DE102018122931A1

DE102018122931A1 - Rotary encoder and method for measuring an angular position of a material measure rotatable about an axis of rotation with a sensor for detecting a distance

Info

Publication number: DE102018122931A1
Application number: DE102018122931.3A
Authority: DE
Inventors: Jie Zhou
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber mit einer um eine Drehachse (D) drehbaren Maßverkörperung (2) und einer Messeinrichtung (3) zur Messung einer Winkelstellung der Maßverkörperung (2), wobei die Maßverkörperung (2) eine strukturierte Oberfläche (2.1) mit mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus (11, 12) aufweist und die Messeinrichtung (3) einen Sensor (3) zum Erfassen eines Abstands zwischen dem Sensor (4) und den Oberflächenniveaus (11, 12) der Oberfläche (2.1) der Maßverkörperung (2) umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer Winkelstellung einer um eine Drehachse (D) drehbaren Maßverkörperung (2) mit einer Messeinrichtung (3), wobei die Maßverkörperung (2) eine strukturierte Oberfläche (2.1) mit mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus (11, 12) aufweist und ein Sensor (4) der Messeinrichtung (3) einen Abstand zwischen dem Sensor (4) und den Oberflächenniveaus (11, 12) der Oberfläche (2.1) der Maßverkörperung (2) erfasst.The invention relates to a rotary encoder with a measuring standard (2) rotatable about an axis of rotation (D) and a measuring device (3) for measuring an angular position of the measuring standard (2), the measuring standard (2) having a structured surface (2.1) with at least two different surfaces Has surface levels (11, 12) and the measuring device (3) comprises a sensor (3) for detecting a distance between the sensor (4) and the surface levels (11, 12) of the surface (2.1) of the material measure (2). The invention also relates to a method for measuring an angular position of a material measure (2) rotatable about an axis of rotation (D) with a measuring device (3), the material measure (2) being a structured surface (2.1) with at least two different surface levels (11, 12 ) and a sensor (4) of the measuring device (3) detects a distance between the sensor (4) and the surface levels (11, 12) of the surface (2.1) of the material measure (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber mit einer um eine Drehachse drehbaren Maßverkörperung und einer Messeinrichtung zur Messung einer Winkelstellung der Maßverkörperung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer Winkelstellung einer um eine Drehachse drehbaren Maßverkörperung mit einer Messeinrichtung.The invention relates to a rotary encoder with a material measure that can be rotated about an axis of rotation and a measuring device for measuring an angular position of the material measure. Furthermore, the invention relates to a method for measuring an angular position of a material measure rotatable about an axis of rotation with a measuring device.

Im Stand der Technik sind Drehgeber bekannt, mittels denen eine Winkelstellung eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, beispielsweise eines Rotors einer elektrischen Maschine, ermittelt werden kann. In der Regel weisen derartige Drehgeber eine Maßverkörperung auf, die mit dem drehbaren Bauteil verbunden ist. Zur Ermittlung der Dreh- bzw. Winkelstellung der Maßverkörperung wird üblicherweise eine Messeinrichtung vorgesehen, welche die Maßverkörperung abtastet. Die Maßverkörperung kann beispielsweise Bereiche mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften aufweisen, die mittels eines optischen Sensors der Messeinrichtung abgetastet werden. Ferner ist es bekannt, die Maßverkörperung mit unterschiedlich magnetisierten Bereichen zu versehen. Eine solche magnetische Maßverkörperung kann mittels eines Magnetfeldsensors, beispielsweise eines Hallsensors abgetastet werden.In the prior art, rotary encoders are known, by means of which an angular position of a component rotatable about an axis of rotation, for example a rotor of an electrical machine, can be determined. As a rule, such encoders have a material measure which is connected to the rotatable component. To determine the rotational or angular position of the measuring standard, a measuring device is usually provided which scans the measuring standard. The material measure can have areas with different reflection properties, for example, which are scanned by means of an optical sensor of the measuring device. It is also known to provide the material measure with differently magnetized areas. Such a magnetic measuring standard can be scanned by means of a magnetic field sensor, for example a Hall sensor.

Die bekannten optischen Drehgeber weisen bei hohen Temperaturen oftmals eine verringerte Genauigkeit auf. Auch die Genauigkeit von Drehgebern mit Magnetfeldsensoren ist aufgrund der Nichtlinearität des Magnetfelds oftmals nicht ausreichend hoch.The known optical rotary encoders often have a reduced accuracy at high temperatures. The accuracy of encoders with magnetic field sensors is often not sufficiently high due to the non-linearity of the magnetic field.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Messung einer Winkelstellung einer Maßverkörperung mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen.Against this background, the task arises of making it possible to measure an angular position of a material measure with high accuracy.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Drehgeber mit einer um eine Drehachse drehbaren Maßverkörperung und einer Messeinrichtung zur Messung einer Winkelstellung der Maßverkörperung, wobei die Maßverkörperung eine strukturierte Oberfläche mit mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus aufweist und die Messeinrichtung einen Sensor zum Erfassen eines Abstands zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus der Oberfläche der Maßverkörperung umfasst.The object is achieved by a rotary encoder with a measuring body rotatable about an axis of rotation and a measuring device for measuring an angular position of the measuring body, the measuring body having a structured surface with at least two different surface levels and the measuring device having a sensor for detecting a distance between the sensor and the Includes surface levels of the surface of the material measure.

Die Maßverkörperung des erfindungsgemäßen Drehgebers weist eine strukturierte Oberfläche mit zwei verschiedenen Oberflächenniveaus auf, d.h. dass sie in ersten Bereichen ein erstes Oberflächenniveau und in zweiten Bereichen ein zweites Oberflächenniveau aufweist, welches gegenüber dem ersten Oberflächenniveau erhaben ist. Mittels der verschiedenen Oberflächenniveaus kann ein Muster der Maßverkörperung gebildet werden, welches durch den Sensor erfasst wird. Zur Ermittlung der Winkelstellung können mittels des Sensors die Abstände zu den verschiedenen Oberflächenniveaus der Maßverkörperung ermittelt werden. Es ist daher nicht erforderlich, die Maßverkörperung mit Bereichen zu versehen, die unterschiedliche Reflexionseigenschaften oder unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. Eine derartige Maßverkörperung erlaubt die Messung einer Winkelstellung mit erhöhter Genauigkeit.The measuring standard of the rotary encoder according to the invention has a structured surface with two different surface levels, i.e. that it has a first surface level in first areas and a second surface level in second areas, which is raised compared to the first surface level. Using the different surface levels, a pattern of the material measure can be formed, which is detected by the sensor. To determine the angular position, the distances to the various surface levels of the measuring standard can be determined by means of the sensor. It is therefore not necessary to provide the material measure with areas which have different reflection properties or different magnetic properties. Such a material measure allows the measurement of an angular position with increased accuracy.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor derart angeordnet, dass die Abstände zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus in einer parallel zu der Drehachse verlaufenden, axialen Richtung erfassbar sind. Der Sensor kann bei einer solchen Ausgestaltung in der axialen Richtung beabstandet von der Maßverkörperung angeordnet sein, so dass eine kompakte Bauform mit geringer Ausdehnung in einer senkrecht zu der Drehachse angeordneten, radialen Richtung ermöglicht wird. Die strukturierte Oberfläche ist bevorzugt senkrecht zu der Drehachse angeordnet. Bei einer scheibenartigen, insbesondere kreisscheibenartigen, Maßverkörperung kann die strukturierte Oberfläche auf einer Stirnfläche, insbesondere Kreisfläche, der Maßverkörperung angeordnet sein.According to an advantageous embodiment of the invention, the sensor is arranged such that the distances between the sensor and the surface levels can be detected in an axial direction running parallel to the axis of rotation. In such a configuration, the sensor can be arranged at a distance from the material measure in the axial direction, so that a compact design with a small extent is made possible in a radial direction arranged perpendicular to the axis of rotation. The structured surface is preferably arranged perpendicular to the axis of rotation. In the case of a disk-like, in particular circular disk-like, material measure, the structured surface can be arranged on an end face, in particular a circular surface, of the material measure.

Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Sensor derart angeordnet ist, dass die Abstände zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus in einer senkrecht zu der Drehachse verlaufenden, radialen Richtung erfassbar sind. Der Sensor kann bei einer solchen, alternative Ausgestaltung in der radialen Richtung beabstandet von der Maßverkörperung angeordnet sein. Bei einer scheibenartigen, insbesondere kreisscheibenartigen, Maßverkörperung kann die strukturierte Oberfläche eine konzentrisch um die Drehachse angeordnete Mantelfläche der Maßverkörperung sein.An alternative advantageous embodiment of the invention provides that the sensor is arranged in such a way that the distances between the sensor and the surface levels can be detected in a radial direction perpendicular to the axis of rotation. In such an alternative embodiment, the sensor can be arranged at a distance from the measuring standard in the radial direction. In the case of a disk-like, in particular circular disk-like, material measure, the structured surface can be a lateral surface of the material measure arranged concentrically around the axis of rotation.

Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher der Sensor mindestens einen Ultraschall-Transducer zum Senden und Empfangen von Ultraschall umfasst. Über den Ultraschall-Transducer ist es möglich, die Abstände zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus auf Grundlage einer Messung einer Laufzeit von Ultraschallwellen zu ermitteln. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sensor mehrere nebeneinander angeordnete Ultraschall-Transducer aufweist. Bevorzugt weist der Sensor mehrere in einer Reihe angeordnete Ultraschall-Transducer auf, über welche die Abstände zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus in einem linearen Detektionsbereich der Maßverkörperung ermittelt werden können. Beim Erfassen eines Abstands in axialer Richtung kann der lineare Detektionsbereich in radialer Richtung verlaufend angeordnet sein. Beim Erfassen eines Abstands in radialer Richtung kann der lineare Detektionsbereich in axialer Richtung verlaufend angeordnet sein. Alternativ kann der Sensor zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen eingerichtet sein, so dass die Abstände zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus auf Grundlage einer Messung einer Laufzeit von elektromagnetischen Wellen, z. B. sichtbares oder unsichtbares Licht oder Funkwellen, ermittelbar sind. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein LIDAR (Abkürzung für „light detection and ranging“) oder RADAR (Abkürzung für „radio detection and ranging“)-Sensor sein.An embodiment in which the sensor comprises at least one ultrasound transducer for transmitting and receiving ultrasound has proven to be advantageous. Using the ultrasound transducer, it is possible to determine the distances between the sensor and the surface levels on the basis of a measurement of a transit time of ultrasound waves. It is particularly advantageous if the sensor has a plurality of ultrasound transducers arranged next to one another. The sensor preferably has a plurality of ultrasound transducers arranged in a row, by means of which the distances between the sensor and the surface levels can be determined in a linear detection range of the material measure. When detecting a distance in the axial direction, the linear detection area can be arranged to run in the radial direction. When detecting a distance in the radial direction, the linear detection range in be arranged extending axially. Alternatively, the sensor can be set up to transmit and receive electromagnetic waves, so that the distances between the sensor and the surface levels are based on a measurement of a propagation time of electromagnetic waves, e.g. B. visible or invisible light or radio waves can be determined. Such a sensor can be, for example, a LIDAR (abbreviation for "light detection and ranging") or RADAR (abbreviation for "radio detection and ranging") sensor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die strukturierte Oberfläche der Maßverkörperung zusätzlich zu den mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus mindestens ein, bevorzugt zwei, Referenz-Oberflächenniveaus aufweist, die verschieden von den Oberflächenniveaus sind. Durch die Referenz-Oberflächenniveaus, die bevorzugt in einem Bereich vorgesehen sind, der von dem Sensor in allen Drehstellungen der Maßverkörperung erfassbar ist, kann die Genauigkeit der Erkennung der mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus erhöht werden. Beispielsweise kann ein erstes Referenz-Oberflächenniveau in einem größeren Abstand von dem Sensor vorgesehen sein als die mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus. Bevorzugt ist ein zweites Referenz-Oberflächenniveau in einem geringeren Abstand von dem Sensor vorgesehen als die mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus.According to an advantageous embodiment, it is provided that the structured surface of the material measure, in addition to the at least two different surface levels, has at least one, preferably two, reference surface levels that are different from the surface levels. The accuracy of the detection of the at least two different surface levels can be increased by the reference surface levels, which are preferably provided in an area that can be detected by the sensor in all rotational positions of the material measure. For example, a first reference surface level can be provided at a greater distance from the sensor than the at least two different surface levels. A second reference surface level is preferably provided at a shorter distance from the sensor than the at least two different surface levels.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine erste Abstandsdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten der mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus identisch ist mit einer zweiten Abstandsdifferenz zwischen dem ersten der mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus und dem Referenz-Oberflächenniveau. Unter identischen Abstandsdifferenzen werden Abstandsdifferenzen verstanden, bei denen eine kleinere Abstandsdifferenz nicht weniger als 90% der größeren Abstandsdifferenz beträgt, bevorzugt nicht weniger als 95%, besonders bevorzugt nicht weniger als 99%. Durch eine derartige Ausgestaltung der Abstandsdifferenzen kann die Messperformance verbessert werden.In this context, it has proven to be particularly advantageous if a first distance difference between a first and a second of the at least two different surface levels is identical to a second distance difference between the first of the at least two different surface levels and the reference surface level. Identical spacing differences are understood to mean spacing differences in which a smaller spacing difference is not less than 90% of the larger spacing difference, preferably not less than 95%, particularly preferably not less than 99%. The measurement performance can be improved by such a configuration of the distance differences.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die strukturierte Oberfläche der Maßverkörperung einen Messbereich mit einem Inkrementalmuster und einen Referenzbereich auf. Über das Inkrementalmuster können verschiedene Winkelstellungen der Maßverkörperung mit einem eindeutigen Code verknüpft werden, so dass eine absolute Messung der Winkelstellung erfolgen kann. Bevorzugt umfasst der Messbereich die mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus. Insofern kann das Inkrementalmuster aus den mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus gebildet sein. Der Referenz-Bereich umfasst bevorzugt das mindestens eine, bevorzugt zwei, Referenz-Oberflächenniveaus. Diese unterscheiden sich von den mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus und ermöglichen eine Kalibrierung der Messeinrichtung und/oder eine verbesserte Erkennung der mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus.According to an advantageous embodiment, the structured surface of the material measure has a measuring area with an incremental pattern and a reference area. Various incremental positions of the measuring standard can be linked with a unique code via the incremental pattern, so that an absolute measurement of the angular position can be carried out. The measuring range preferably comprises the at least two different surface levels. In this respect, the incremental pattern can be formed from the at least two different surface levels. The reference area preferably comprises the at least one, preferably two, reference surface levels. These differ from the at least two different surface levels and enable calibration of the measuring device and / or improved detection of the at least two different surface levels.

Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher die strukturierte Oberfläche senkrecht zu der Drehachse angeordnet ist und der Messbereich den Referenzbereich konzentrisch umgibt. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann der Messbereich kreisringsegmentförmige Bereiche der mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus aufweisen, um ein winkelstellungsabhängiges Codemuster zu bilden. Der Referenzbereich kann ein oder zwei kreisringförmige Referenz-Oberflächenniveaus umfassen, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Referenz-Oberflächenniveaus in jeder Drehstellung der Maßverkörperung in gleicher Weise messbar sind.An embodiment has proven to be advantageous in which the structured surface is arranged perpendicular to the axis of rotation and the measuring area concentrically surrounds the reference area. In such an embodiment, the measuring area can have annular segment-shaped areas of the at least two different surface levels in order to form a code pattern that is dependent on the angular position. The reference area can comprise one or two circular reference surface levels, which has the advantage that the reference surface levels can be measured in the same way in every rotational position of the material measure.

Alternativ vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher die strukturierte Oberfläche eine konzentrisch um die Drehachse angeordnete Mantelfläche der Maßverkörperung ist und der Referenzbereich in einem Randbereich der Mantelfläche angeordnet ist. Der Messbereich weist bevorzugt kreisringsegmentförmige Bereiche der mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus auf, um ein winkelstellungsabhängiges Codemuster zu bilden. Der Referenzbereich kann ein oder zwei kreisringförmige Referenz-Oberflächenniveaus umfassen, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Referenz-Oberflächenniveaus in jeder Drehstellung der Maßverkörperung in gleicher Weise messbar sind. Besonders bevorzugt sind zwei Referenzbereiche vorgesehen, welche an den beiden Rändern der Mantelfläche angeordnet sind.An embodiment is alternatively advantageous in which the structured surface is a circumferential surface of the material measure arranged concentrically about the axis of rotation and the reference region is arranged in an edge region of the circumferential surface. The measuring area preferably has annular segment-shaped areas of the at least two different surface levels in order to form a code pattern that is dependent on the angular position. The reference area can comprise one or two circular reference surface levels, which has the advantage that the reference surface levels can be measured in the same way in every rotational position of the material measure. Two reference areas are particularly preferably provided, which are arranged on the two edges of the lateral surface.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung einer Winkelstellung einer um eine Drehachse drehbaren Maßverkörperung mit einer Messeinrichtung, wobei die Maßverkörperung eine strukturierte Oberfläche mit mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus aufweist und ein Sensor der Messeinrichtung einen Abstand zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus der Oberfläche der Maßverkörperung erfasst.Another object of the invention is a method for measuring an angular position of a measuring body rotatable about an axis of rotation with a measuring device, the measuring body having a structured surface with at least two different surface levels and a sensor of the measuring device a distance between the sensor and the surface levels of the surface of the Material measure recorded.

Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drehgeber beschrieben worden sind.The method can achieve the same advantages as have already been described in connection with the rotary encoder according to the invention.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Sensor mehrere in einer Reihe nebeneinander angeordnete Ultraschall-Transducer aufweist, welche zum Erfassen des Abstands zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus nach Art eines Scan-Verfahrens nacheinander jeweils einzeln zum Senden und Empfangen von Ultraschall aktiviert werden, um nacheinander einen Bereich der Oberfläche der Maßverkörperung abzutasten. Das von dem Ultraschall-Transducer gesendete Ultraschallsignal kann an den Oberflächenniveaus der Maßverkörperung reflektiert und dann von dem Ultraschall-Transducer empfangen werden. Die Messung des Abstands kann über die Erfassung einer Laufzeit dieses Ultraschallsignals erfolgen.An advantageous embodiment of the method provides that the sensor has a plurality of ultrasound transducers which are arranged next to one another in a row and which are used to detect the distance between the sensor and the surface levels can be activated one after the other individually in the manner of a scanning method for transmitting and receiving ultrasound in order to successively scan an area of the surface of the material measure. The ultrasound signal transmitted by the ultrasound transducer can be reflected at the surface levels of the material measure and then received by the ultrasound transducer. The distance can be measured by recording a transit time of this ultrasound signal.

Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Sensor mehrere in einer Reihe nebeneinander angeordnete Ultraschall-Transducer aufweist, welche zum Erfassen des Abstands zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus nach Art eines Phased-Array-Verfahrens nacheinander jeweils einzeln zum Senden von Ultraschall aktiviert werden und danach gemeinsam zum Empfangen von Ultraschall aktiviert werden. Gegenüber dem zuvor genannten Scan-Verfahren kann durch das Phased-Array-Verfahren eine Messung der Abstände durch alle Ultraschall-Transducer des Sensors in einer reduzierten Zeit erfolgen.An alternative, advantageous embodiment of the method provides that the sensor has a plurality of ultrasound transducers which are arranged next to one another in a row and which, in order to detect the distance between the sensor and the surface levels in the manner of a phased array method, in each case individually for transmitting ultrasound activated and then activated together to receive ultrasound. Compared to the previously mentioned scan method, the phased array method enables the distances to be measured by all the ultrasound transducers of the sensor in a reduced time.

Alternativ zu den Ultraschall-Transducern kann der Sensor mehrere in einer Reihe nebeneinander angeordnete Abstandsdetektoren aufweisen, die zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen eingerichtet sind, so dass die Abstände zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus auf Grundlage einer Messung einer Laufzeit von elektromagnetischen Wellen, z. B. sichtbares oder unsichtbares Licht oder Funkwellen, ermittelbar sind. Ein solcher Abstandsdetektor kann beispielsweise ein LIDAR (Abkürzung für „light detection and ranging“) oder RADAR (Abkürzung für „radio detection and ranging“)-Sensor sein. Zum Erfassen des Abstands zwischen dem Sensor und den Oberflächenniveaus können die Abstandsdetektoren entweder

a. nach Art eines Scan-Verfahrens nacheinander jeweils einzeln zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen aktiviert werden, um nacheinander einen Bereich der Oberfläche der Maßverkörperung abzutasten; oder
b. nach Art eines Phased-Array-Verfahrens nacheinander jeweils einzeln zum Senden elektromagnetischer Wellen aktiviert werden und danach gemeinsam zum Empfangen elektromagnetischer Wellen aktiviert werden.

