastenprinzip: Dieser besteht aus einer Welle (40), einem Flansch (20), einer Platine (30), einem Gehäuse (50), sowie einem Kabelabgang (51), hier in Form einer Kabelbuchse, aus dem Baukasten-Sortiment, sowie last not least den Core (I) selbst.
Alle Baukasten-Elemente sind in Variationen vorhanden und so kann eine große Anzahl unterschiedlicher Drehgeber aus verschiedenen Bestandteilen zusammengesetzt werden, wobei jeweils der Drehgeber-Kern (1) bis auf den Wellenanschluss (3) identisch ist.
Die Figur 2 zeigt einen in die Einzelteile zerlegten Drehgeber-Kern (1), bestehend aus einer Codescheibe (2), welche drehfest verbunden wird mit der Core-Welle (3), wobei letztere wiederum über eine Lagerung (5) mit dem Core-Flansch (4) verbunden wird. Ferner enthält der Drehgeber-Kern (1) die optische Abtasteinheit (10), bestehend aus einer IR-LED als Lichtquelle (11), einer Kollimatorlinse (12) und einem photoelektrischen Empfängerchip (13),
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CoreTech
welcher zusammen mit der Signalverarbeitungseinheit (15) auf einer Platine (14) angeordnet ist. Die Lichtquelle (11), sowie die Linse (12) wird mittels des Senderhalters (17) zusammen mit der Core-Platine (14) auf dem Platinenträger (16) angeordnet, welcher wiederum an den Core-Flansch (4) befestigt wird. Der Drehgeber-Kern wird schließlich mittels eines Deckels (6) verschlossen, an welchem eine weitere Platine (30) befestigt wird.
Dabei beinhaltet vorteilhafterweise die Signalverarbeitungseinheit (15) auf der Core-Platine (14) bereits eine Recheneinheit zur Evaluierung der Signale inklusive eines Amplitudenreglers, des Senderstromsteuerung, eines Interpolators, sowie ein EEPROM. Demgegenüber beinhaltet die Signalverarbeitung auf der Platine (30) vorteilhafterweise die Weiterverarbeitung der Signale, die Definition als absoluter oder inkrementaler Drehgeber, sowie die unterschiedlichen Schnittstellen zur Signalübertragung an eine externe Regelung resp. Steuerung.
| Bezugszeichenliste | Drehgeber-Kern (Core) |
| 1 | Codescheibe |
| 2 | Core-Welle |
| 3 | Core-Flansch |
| 4 | Lagerung |
| 5 | Core-Deckel |
| 6 | optische Einheit .. -— |
| 10 | Lichtsender |
| 11 | Linse |
| 12 | Photoelektrischer Empfänger |
| 13 | Core-Platine |
| 14 | Signalverarbeitungseinheit |
| 15 | Core-Platinenträger |
| 16 | Senderhalterung |
| 17 | Drehgeber-Flansch |
| 20 | Platine |
| 30 | Welle |
| 40 | Gehäuse |
| 50 | Kabelabgang / Buchse |
| 51 | Verschraubung für Nulljustageknopf |
| 52 |
KE-Pat/ts
05.05.00
Claims (3)
1. Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber, dadurch gekennzeichnet, dass
das Baukastensystem aus einer Vielzahl von Wellen (40), Flanschen (20) und Gehäusen (50) mit unterschiedlichen Kabelabgängen bzw. Buchsen (51), sowie einer Auswahl von unterschiedlichen Platinen (14, 30) zur Signalverarbeitung und mit unterschiedlichen Treibern und Schnittstellen besteht, wobei die Bauteile elektrisch und mechanisch kompatibel austauschbar sind, dass
die Drehgeber aus den Elementen des Baukastens aufgebaut sind, wobei für alle Drehgeber dieselbe optische Einheit (10) verwendet wird, bestehend aus einer Codescheibe (2) mit einer für alle Varianten gleichen Codestruktur, dem Lichtsender (11), dem optischen Empfänger (13), sowie einer Signalverarbeitungseinheit (15), dass
diese optische Einheit (10), sowie eine die Codescheibe (2) tragende Welle (3) via Kugellager (5) an einem Flansch (4) befestigt sind, dass
dieser alle vorgenannten Teile umfassende Drehgeberkern (1) mechanisch fest bzw. verdrehfest mit weiteren unterschiedlichen Wellen (40), Endflanschen (20), der Signalnachverarbeitung, sowie unterschiedliche Treiber tragenden Platinen (30), Gehäusen (50) und Kabelabgängen bzw. Buchsen (51) aus dem Baukastensystem verbunden wird, und dass
mittels der optischen Einheit (10) sowohl inkrementale, als auch absolute Drehgeber gefertigt werden können, und dass
bei den inkrementellen Drehgebern die Strichzahl pro Umdrehung zwischen 1 und der maximalen Strichzahl programmiert wird und entsprechend bei den absoluten Drehgebern die Auflösung zwischen 1 Bit und der maximalen Auflösung des Drehgebers per Programmierung definiert wird.
