DE2639094A1

DE2639094A1 - Kontaktloses lineares drehpotentiometer

Info

Publication number: DE2639094A1
Application number: DE19762639094
Authority: DE
Inventors: Frank B Desio; Edward F Sidor
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1975-11-24
Filing date: 1976-08-31
Publication date: 1977-05-26
Also published as: DE2639094B2; DE2639094C3; US3988710A; CA1037138A

Description

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DB. ing. H. NEGENDANK <·ΐ073> · dipping. H. HAUCK · dipi,.-phys. W. SCHMITZ dipl-ing. E. GRAAtFS · dipping. W. WEHNERT · dipi^-phys. W. CARSTENS

HAMBURG-MÜNCHEN ZUSTEfcXUNGSANSCHRIFT: 20OO HAMBURG 38 · NEUER MfΑΛΛ. 41 PLEASE REPIY TO;

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TBLEQTt. NEGKDAPATENT EiUBUHG Illinois Tool Works, Inc. sooo München 2 · mozartsth. 23

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Chicago, Illinois 60631

USA JC* » HAMBURG, 23. August 1976

Kontaktloses lineares Drehootentiometer

Es -wurden schon, verschiedene kontaktlose Drehpotentiometer —....mit.. - ^. linearem Ausgang vorgeschlagen. Kontaktlose Potentiometer sind natürlich gegenüber Widerstandspotentiometern vorteilhaft, da sie eine beträchtlich höhere Lebensdauer besitzen. Obwohl kontaktlose Potentiometer, die einen rotierenden Permanent-Magnet-Abschnitt . und ein Sensorelement verwenden, bereits bekannt sind, hat es sich erwiesen, daß sie verschiedene, entscheidende Nachteile besitzen; der Hauptnachteil dieser bekannten Vorrichtungen liegt darin, daß sie allgemein verlangten, daß der Magnet öder das Sensorclement oder beide in einer bestimmten vorberechneten Form ausgebildet sind, um die erwünschte Linearität zu erhalten. Dadurch werden diese Potentiometer offensichtlich in der Herstellung relativ teuer, und zusätzlich kann durch die erforderliche Formgebung die Größe des Potentiometers in nachteiliger Weise anwachsen. Beispiele solcher Vorrichtungen werden in dem US-Patent 3335384 vom 08. August 1967 und in der anhängigen US-Patentanmeldung,

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Aktenzeichen 613156 vom I5. September 1975, über die die Anmelderin der vorliegenden Erfindung ebenfalls verfügt, offenbart.

Der Aufbau der vorliegenden Erfindung liefert eine hervorragende Linearität in einem kontaktlosen Potentiometer durch die Verwendung von zylindrischen oder rechtwinkligen S ens ore lementen und eines drehbaren Permanent-Magnet-Segmentes, das lediglich ein Kreisabschnitt mit relativ geraden Seiten sein kann, die über die Sensoreleinente gleiten und die Longitudinalachsen der Sensorelemente schneiden. Dadurch sind die Herstellungskosten des Potentiometers relativ gering. "Weiterhin wird die Größe des Potentiometers relativ klein gehalten aufgrund der Tatsache, daß die Sensorelemente winklig zueinander liegen und nicht in Linie miteinander, wie es für bisherige kontaktlose Potentiometer vorgeschlagen wurde.

Andere bemerkenswerte Vorteile des offenbarten kontaktlosen Potentiometers sind seine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßen und Vibrationen, die ein Widerstandspotentiometer nicht besitzt, und die Möglichkeit, es bis zu Temperaturen von 200 Grad Celsius zu betreiben.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 eine Darstellung in auseinandergezogener Ansicht des erfindungs gemäß en Potentiometers ist, und Figur 2 ein Diagramm ist, das das Verhältnis der Form des drehbaren Permanent-Magnet en und der Sensorelemente darstellt.