As an alternative to the ultrasound transducers, the sensor can have a plurality of distance detectors arranged in a row next to one another, which are set up for transmitting and receiving electromagnetic waves, so that the distances between the sensor and the surface levels are based on a measurement of a propagation time of electromagnetic waves, e.g. B. visible or invisible light or radio waves can be determined. Such a distance detector can be, for example, a LIDAR (abbreviation for "light detection and ranging") or RADAR (abbreviation for "radio detection and ranging") sensor. The distance detectors can either be used to detect the distance between the sensor and the surface levels

a. activated one after the other individually in the manner of a scanning method for transmitting and receiving electromagnetic waves, in order to successively scan an area of the surface of the material measure; or
b. in the manner of a phased array method are activated one after the other individually for transmitting electromagnetic waves and then activated together for receiving electromagnetic waves.

Alternativ oder zusätzlich zu den genannten vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens können auch die im Zusammenhang mit dem Drehgeber beschriebenen vorteilhaften Merkmale allein oder in Kombination bei dem Verfahren Anwendung finden.Alternatively or in addition to the advantageous embodiments of the method mentioned, the advantageous features described in connection with the rotary encoder can also be used alone or in combination in the method.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehgebers in einer perspektivischen Darstellung;
2 die Maßverkörperung des Drehgebers nach 1 in einer geschnittenen, perspektivischen Detaildarstellung;
3 eine schematische Darstellung der Oberflächenniveaus und Referenz-Oberflächenniveaus einer Abwandlung der Maßverkörperung nach 1;
4 eine schematische Darstellung des Sensors des Drehgebers nach 1 in einer Seitenansicht;
5 der Sensor des Drehgebers nach 1 in einer perspektivischen Darstellung;
6 ein Ablaufdiagramm zur Visualisierung der Abläufe beim Erfassen des Abstands mit dem Sensor;
7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Messung nach Art eines Scan-Verfahrens;
8 ein Diagramm der zeitlichen Abläufe während eines Scan-Verfahrens;
9 eine Darstellung verschiedener Sendeimpulsformen;
10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Messung nach Art eines Phased-Array-Verfahrens;
11 ein Diagramm der zeitlichen Abläufe während eines Phased-Array-Verfahrens;
12 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehgebers in einer perspektivischen Darstellung;
13 die Maßverkörperung des Drehgebers nach 12 in einer perspektivischen Detaildarstellung;
14 die Maßverkörperung des Drehgebers nach 12 in einer Explosionsdarstellung; und
15 ein Segment der Maßverkörperung nach 12 in einer Seitenansicht.

Further details and advantages of the invention will be explained below with reference to the embodiment shown in the drawings. Herein shows:

1 a first embodiment of an encoder according to the invention in a perspective view;
2nd the measuring standard of the encoder 1 in a cut, perspective detailed view;
3rd a schematic representation of the surface levels and reference surface levels of a modification of the material measure after 1 ;
4th is a schematic representation of the sensor of the encoder 1 in a side view;
5 the sensor of the encoder 1 in a perspective view;
6 a flow chart for visualizing the processes when detecting the distance with the sensor;
7 a schematic representation for explaining a measurement in the manner of a scanning method;
8th a diagram of the time sequences during a scanning process;
9 a representation of different transmission pulse shapes;
10th a schematic representation for explaining a measurement in the manner of a phased array method;
11 a diagram of the temporal processes during a phased array method;
12th a second embodiment of an encoder according to the invention in a perspective view;
13 the measuring standard of the encoder 12th in a perspective detailed view;
14 the measuring standard of the encoder 12th in an exploded view; and
15 a segment of the measuring standard 12th in a side view.

In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Drehgebers 1 gezeigt. Dieser Drehgeber 1 umfasst eine um eine Drehachse A drehbar angeordnete Maßverkörperung 2 (auch als „target“ bezeichnet) und eine Messeinrichtung 3 zur Messung einer insbesondere absoluten Winkelstellung dieser Maßverkörperung 2.In the 1 is a first embodiment of a rotary encoder designed according to the invention 1 shown. This encoder 1 includes one around an axis of rotation A rotatably arranged measuring standard 2nd (also called "target") and a measuring device 3rd for measuring a particular absolute angular position of this material measure 2nd .

Die Maßverkörperung 2 weist eine strukturierte Oberfläche 2.1 mit mehreren - hier zwei - verschiedenen Oberflächenniveaus 11, 12 auf. Diese Oberflächenniveaus 11, 12 sind in einem Messbereich 5 der Oberfläche 2.1 der Maßverkörperung 2 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Messbereich 5 mit einem Inkrementalmuster versehen und im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet. Das Inkrementalmuster des Messbereichs 5 besteht aus abwechselnd angeordneten kreisringsegmentförmigen Bereichen, die die beiden genannten Oberflächenniveaus 11, 12 aufweisen. Im Messbereich 5 ist das Inkrementalmuster durch mehrere - hier zehn - kreisringförmige Bereiche gebildet. Durch in bezüglicher der Drehachse D tangentialer Richtung abwechselnde Oberflächenniveaus 11, 12 ist jeweils eine Skala mit einheitlicher Teilung gebildet. Die kreisringförmigen Bereiche bzw. Skalen, im äußeren Bereich des Maßverkörperung 2 weisen eine höhere Auflösung (d.h. eine kleineren Teilung) als die jeweils dazu weiter innen liegenden kreisförmigen Bereiche bzw. Skalen auf. Die weiter außen liegenden kreisringförmigen Bereiche haben einen größeren Umfang und können daher auch eine größere Anzahl an Teilungsbereichen mit identischer Breite IB bzw. Bogenlänge aufnehmen. The embodiment 2nd has a textured surface 2.1 with several - here two - different surface levels 11 , 12th on. These surface levels 11 , 12th are in a measuring range 5 the surface 2.1 the material measure 2nd arranged. In the exemplary embodiment, the measuring range is 5 provided with an incremental pattern and essentially circular. The incremental pattern of the measuring range 5 consists of alternatingly arranged ring segment-shaped areas, the two surface levels mentioned 11 , 12th exhibit. In the measuring range 5 the incremental pattern is formed by several - here ten - circular areas. By in relation to the axis of rotation D alternating surface levels in the tangential direction 11 , 12th a scale with a uniform division is formed. The circular areas or scales, in the outer area of the material measure 2nd have a higher resolution (ie a smaller division) than the circular areas or scales located further inward. The annular areas located further out have a larger circumference and can therefore also have a larger number of dividing areas with an identical width IB or record arc length.

Der Messbereich 5 ist konzentrisch umlaufend um einen Referenzbereich 6 angeordnet, der ebenfalls kreisringförmig ausgestaltet ist. In dem Referenzbereich 6 sind zwei kreisringförmige Referenz-Oberflächenniveaus 10, 13 angeordnet. Der Referenzbereich 6 weist kein Inkrementalmuster oder eine ähnliche Auflösungsdarstellung in der tangentialen Richtung auf.The measuring range 5 is concentric around a reference area 6 arranged, which is also circular. In the reference area 6 are two circular reference surface levels 10th , 13 arranged. The reference range 6 has no incremental pattern or similar resolution representation in the tangential direction.