das Baukastensystem aus einer Vielzahl von Wellen (40), Flanschen (20) und Gehäusen (50) mit unterschiedlichen Kabelabgängen bzw. Buchsen (51), sowie einer Auswahl von unterschiedlichen Platinen (14, 30) zur Signalverarbeitung und mit unterschiedlichen Treibern und Schnittstellen besteht, wobei die Bauteile elektrisch und mechanisch kompatibel austauschbar sind, dass
die Drehgeber aus den Elementen des Baukastens aufgebaut sind, wobei für alle Drehgeber dieselbe optische Einheit (10) verwendet wird, bestehend aus einer Codescheibe (2) mit einer für alle Varianten gleichen Codestruktur, dem Lichtsender (11), dem optischen Empfänger (13), sowie einer Signalverarbeitungseinheit (15), dass
diese optische Einheit (10), sowie eine die Codescheibe (2) tragende Welle (3) via Kugellager (5) an einem Flansch (4) befestigt sind, dass
dieser alle vorgenannten Teile umfassende Drehgeberkern (1) mechanisch fest bzw. verdrehfest mit weiteren unterschiedlichen Wellen (40), Endflanschen (20), der Signalnachverarbeitung, sowie unterschiedliche Treiber tragenden Platinen (30), Gehäusen (50) und Kabelabgängen bzw. Buchsen (51) aus dem Baukastensystem verbunden wird, und dass
mittels der optischen Einheit (10) sowohl inkrementale, als auch absolute Drehgeber gefertigt werden können, und dass
bei den inkrementellen Drehgebern die Strichzahl pro Umdrehung zwischen 1 und der maximalen Strichzahl programmiert wird und entsprechend bei den absoluten Drehgebern die Auflösung zwischen 1 Bit und der maximalen Auflösung des Drehgebers per Programmierung definiert wird.
2. Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der intern vorhandenen absoluten Winkelpositions-Signale auch bei inkrementellen Drehgebern ein elektronisch veränderbarer Nullimpuls generiert wird.
3. Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (15) als SoC in den photoelektrischen Empfänger integriert ist.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20008200U DE20008200U1 (de) | 2000-05-06 | 2000-05-06 | Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20008200U DE20008200U1 (de) | 2000-05-06 | 2000-05-06 | Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE20008200U1 true DE20008200U1 (de) | 2000-09-28 |
Family
ID=7941158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE20008200U Expired - Lifetime DE20008200U1 (de) | 2000-05-06 | 2000-05-06 | Baukastensystem zur Fertigung von optischen Drehgebern, sowie entsprechende optische Drehgeber |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20008200U1 (de) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10105437A1 (de) * | 2001-02-07 | 2003-01-16 | Hella Kg Hueck & Co | Baukastensystem für einen elektrischen Stellantrieb, insbesondere für Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaklappen in einem Kraftfahrzeug |
| DE102004045849B4 (de) * | 2004-09-20 | 2014-06-05 | Anton Rodi | Messgeber mit Absolut-Signalverarbeitung und Inkremental-Signalausgabe |
| WO2015149981A1 (de) * | 2014-04-03 | 2015-10-08 | Robert Bosch Gmbh | Winkelgeber |
| EP4647728A1 (de) | 2024-05-07 | 2025-11-12 | Hella Gmbh & Co. Kgaa | Drehwinkelsensorvorrichtung und modulares baukastensystem zur herstellung einer drehwinkelsensorvorrichtung |
-
2000
- 2000-05-06 DE DE20008200U patent/DE20008200U1/de not_active Expired - Lifetime
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| EP4647728A1 (de) | 2024-05-07 | 2025-11-12 | Hella Gmbh & Co. Kgaa | Drehwinkelsensorvorrichtung und modulares baukastensystem zur herstellung einer drehwinkelsensorvorrichtung |
| DE102024112734A1 (de) * | 2024-05-07 | 2025-11-13 | HELLA GmbH & Co. KGaA | Drehwinkelsensorvorrichtung und modulares Baukastensystem zur Herstellung einer Drehwinkelsensorvorrichtung |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Owner name: SICK STEGMANN GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: MAX STEGMANN GMBH, UHREN- UND ELEKTROAPPARATEFABRIK, 78166 DONAUESCHINGEN, DE Effective date: 20000816 Owner name: SICK STEGMANN GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: MAX STEGMANN GMBH ANTRIEBSTECHNIK-ELEKTRONIK, 78166 DONAUESCHINGEN, DE Effective date: 20030523 |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SICK STEGMANN GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: STEGMANN GMBH & CO. KG, 78166 DONAUESCHINGEN, DE Effective date: 20041125 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20060804 |
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