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Die beschriebene Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in der.Ansicht in auseinandergezogener Darstellung nach Figur 1 gezeigt. Das Potentiometer 10 ist aus einem oberen Gehäuseteil 12 mit einem Gewindestutzen 14, einer unteren kreisförmigen Buchse 16 und einem unteren Gehäuseteil 18, das einen geschlossenen Boden 20 hat und an seinem oberen Ende 22 offen ist, gebildet·

Ein scheibenförmiger Rotor 24 aus elektrisch isolierendem Material besitzt einen eingelassenen Permanent-Magneten 26, und die nach oben weisende Welle 28 ist so daran befestigt, daß der gesamte Aufbau als eine Einheit mit der Welle rotieren kann. Der Rotor 24 besitzt auch einen länglichen, gebogenen Schlitz 30, der diametral gegenüber dem Permanent-Magneten angeordnet ist und dazu dient, die Größe oder die Gradzahl der Drehung zu begrenzen, der der Rotor 24 aufgrund des Zusammenwirkens der Enden 32, 34 der Rille 30 und der aufrecht stehenden Stütze 36 unterliegen kann, die an dem Boden 20 des unteren Gehäuseteiles 18 befestigt ist·

Eine Scheibe oder Abstandshalter 38 aus elektrisch isolierendem Material liegt unterhalb des Rotors und besitzt ein Loch 4o, die den Stützpfosten 36 aufnimmt und die Scheibe an einer Drehung hindert, wenn die Welle 28 gedreht wird. Die Scheibe 38 besitzt auch ein Paar länglicher, rechteckförmiger Schlitze 42, 44, die in derselben S«?ite der Scheibe wie der Permanent-Magnet 26 gelagert sind. Die Ausnehmungen oder Schlitze 42, 44 nehmen die Sensorelemente 46 und 48 auf. Die Sensorelemente 46, 48 sind Vorzugs-

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weise hohle, längliche Zylinderrohre, die aus einem magnetisch permeablen Material hergestellt sind und leitfähige Sensordrähte 50 und 52 besitzen, die jeweils hindurch verlaufen, so daß zwei induktive Elemente gebildet v/erden. Die Schlitze 42,44 sind vorzugsweise tief genug, so daß, wenn die Elemente 46 und 48 in sie hineingeführt werden, der Außenumfang der Elemente vollständig innerhalb der Flächen .54,56 liegt, um die untere Seite 58 des Magneten

26 direkt über den Schlitzen 42 und 44 entlangführen zu lassen, ohne die Elemente 46,48 zu berühren.

Der Permanent-Magnet 26 ist magnetisiert, so daß seine untere Seite 58 eine magnetische Polarität besitzt, während die obere Seite 6O die entgegengesetzte magnetische Polarität hat. Falls es erwünscht ist, kann ein zweiter Rotor (nicht dargestellt) unter der Scheibe 38 mit einem zweiten, darin eingelassenen Magneten verwendet werden, der, wenn er auch an der Velle 28 befestigt ist, eine bessere Magnetfeldverteilung liefert, jedoch auch die Kosten erhöht.

Das Potentiometer 10 wird zusammengebaut, indem die Unterfläche 56 der Scheibe 38 auf dem Boden 20 des unteren Gehäuseteils 10 angebracht wird, und danach der Rotor (24) auf der Oberfläche 54 der Scheibe 38 angeordnet wird. Das obere Gehäuseteil 12, liegt über dem unteren Gehäuseteil

18 , so daß die Buchse 16 in das untere Gehäuseteil 18, eingeführt wird, um die vertikale Bewegung des Rotors 24 und der Scheibe 38 zu begrenzen, und die Unterfläche 76 dee scheibenförmigen Deckelabschnitts 78 des oberen Gehäuseteils 12 ruht auf der Fläche 76 des unteren Ge-

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häuseteils 18 .