Die Messeinrichtung 3 des Drehgebers 1 weist einen Sensor 4 zum Erfassen eines Abstands zwischen dem Sensor 4 und den Oberflächenniveaus 11, 12 der Oberfläche der Maßverkörperung auf. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 4 derart angeordnet, dass die Abstände zwischen dem Sensor 4 und den Oberflächenniveaus 11, 12 in einer parallel zu der Drehachse D verlaufenden, axialen Richtung A erfassbar sind. Bei dem Sensor 4 handelt es sich um einen Ultraschall-Messkopf, welcher die Maßverkörperung 2 mit einem linearen Detektionsbereich 7 abtastet, der in einer zu der Drehachse D senkrecht ausgerichteten, radialen Richtung R verläuft.The measuring device 3rd of the encoder 1 has a sensor 4th for detecting a distance between the sensor 4th and the surface levels 11 , 12th the surface of the material measure. In the first embodiment, the sensor 4th arranged such that the distances between the sensor 4th and the surface levels 11 , 12th in a parallel to the axis of rotation D extending axial direction A are detectable. With the sensor 4th is an ultrasonic measuring head, which is the measuring standard 2nd with a linear detection range 7 scans that in one to the axis of rotation D vertical radial direction R runs.

Das Inkrementalmuster der Maßverkörperung 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel weist von außen nach innen zehn unterschiedlichen Kreisringe auf, die den zehn Stellen einer binären Zahl entsprechen, welche die Winkelstellung der Maßverkörperung 2 angibt.The incremental pattern of the material measure 2nd According to the exemplary embodiment, from the outside inward has ten different circular rings which correspond to the ten digits of a binary number which represent the angular position of the material measure 2nd indicates.

Wie der Detaildarstellung in 2 entnommen werden kann, weist die strukturierte Oberfläche 2.1 der Maßverkörperung 2 zusätzlich zu den zwei verschiedenen Oberflächenniveaus 11, 12 mindestens zwei Referenz-Oberflächenniveaus 10, 13 auf, die verschieden von den Oberflächenniveaus sind. Es ist erkennbar, dass ein erstes Oberflächenniveau 11 die niedrigste Lage der strukturierten Oberfläche 2.1 darstellt, d.h. das Oberflächenniveau mit dem größten Abstand zu dem Sensor 4 bildet. Ein erstes Referenz-Oberflächenniveau 10 bildet die nächsthöhere Lage und weist im Vergleich zu dem ersten Oberflächenniveau 11 einen geringeren Abstand zu dem Sensor 4 auf. Ein zweites Oberflächenniveau 12 bildet die nächsthöhere Lage und weist im Vergleich zu dem ersten Referenz-Oberflächenniveau 10 einen geringeren Abstand zu dem Sensor 4 auf. Die höchste Lage der strukturierten Oberfläche 2.1 bildet ein zweites Referenz-Oberflächenniveau 13. Dieses zweite Referenz-Oberflächenniveau 13 hat den geringsten Abstand von dem Sensor 4. Schließlich ist in 2 die Länge der kreisringförmigen Bereiche in radialer Richtung R mit dem Bezugszeichen IL gekennzeichnet.Like the detailed representation in 2nd can be removed, shows the structured surface 2.1 the material measure 2nd in addition to the two different surface levels 11 , 12th at least two reference surface levels 10th , 13 that are different from the surface levels. It can be seen that a first surface level 11 the lowest layer of the structured surface 2.1 represents, ie the surface level with the greatest distance to the sensor 4th forms. A first reference surface level 10th forms the next higher layer and points in comparison to the first surface level 11 a closer distance to the sensor 4th on. A second surface level 12th forms the next higher layer and points in comparison to the first reference surface level 10th a closer distance to the sensor 4th on. The highest position of the structured surface 2.1 forms a second reference surface level 13 . This second reference surface level 13 has the smallest distance from the sensor 4th . Finally in 2nd the length of the annular areas in the radial direction R with the reference symbol IL featured.

Die 3 zeigt eine schematische Darstellung der Oberflächenniveaus 11, 12 und Referenz-Oberflächenniveaus 10, 13 einer Abwandlung der Maßverkörperung 2. Gemäß dieser Abwandlung bildet das erste Referenz-Oberflächenniveau 10 die Lage der strukturierten Oberfläche 2.1 mit den größten Abstand von dem Sensor 4 und das zweite Referenz-Oberflächenniveau 13 bildet die Lage mit dem geringsten Abstand von dem Sensor 4. Das erste und zweite Oberflächenniveau 11, 12 befinden sich zwischen den Referenz-Oberflächenniveaus 10, 13. Dabei ist eine erste Abstandsdifferenz ΔH1 zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenniveau 11, 12 identisch ist mit einer zweiten Abstandsdifferenz ΔH2 zwischen dem ersten Oberflächenniveau 11 und dem ersten Referenz-Oberflächenniveau 10. Ferner ist die Abstandsdifferenz ΔH1 zwischen dem ersten und dem zweiten Oberflächenniveau 11, 12 identisch ist mit einer dritten Abstandsdifferenz ΔH3 zwischen dem zweiten Oberflächenniveau 11 und dem zweiten Referenz-Oberflächenniveau 13.The 3rd shows a schematic representation of the surface levels 11 , 12th and reference surface levels 10th , 13 a modification of the material measure 2nd . According to this modification, the first reference surface level is formed 10th the location of the structured surface 2.1 with the greatest distance from the sensor 4th and the second reference surface level 13 forms the position with the smallest distance from the sensor 4th . The first and second surface level 11 , 12th are between the reference surface levels 10th , 13 . There is a first difference in distance ΔH1 between the first and second surface levels 11 , 12th is identical to a second distance difference ΔH2 between the first surface level 11 and the first reference surface level 10th . Furthermore, the distance difference is ΔH1 between the first and the second surface level 11 , 12th is identical to a third distance difference ΔH3 between the second surface level 11 and the second reference surface level 13 .

Die Halbwellenlänge λ/2 des verwendeten Ultraschalls wird nicht größer als ΔH1 gewählt. Bevorzugt ist die Wellenlänge Ä identisch ΔH1.The half-wavelength λ / 2 of the ultrasound used is not greater than ΔH1 chosen. The wavelength λ is preferably identical ΔH1 .

Die 4 und 5 zeigen einen als Ultraschall-Messkopf ausgebildeten Sensor 4, der mehrere, nebeneinander in einer Reihe angeordnete Ultraschall-Transducer 8 zum Senden und Empfangen von Ultraschall umfasst. Mittels dieses Sensors 4 kann ein linearer Detektionsbereich 7 auf der strukturierten Oberfläche 2.1 der Maßverkörperung 2 abgetastet werden. In radialer Richtung R weist der Ultraschallstrahl des Sensors einen Azimutwinkel α auf und in tangentialer Richtung einen Elevationswinkel β.The 4th and 5 show a sensor designed as an ultrasonic measuring head 4th , the several ultrasound transducers arranged side by side in a row 8th for sending and receiving ultrasound. By means of this sensor 4th can be a linear detection range 7 on the structured surface 2.1 the material measure 2nd be scanned. In the radial direction R the ultrasonic beam from the sensor has an azimuth angle α an elevation angle on and in the tangential direction β .

Die Strahllänge S des Detektionsbereichs wird derart gewählt, dass die Auflösung der Strahllänge S der Hälfte der Länge IL der kreisringförmigen Bereiche in radialer Richtung entspricht. Die Strahlbreite B lässt sich anhand des Messabstands L und des Elevationswinkels β nach der folgenden Gleichung bestimmen: $B = 2 \cdot L \cdot t a n \frac{β}{2}$

The beam length S of the detection area is chosen such that the resolution of the beam length S half the length IL corresponds to the annular areas in the radial direction. The beam width B can be determined based on the measuring distance L and the elevation angle β determine according to the following equation:

B = 2nd \cdot L \cdot t a n \frac{β}{2nd}

Die Strahllänge S beträgt bevorzugt die Hälfte der Inkrementenlänge IL. Sie kann mit der nachfolgenden Gleichung in Abhängigkeit von dem Messabstand L und dem Azimutwinkel α berechnet werden. $S = 2 \cdot L \cdot tan \frac{α}{2}$

The beam length S is preferably half the increment length IL . You can use the following equation depending on the measurement distance L and the azimuth angle α be calculated.

S = 2nd \cdot L \cdot tan \frac{α}{2nd}

Bevorzugt ist die Strahlbreite B kleiner oder gleich der Hälfte der Inkrementenbreite IB. Beispielsweise können der maximale Messabstand L=12 mm und a= β= 1° betragen. Die Strahlbereite B und Strahllänge S sind ca. 0,25 mm. Die Inkrementenlänge IL und -breite IB sollte dann mindestens 0.5 mm betragen.The beam width is preferred B less than or equal to half the increment width IB . For example, the maximum measuring distance can be L = 12 mm and a = β = 1 °. The jet ready B and beam length S are approx. 0.25 mm. The increment length IL and width IB should then be at least 0.5 mm.

Die 6 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Messprinzips des Ultraschallsensors 4. Ein Waveform-Generator 20 erzeugt ein elektrisches Signal mit einer vorgegebenen Frequenz. Das elektrische Signal wird durch einen Sender 21 in ein Ultraschallsignal gewandelt und in Richtung der Maßverkörperung 2 gesendet. Nach der Reflektion des Schalls an der strukturierten Oberfläche 2.1 der Maßverkörperung 2 empfängt ein Empfänger 22 ein reflektiertes Ultraschallsignal und wandelt dieses in ein analoges elektrisches Signal. Das analoge elektrische Signal wird dann mittels eines Analog-DigitalWandlers 23 in ein digitales Signal transformiert. Weiterhin wird das digitale Signal in einer Signalverarbeitungseinrichtung 24 für die weitere Berechnung angepasst (z.B. Bandpass, Korrektur des Dopplereffekts). Anschließend wird in einer Auswerteeinrichtung 25 die Winkelstellung der Maßverkörperung 2 bestimmt.The 6 shows a flowchart to illustrate the measuring principle of the ultrasonic sensor 4th . A waveform generator 20th generates an electrical signal with a predetermined frequency. The electrical signal is transmitted by a transmitter 21 converted into an ultrasonic signal and in the direction of the material measure 2nd Posted. After the reflection of the sound on the structured surface 2.1 the material measure 2nd receives a recipient 22 a reflected ultrasound signal and converts it into an analog electrical signal. The analog electrical signal is then converted using an analog-digital converter 23 transformed into a digital signal. Furthermore, the digital signal is in a signal processing device 24th adapted for further calculation (eg bandpass, correction of the Doppler effect). Then in an evaluation device 25th the angular position of the measuring standard 2nd certainly.

Die Ermittlung der Winkelstellung der Maßverkörperung 2 kann mit unterschiedlichen Methoden bestimmt werden, wovon nachfolgend die Scan-Methode und die Phased-Array-Methode näher beschrieben werden.The determination of the angular position of the measuring standard 2nd can be determined with different methods, of which the scan method and the phased array method are described in more detail below.

Bei der in 7 visualisierten Scan-Methode umfasst der Sensor 4 mehrere in einer Reihe nebeneinander angeordnete Ultraschall-Transducer 8, welche zum Erfassen des Abstands zwischen dem Sensor 4 und den Oberflächenniveaus 11, 12 nacheinander jeweils einzeln zum Senden und Empfangen von Ultraschall aktiviert werden, um nacheinander einen Bereich der Oberfläche 2.1 der Maßverkörperung 2 abzutasten. Der in der Darstellung ganz links angeordnete erste Ultraschall-Transducer sendet als erster ein Signal zur Maßverkörperung 2 und empfängt das entsprechende reflektierte Signal. Nachdem diese erste Messung abgeschlossen ist, führt der rechts neben dem ersten Ultraschall-Transducer angeordnete Ultraschall-Transducer 8 eine Messung nach demselben Prinzip durch. Dieses Vorgehen wird wiederholt, bis sämtliche Ultraschall-Transducer 8 der Reihe gemessen haben. Ein Messdurchgang über die gesamte Reihe an Ultraschall-Transducern 8 entspricht einer Positionsmessung.At the in 7 visualized scan method includes the sensor 4th several ultrasound transducers arranged in a row next to each other 8th which is used to detect the distance between the sensor 4th and the surface levels 11 , 12th sequentially activated individually for sending and receiving ultrasound to successively cover an area of the surface 2.1 the material measure 2nd to feel. The first ultrasound transducer, which is arranged on the far left in the illustration, is the first to send a signal for the material measure 2nd and receives the corresponding reflected signal. After this first measurement has been completed, the ultrasound transducer arranged to the right of the first ultrasound transducer leads 8th a measurement using the same principle. This procedure is repeated until all of the ultrasound transducers 8th measured in turn. One measurement run across the entire range of ultrasonic transducers 8th corresponds to a position measurement.

In der 8 ist der zeitliche Ablauf der Messung nach der Scan-Methode gezeigt. Eine Messperiode T entspricht einer Abstandsmessung eines Ultraschall-Transducers 8. Innerhalb jeder Messperiode T wird zunächst gesendet und dann empfangen. Das Senden erfolgt während einer Sendedauer 30. An die Sendedauer 30 schließt sich eine Blindzeit 31 an, in welcher weder gesendet noch empfangen wird. Die Blindzeit 31 ist bevorzugt mindestens so lang wie die Sendedauer 30. Nach Ablauf der Blindzeit 31 wird für eine Empfangsdauer 32 empfangen. Zwischen der Empfangsdauer 32 und der nächsten Sendedauer 30 ist eine Totzeit 33 vorgesehen, in der ebenfalls weder gesendet noch empfangen wird.In the 8th the chronological sequence of the measurement according to the scan method is shown. A measurement period T corresponds to a distance measurement of an ultrasound transducer 8th . Within each measurement period T is first sent and then received. The transmission takes place during a transmission period 30th . The broadcasting time 30th a blind time closes 31 in which neither is sent nor received. The blind time 31 is preferably at least as long as the transmission time 30th . After the blind time has expired 31 is for a reception period 32 receive. Between the reception period 32 and the next broadcast time 30th is a dead time 33 provided in which neither is sent nor received.