Venn es auch bevorzugt wird, daß die Elemente h6, und k8 in der beschriebenen Weise ausgebildet sind, ist es offensichtlich, daß die Elemente nicht in der Form" eines hohlen Zyliriderrohres ausgebildet sein müssen und daß auch andere Formen einschließlich einer festen Zylinderform oder einer festen oder hohlen Quaderform möglich sein können, die alle leicht hergestellt werden können und die eine im wesentlichen rechtwinklige Projektion in der Ebene parallel zu den Flächen 5^,56 der S_cheibe 38 , wie in Figur 2 dargestellt, bilden. Obwohl magnetisch sättigbares Ferritmaterial für die Sensorelemente bevorzugt wird, ist es offensichtlich, daß verschiedene andere Arten von Elementen verwendet werden können, z.B. Halleffektvorrichtungen, Magnetwiderstandsvorrichtungen, galvanomagnetische Halbleiter, transformatorverbundene Vorrichtungen (die nach der offenbarten Ausführung lediglich durch ein Hinzufügen eines zusätzlichen stromführenden^ leitenden Drahtes durch jedes der Elemente

k6 und 48: verwirklicht werden können,.die als Primärdrähte wirken, während die Drähte 50,52 die Wirkungsweise von Sensordrähten annehmen) und gebogene Spulen, dabei ist vorgesehen, daß die gewählte Vorrichtung in der Lage ist, anwachsend beeinflußt zu werden, um ein Ausgangssignal zu liefern, das in direkter Abhängigkeit von der Drehung eines benachbarten Permanent-Magneten variiert, der zwei im wesentlichen gerade Seiten besitzt, wie z.B. der Magnet in den Figuren 1 und 2, der als Kreissegment ausgebildet ist.

Figur 2 zeigt das Verhältnis zwischen der Form der länglichen, zylindrischen oder rechtwinklig geformten Elemente

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.46,48 und dem Permanent-Magneten 2.6 . Die übliche Art, in der der Magnet 26 ausgebildet werden kann, ist ein Kreissegment, wie in Figur 2 dargestellt ist, jedoch ist die Form des fortlaufenden Außenrandes 82 und des geraden inneren Randes 84 unwichtig bezüglich des Betriebs des Potentiometers, solange sie über die Rohre 46 und .48 hinausragen. Die Seiten 78 vaiä. _V8O des Magneten 2.6 sollten jedoch im wesentlichen gerade sein, um die gewünschte Linearität zu erzeugen. Der Winkel A, der durch die Seiten .78 und gebildet wird, die sich wie in Figur 2 dargestellt erstrecken, liegt dem Winkel B gegenüber, der kleiner als 180 Grad ist und !durch den Schnitt der longitudinal en Achsen 83 bzw.

85 der Elemente _v46 und 48 gebildet wird, wie in Figur dargestellt ist. Der Winkel A ist kleiner als 180 Grad und ist weiterhin so begrenzt, daß die Seiten 78 nicht über die Ränder 86,88 des Rohres .46 hinauskommen können, oder die Seite ,80 nicht über die Ränder 90,92 des Rohres 48 über den ganzen Drehbereich des Magneten 26 , der durch den Schlitz 30 und den Pfosten 36 gebildet wird. Die Ränder

98,100 der Rohre 46 bzw. 48 sind so gelagert, daß sie einander fast berühren, um es den longitudinal en Achsen

83,85 der Rohre 46,43 zu ermöglichen, den Winkel B in einem minimalen Abstand zu bilden.

Die Seiten 78,80 des Magneten 26 schneiden somit die Achsen 83,85 der Rohre 46,48 .

Die Größe des Winkels A, der somit durch die Längsachsen

83,85 der Elemente .46,48 gebildet wird, beeinflußt die Größe des Potentiometers und den erlaubten Drehbereich des Rotors 24 , wie er durch die Länge des Schlitzes 30 ^bo~

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stimmt wird,, Falls der Winkel A kleiner gemacht wird, kann die Größe des Potentiometers 10 etwas verringert werden, jedoch, ist die Gradzahl der Drehung des Rotors 24, die noch möglich ist, auch geringer. Falls der Winkel B größer gemacht wird, kann die Gradzahl der Drehung des Rotors 24 vergrößert werden, jedoch wird die Größe des Potentiometers auch zunehmen. Ein Winkel von etwa 80 Grad ist akzeptierbar, um sowohl die Größe als auch die Drehmöglichkeiten für viele Anwendungen anzupassen, wobei der Rotor 24 ungefähr um 30 Grad nach beiden Seiten" der Mittellinie Null in diesem Fall gedreht werden kann, und wobei der entsprechende Winkel A ungefähr 100 Grad beträgt.