In 8 sind Abstandmessungen für das erste und zweite Referenz-Oberflächenniveau mit den Bezugszeichen RH (Referenz-High) und RL (Referenz-Low) eingezeichnet. Ferner kann ein Referenz-Mittelwert Rm berechnet werden, der ebenfalls eingezeichnet ist.In 8th are distance measurements for the first and second reference surface levels with the reference numerals RH (Reference high) and RL (Reference low). A reference mean value Rm can also be calculated, which is also shown.

Der Sendeimpuls ist mit 34 bezeichnet und der entsprechende Empfangsimpuls mit 35. Die Echodauer 36, die vergeht, bis der reflektierte Sendeimpuls als Empfangsimpuls detektiert wird zur Bestimmung des Abstands ausgewertet. Falls eine Echodauer 36 im Bereich zwischen RH und RM liegt, wird das empfangene Signal als logisch „1“ gewertet. Falls die Echodauer 36 zwischen RM und RL liegt, wird das empfangene Signal als logisch „0“ gewertet.The send pulse is with 34 designated and the corresponding receive pulse with 35 . The echo duration 36 , which passes until the reflected transmission pulse is detected as a reception pulse and evaluated to determine the distance. If an echo duration 36 in the range between RH and RM the received signal is rated as logic "1". If the echo duration 36 between RM and RL the received signal is rated as logic "0".

Die 9 zeigt beispielhaft die Impulsform des Sendesignals 34, welches eine Schwingung mit mehreren Perioden umfasst. Um die Performance zu erhöhen, kann das Sendesignal 34 mit einer Gaußfunktion bzw. Deltafunktion multipliziert werden, vgl. 9.The 9 shows an example of the pulse shape of the transmission signal 34 which comprises a vibration with several periods. To increase performance, the transmission signal 34 are multiplied by a Gaussian function or delta function, cf. 9 .

Die Darstellungen in 10 visualisieren die Phased-Array-Methode, die alternativ zur Scan-Methode verwendet werden kann. Bei der Phased-Array-Methode weist der Sensor 4 mehrere in einer Reihe nebeneinander angeordnete Ultraschall-Transducer 8 auf, welche zum Erfassen des Abstands zwischen dem Sensor 4 und den Oberflächenniveaus 11, 12 nacheinander jeweils einzeln zum Senden von Ultraschall aktiviert werden und danach gemeinsam zum Empfangen von Ultraschall aktiviert werden. Insofern senden alle Ultraschall-Transducer 8 nach einander mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Sendevorgängen. Die vorgegebene Zeitverzögerung ist deutlich kleiner als eine Messperiode T. In dem der 10 zugrundeliegenden Beispiel ist diese Zeitverzögerung zu Null angenommen, so dass alle Ultraschall-Transducer gleichzeitig nach vorne senden. Die Wellenfront in der Nähe der Ultraschall-Transducer hat die Form mehrerer Bogen. In einem größeren Abstand von den Ultraschall-Transducern 8 kann die Wellenfront als eine ebene Welle angenähert werden.The representations in 10th visualize the phased array method, which can be used as an alternative to the scan method. With the phased array method, the sensor points 4th several ultrasound transducers arranged in a row next to each other 8th on which to measure the distance between the sensor 4th and the surface levels 11 , 12th can be activated one after the other individually for transmitting ultrasound and then activated together for receiving ultrasound. In this respect, all ultrasound transducers transmit 8th one after the other with a predetermined time delay between the individual transmission processes. The specified time delay is significantly smaller than a measurement period T . In which the 10th The underlying example assumes that this time delay is zero, so that all ultrasound transducers send forward at the same time. The wavefront near the ultrasound transducers has the shape of several arcs. At a greater distance from the ultrasound transducers 8th the wavefront can be approximated as a flat wave.

Der Ablauf einer Messung mit der Phased-Array-Methode ist in 11 gezeigt. Während der Sendedauer 40 wird eine periodische ebene Welle gesendet. Danach wird sie reflektiert und die Ultraschall-Transducer 8 des Sensors empfangen während einer Empfangsdauer 41 die reflektierten Signale. An die Empfangsdauer 42 schließ sich eine Totzeit 42 an, bevor die nächste Sendedauer startet. Die Besonderheit im Vergleich zum Scan-Verfahren ist das, dass alle Signale, die demselben Oberflächenniveau 10, 11, 12, 13 entsprechen zum selben Zeitpunkt erfasst werden. Daher kann die für die Messung einer Winkelstellung erforderliche Zeit deutlich reduziert werden. Im Vergleich zum Scanverfahren, benötigt der Sensor mit dem Verfahren eine ca. um die Anzahl der Ultraschall-Transducer 8 in der Reihe reduzierte Zeit für die Messung einer Winkelstellung. In der 11 sind die Oberflächenniveaus 10, 11, 12, 13 einer Maßverkörperung gemäß 3 eingezeichnet.The procedure for a measurement using the phased array method is shown in 11 shown. During the broadcast 40 a periodic flat wave is sent. Then it is reflected and the ultrasonic transducers 8th of the sensor received during a reception period 41 the reflected signals. The duration of reception 42 close a dead time 42 before the next transmission period starts. The peculiarity compared to the scanning process is that all signals have the same surface level 10th , 11 , 12th , 13 correspond to be recorded at the same time. Therefore, the time required to measure an angular position can be significantly reduced. In comparison to the scanning method, the sensor with the method requires an approximate number of ultrasonic transducers 8th reduced time in series for measuring an angular position. In the 11 are the surface levels 10th , 11 , 12th , 13 according to a material measure 3rd drawn.

Die 12-15 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehgebers 1 gemäß der Erfindung. Bei diesem Drehgeber ist der Sensor 4 derart angeordnet, dass die Abstände zwischen dem Sensor 4 und den Oberflächenniveaus 11, 12 in einer senkrecht zu der Drehachse D verlaufenden, radialen Richtung R erfassbar sind. Hierzu ist die strukturierte Oberfläche 2.1 eine konzentrisch um die Drehachse D angeordnete Mantelfläche der Maßverkörperung 2 und der Referenzbereich 6 ist in einem Randbereich der Mantelfläche angeordnet.The 12-15 show a second embodiment of a rotary encoder 1 according to the invention. With this encoder is the sensor 4th arranged such that the distances between the sensor 4th and the surface levels 11 , 12th in a perpendicular to the axis of rotation D extending radial direction R are detectable. This is the structured surface 2.1 one concentric around the axis of rotation D arranged lateral surface of the material measure 2nd and the reference range 6 is arranged in an edge area of the lateral surface.

Die Maßverkörperung 2 enthält ebenfalls zwei Bereiche, den Messbereich 5 und den Referenzbereich 6 mit einem ersten Referenzoberflächenniveau 10 und einem zweiten Referenz-Oberflächenniveau 11.The embodiment 2nd also contains two areas, the measurement area 5 and the reference range 6 with a first reference surface level 10th and a second reference surface level 11 .

Das Inkrementalmustern des Messbereichs ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren separat gefertigten Kodescheibe gebildet. Diese Kodescheiben 50 können beispielsweise durch Stanzen, Lasern oder Fräsen gefertigt werden. Das Zusammenfügen der Kodescheiben kann durch Kleben oder Verstemmen erfolgen. Beim Zusammenfügen ist es erforderlich, die einzelnen Kodescheiben 50 korrekt aufeinander auszurichten. Um das korrekte Ausrichten zu erleichtern, weisen die Kodescheiben 50 jeweils mindestens drei Ausrichtungsnuten 51 auf, vgl. 15. Die Ausrichtungsnuten 51 sind an einem Innenumfang der Kodescheiben 50 derart angeordnet, dass die Winkel dürfen zwischen den drei Ausrichtungsnuten 51 nicht identisch sind und mindestens ein Winkel zwischen zwei Ausrichtungsnuten 51 kleiner als 90° ist.In this exemplary embodiment, the incremental pattern of the measuring range is formed from several separately manufactured code disks. These code disks 50 can be manufactured, for example, by punching, lasering or milling. The code disks can be joined by gluing or caulking. When assembling it is necessary to use the individual code disks 50 to align correctly with each other. To facilitate correct alignment, the code disks have 50 at least three alignment grooves each 51 on, cf. 15 . The alignment grooves 51 are on an inner circumference of the code disks 50 arranged so that the angles are allowed between the three alignment grooves 51 are not identical and at least one angle between two alignment grooves 51 is less than 90 °.

Mit den vorstehend beschriebenen Drehgebern kann ein Verfahren zur Messung einer Winkelstellung einer um eine Drehachse D drehbaren Maßverkörperung 2 mit einer Messeinrichtung 3 durchgeführt werden, wobei die Maßverkörperung 2 eine strukturierte Oberfläche 2.1 mit mindestens zwei verschiedenen Oberflächenniveaus 11, 12 aufweist und ein Sensor 4 der Messeinrichtung 3 einen Abstand zwischen dem Sensor 4 und den Oberflächenniveaus 11, 12, der Oberfläche 2.1 der Maßverkörperung 2 erfasst. Hierdurch wird es möglich, die Winkelstellung der Maßverkörperung 2 mit höherer Genauigkeit zu messen.With the rotary encoders described above, a method for measuring an angular position about an axis of rotation D rotatable measuring standard 2nd with a measuring device 3rd be carried out, the material measure 2nd a structured surface 2.1 with at least two different surface levels 11 , 12th has and a sensor 4th the measuring device 3rd a distance between the sensor 4th and the surface levels 11 , 12th , the surface 2.1 the material measure 2nd detected. This makes it possible to change the angular position of the material measure 2nd to measure with higher accuracy.

BezugszeichenlisteReference list

11: DrehgeberEncoder
22nd: MaßverkörperungMaterial measure
2.12.1: strukturierte Oberflächestructured surface
33rd: MesseinrichtungMeasuring device
44th: Sensorsensor
55: MessbereichMeasuring range
66: ReferenzbereichReference range
77: DetektionsbereichDetection range
88th: Ultraschall-Transducer Ultrasound transducer
1010th: Referenz-OberflächenniveauReference surface level
1111: OberflächenniveauSurface level
1212th: OberflächenniveauSurface level
1313: Referenz-Oberflächenniveau Reference surface level
2020th: Waveform-GeneratorWaveform generator
2121: SenderChannel
2222: Empfängerreceiver
2323: Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
2424th: SignalverarbeitungseinrichtungSignal processing device
2525th: Auswerteeinrichtung Evaluation device
3030th: SendedauerBroadcast duration
3131: BlindzeitBlind time
3232: EmpfangsdauerDuration of reception
3333: TotzeitDead time
3434: SendesignalBroadcast signal
3535: EmpfangssignalReceived signal
3636: Echodauer Echo duration
4040: SendedauerBroadcast duration
4141: EmpfangsdauerDuration of reception
4242: Totzeit Dead time
5050: KodescheibeCode disk
5151: Ausrichtungsnut Alignment groove
AA: axialer Richtungaxial direction
BB: StrahlbreiteBeam width
DD: DrehachseAxis of rotation
IBIB: InkrementbreiteIncrement width
ILIL: InkrementlängeIncrement length
LL: MessabsstandMeasuring distance
RR: radiale Richtungradial direction
SS: StrahllängeBeam length
TT: MessperiodeMeasurement period
αα: AzimutwinkelAzimuth angle
ββ: ElevationswinkelElevation angle

Claims

Encoder with a measuring standard (2) rotatable about an axis of rotation (D) and a measuring device (3) for measuring an angular position of the measuring standard (2), characterized in that the measuring standard (2) has a structured surface (2.1) with at least two different surface levels (11, 12) and the measuring device (3) comprises a sensor (3) for detecting a distance between the sensor (4) and the surface levels (11, 12) of the surface (2.1) of the material measure (2).

Encoder after Claim 1 , characterized in that the sensor (4) is arranged such that the distances between the sensor (4) and the surface levels (11, 12) can be detected in an axial direction (A) running parallel to the axis of rotation (D) .

Encoder after Claim 1 , characterized in that the sensor (4) is arranged such that the distances between the sensor (4) and the surface levels (11, 12) can be detected in a radial direction (R) running perpendicular to the axis of rotation (D).

Encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (4) comprises at least one ultrasound transducer (8) for transmitting and receiving ultrasound, preferably a plurality of ultrasound transducers (8) arranged next to one another.

Encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the structured surface (2.1) of the material measure (2) has at least one, preferably two, reference surface levels (10, 13) in addition to the at least two different surface levels (11, 12), which are different from the surface levels (11, 12).

Encoder after Claim 5 , characterized in that a first distance difference (ΔH) between a first and a second of the at least two different surface levels (11, 12) is identical to a second distance difference (ΔH) between the first of the at least two different surface levels (11, 12) and the reference surface level (10).

Encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the structured surface (2.1) of the material measure (2) has a measuring area (5) with an incremental pattern and a reference area (6), the measuring area (5) preferably having the at least two different surface levels (11, 12) and the reference area (6) preferably comprises at least one, preferably two, reference surface levels (10, 13).

Encoder after Claim 7 , characterized in that the structured surface (2.1) is arranged perpendicular to the axis of rotation (D) and the measuring area (5) concentrically surrounds the reference area (6); or that the structured surface (2.1) is a lateral surface of the measuring standard (2) arranged concentrically around the axis of rotation (D) and the reference region (6) is arranged in an edge region of the lateral surface.

Method for measuring an angular position of a material measure (2) rotatable about an axis of rotation (D) with a measuring device (3), characterized in that the material measure (2) has a structured surface (2.1) with at least two different surface levels (11, 12) and a sensor (4) of the measuring device (3) detects a distance between the sensor (4) and the surface levels (11, 12) of the surface (2.1) of the material measure (2).

Procedure according to Claim 9 , characterized in that the sensor (4) a plurality of ultrasound transducers arranged side by side in a row (8), which for detecting the distance between the sensor (4) and the surface levels (11, 12) either a. activated one after the other individually in the manner of a scanning method for transmitting and receiving ultrasound, in order to successively scan an area of the surface (2.1) of the material measure (2); or b. in the manner of a phased array method are activated one after the other individually for transmitting ultrasound and are then activated together for receiving ultrasound.