Im Betrieb erstreckt sich der Magnet 26 über die Sensorelemente 46, 48, so daß das Gesamtvolumen der Sensorelemente, das magnetisch gesättigt ist, (vorzugsweise so, daß im wesentlichen eine vollständige magnetische Sättigung eintritt, wodurch ein Anwachsen in der Magnetfeldstärke keine weitere wesentliche Abnahme in der Induktion der Elemente 46 und 48 verursacht), im wesentlichen konstant bleibt. Somit ist, wenn der Magnet 26 in seiner Mittelstellung ist, wie in Figur durch die gestrichelten Linien angezeigt ist, das Volumen jedes der Elemente 46, 48, das gesättigt ist, in etwa gleich. Wenn der Magnet 26 in die Stellung gedreht wird, die in Figur in ausgezogenen Linien dargestellt ist, ist die Abnahme des gesättigten Volumens in dem Element 48, das der mit C bezeichnete Abschnitt in Figur 2 ist, im wesentlichen gleich der Zunahme des gesättigten Volumens des Elements 46, das in Figur der mit D bezeichnete Abschnitt ist. Die Sensordrähte 50 und sind

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an ihren Enden 87» 89 miteinander verbunden, die ihrerseits mit dem Anschluß 6Z verbunden sind· Die Enden 91,93, die mit den Anschlüssen 6k, 66 verbunden sind, können mit einer üblichen Differenz-Erfassungschaltung verbunden werden, um eine Schaltung zu liefern, die ein Ausgangssignal erzeugt, das für die Drehung des Magneten Z6 um die Mittellinie Null sowohl in eine "positive" oder in eine "negative" Richtung je nachdem, ob der Magnet 26 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, gedreht wird, wie es durch die Doppelpfeillinie 95 in Figur 2 dargestellt ist, repräsentativ ist.

Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß eine Vielzahl von Ausführungen unter den Inhalt der folgenden Ansprüche fallen, die unter Verwendung der Lehre der beschriebenen Erfindung offensichtlich sind; alle diese Ausführungen sollen im Rahmen der beanspruchten Erfindung enthalten sein.

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Claims

1.j Kontaktloses Rotationspotentiometer, gekennzeichnet durch ein erstes und ein zweites längliches Sensorelement, von denen jedes eine im -wesentlichen gerade Longitudinalach.se besitzt tmd so angeordnet ist, daß sie eine rechtwinklige Projektion in einer Ebene bilden, wobei die Sensorelemente so gelagert sind, daß ihre Längsachsen sich schneiden, um einen ersten ¥inkel zu bilden, der kleiner als 180 Grad ist, wenigstens einen Permanent-Magneten, der neben den Sensorelementen liegt, eine Rotationsvorrichtung, die mit dem Permanent-Magneten verbunden ist, um dessen Rotation zu ermöglichen, und Begrenzungsmittfl^ die ausgelegt sind, den Rotationsbereich des Permanent-Magneten durch die Rotationsvorrichtung bezüglich der Sensorelemente zu begrenzen, wobei der Permanent-Magnet so geformt ist, daß er eine erste und eine zweite, im wesentlichen gerade Seite besitzt, von denen jede neben einer der rechteckigen Projektionen so verläuft, daß. sie die zugehörige LqngitTidinalachse der Sensorel entente überschneiden, und diese Seiten entlang Linien liegen, die sich überschneidenj um einen zweiten Winkel zu bilden, der dem ersten Winkel gegenüberliegt und weniger als 180 Grad beträgt und weiterhin so begrenzt ist, daß keine der Seiten über den Außenrand der jeweiligen Projektion neben der Seite über den begrenzten Rotationsbereich des Permanent-Magneten, der durch die Begrenzungsvorrichtung gebildet wird, hinausragt, so daß die Gesamtfläche der Projektion, die neben dem Permanent-Magneten liegen, im wesentlichen konstant

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ist /innerhalb des begrenzten Rotationsbereiches unabhängig von der Relativstellung des Permanent-Magnet en und der Sensorelemente.

2. Kontaktloses Rotationspotentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Sens ore lemente ein hohles, zylinderförmiges Rohr besitzt, das aus einem magnetisch sättigbaren Material hergestellt ist, sowie einen Sensordraht, der mit dem Rohr verbunden ist. ·

3. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanent-Magnet so ausgebildet ist» daß die Seiten void ein äußerer Rand des Permanent-Magneten, der sich über die S ens ore lemente hinaus erstreckt, in der Form einem Kreissegment entsprechen.

k. ' Kontaktloses Rotationspotentiometer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die S ens ore lemente ein hohles zylinderförmiges Rohr besitzen, das aus einem magnetisch sättigbaren Material hergestellt ist, und daß ein Sensordraht mit dem Rohr verbunden ist.

5. Kontaktloses Rotationspotentiometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Drehwelle, ein scheibenförmiges Abstandsstück, das aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und mit einem ersten und einem zweiten, im ■wesentlichen rechteckförmigen Schlitz versehen ist, die so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen den rechtwinklig geformten Projektionen entsprechen, so daß jeder der Schlitze eines der Sensorelemente darin aufnimmt, einen scheibenförmigen Rotor, der aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, das den Permanent-Magneten neben dem Äbstands-

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halter trägt, wobei die Drehwelle mit dem Abstandshalter fest verbunden ist, und Verbindungsmittel zur Aufnahme des Abstandshalters in einer fixierten Stellung und zur Schaffung der Möglichkeit für den Rotor, eine Rotierbewegung relativ dazu über den begrenzten Rotationsbereich in Ansprache auf die Anlegung einer Drehkraft an die ¥elle durchzuführen.

6. Kontaktloses Rotationspotentiometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Sen=orelemente ein hohles, zylinderförmiges Rohr besitzt, das aus sinem magnetisch sättigbaren Material hergestellt ist, und daß ein Sensordraht mit dem Rohr verbunden ist.

7. Potentiometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanent-Magnet so geformt ist, daß die Seiten und der äußere Rand des Permanent-Magneten, der sich über die Sensorelemente erstreckt, in der Formgebung einem Kreissegment entsprechen.

8. Kontaktloses Rotationspotentiometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, in dem die Verbindungsvorrichtung einen Pfosten besitzt, der an dem Gehäuse befestigt ist, während der Abstandshalter eine Öffnung besitzt, die etwas größer als der Durchmesser des Pfostens ist, die den Pfosten aufnimmt und den Abstandshalter daran hindert, sich relativ zu dem Pfosten zu bewegen, wobei der Rotor einen länglichen, gebogenen Schlitz besitzt, der den Pfosten aufnimmt und es dem Rotor ermöglicht, über den begrenzten Rotationsbereich relativ zu dem Pfosten gedreht zu werden.

9. Kontaktloses Rotationspotentiometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Sensorelemente ein hohles, zylinderförmiges Rohr aus einem magnetisch sättigbaren

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Material besitzt, und daß ein Sensordraht mit dem Rohr verbunden ist.

10. Kontaktloses Rotationspotentiometer nach Anspruch 9> dadtirch gekennzeichnet, daß der Permanent-Magnet so geformt ist, daß die Seiten und ein äußerer Rand des Permanent-Magneten, der sich über die Sensorelemente hinaus erstreckt, einen Permanent-Magneten in der Form eines Kreissegmentes bilden.

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