CN110927741A - 旋转盘单元和用于制造旋转盘单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转盘单元以及一种用于制造旋转盘单元的方法。本发明说明一种用于激光雷达设备的旋转盘单元，其包括盘形的定子和盘形的转子，其中，定子和转子的盘形表面彼此平行地沿着中心轴线相对彼此间隔开地布置；和在定子和转子之间的非接触式传递系统，其具有多个由彼此相应的传递元件组成的对，其中，每个对的第一传递元件布置在定子的面向转子的表面上并且每个对的对应的第二传递元件布置在转子的面向定子的表面上，其中，所述对的彼此相应的传递元件在转子旋转时至少区段地相对彼此间隔开地对置，其中，由传递系统的各个传递元件组成的对空间上相对彼此分隔开地沿着旋转盘单元的半径布置。

Description

旋转盘单元和用于制造旋转盘单元的方法
技术领域
本发明涉及一种旋转盘单元以及一种用于制造旋转盘单元的方法。本发明尤其涉及一种具有在定子和转子之间的非接触式传递系统的、用于激光雷达设备的旋转盘单元以及一种用于制造这样的旋转盘单元的方法。
背景技术
激光雷达设备将在接下来的几年里开创在实现自动驾驶功能中的应用。为了覆盖150°至360°之间的大的水平感测角，当前仅已知机械的激光扫描仪。在第一构型中，在最大感测范围被限制在约150°的旋转镜激光扫描仪中，仅马达驱动的偏转镜旋转。对于直至360°的更大的感测范围而言，所有电子光学部件位于马达驱动的旋转盘或者转子上。其它电子部件大部分布置在对应的定子上。在此，定子和转子一起构成旋转盘单元。
为了可以运行马达驱动的旋转盘，在定子和转子之间需要数据和能量传递。附加地可能需要旋转盘的瞬时旋转角度的传递。这样的传递大部分通过集成到旋转盘单元中的滑环实现，然而，该滑环仅允许旋转速度<600转/分。对于更高的旋转速度需要非接触的传递技术。然而，已知的非接触传递元件的缺点是其易受电干扰以及在不同传递元件的紧凑布置时彼此串扰的倾向。
此外，需要彼此对应的传递元件在定子和转子上的非常精确的相互定向。因此，将多个非接触传递元件紧凑地集成到旋转盘单元中对于高旋转速度(>600转/分)而言是一个技术挑战。
发明内容
根据本发明提出一种旋转盘单元、一种激光雷达设备和一种用于制造旋转盘单元的方法。
根据本发明的用于激光雷达设备的旋转盘单元包括盘形的定子和盘形的转子，其中，定子和转子的盘形表面彼此平行地沿着中心轴线相对彼此间隔开地布置；并且所述旋转盘单元包括在定子和转子之间的非接触式传递系统，该非接触式传递系统具有多个由彼此相应的、尤其用于数据传递、能量传递和/或旋转角度传递的传递元件组成的对，其中，每个对的第一传递元件分别布置在定子的面向转子的表面上并且每个对的对应的第二传递元件布置在转子的面向定子的表面上，其中，每个对的彼此相应的传递元件在转子旋转时至少区段地相对彼此间隔开地对置，其中，由传递系统的各个传递元件组成的对在空间上相对彼此分隔开地沿着旋转盘单元的半径布置。
由定子和转子组成的相应组合尤其可以是两个分别旋转对称地构造的、具有相同直径的盘形元件，其中，各对称轴线在根据本发明的定子和转子的布置中分别与旋转盘单元的中心轴线重合。优选地，定子和转子分别盘形地构造为圆环形结构。圆环的内部开口例如可以构造为用于接收轴或球轴承。优选地，转子也可以盘形地构造为具有整体成型的中心轴元件的完整圆形结构。轴元件然后可以经由球轴承与盘形地构造为圆环形结构的定子直接连接。这种实施方式的特别优点是，能够减小相对于附加轴的否则附加地需要定向的制造公差。
定子和转子之间的非接触式传递系统具有多个由彼此相应的传递元件组成的对，其中，每个对的彼此相应的传递元件在转子旋转时至少区段地相对彼此间隔开地对置，使得在这些传递元件之间可以进行非接触的相互作用。所述传递元件尤其可以是用于数据传递、能量传递和/或旋转角度传递的传递元件。优选地，这些对中的两个对用于双向的数据传递(分别有一个对用于上行链路或者下行链路)、一个对用于(从定子到转子的)能量传递并且一个对用于旋转角度传递。彼此相应的传递元件尤其可以是由发送和接收元件组成的组合或者是相应地切换的收发器元件。传递元件可以构造为一件式或多件式。
用于能量传递的传递元件尤其可以是感应耦合的发射器-接收器组合。感应耦合的、能够切换的发射器-接收器组合可以被用于数据传递。
旋转角度传递尤其可以作为对独立测量的旋转角度信号的信息传递来实现。旋转角度传递优选也可以通过借助相应传递元件的位置编码的旋转角度确定装置来直接测量。在这种情况下，可以直接通过对应传递元件的彼此相互作用进行旋转角度的求取(和传递)。
为了避免或减小在传递元件的各对之间的彼此相互作用，所述对在空间上相对彼此分隔开地沿着旋转盘单元的半径布置。沿着旋转盘单元的半径的空间分隔在此尤其意味着，每个对可以配属一个在盘形旋转盘单元内部的确定的半径区域。因此，各个传递元件与中心轴线的距离是不同的。
本发明的核心在于将非接触的多通道传递系统集成到定子-转子组合的彼此面对的表面中。这能够实现高度集成、节省空间且成本低的旋转盘单元的制造。通过传递元件沿着旋转盘单元半径的空间上相对彼此分隔开的布置，这些传递元件能够空间上最大程度地相对彼此去耦合，因为旋转盘单元的几乎整个内表面可以被用于部件的分布布置。传递系统的彼此施加特别强烈的电干扰的部件尤其可以通过沿着旋转盘单元半径的合适的分布在空间上相对彼此距离特别远地布置。这能够实现具有集成的非接触式传递系统的快速旋转的旋转盘单元。此外，轴承装置和/或驱动装置能够一起被集成到单元中。
在下面给出并且在说明书中说明本发明的有利扩展方案。
优选地，具有由彼此相应的传递元件组成的对的传递系统分别在相同的频率范围内进行传递。例如通过部件数据传递的上行和下行链路的根据本发明的分布布置，能量传递和旋转角度传递彼此并行地在相同的频率范围内工作。这尤其能够实现用于传递系统的简化且成本低的电路构造。
优选地，在由传递系统的沿着旋转盘单元半径的传递元件组成的至少两个对之间布置有在空间上和/或在材料上结构化的屏蔽区域。这使得能够进一步抑制各个部件之间(在径向方向上)的电串扰。在此，空间上结构化的屏蔽区域尤其可以理解为布置在由传递元件组成的对之间的壁状的空间分隔部。然而，除分隔部的壁状构型外，明确地针对电要求而优化的结构也可以构成空间上结构化的屏蔽区域。该屏蔽区域不但可以构造在定子上而且也可以构造在转子上。在定子和转子上的构造也是可以的，其中，在此尤其优选锯齿状尖锐地或倒圆地彼此嵌入的屏蔽区域。该屏蔽区域可以由与定子和/或转子相同的材料构成或为了进一步的电优化而包括与此有偏差的材料。屏蔽区域借助与定子或转子材料有偏差的材料的这种构造被称为材料上的结构化。
优选地，至少一个传递元件布置在柔性PCB(塑料电路板Plastic Circuit Board作为印刷电路板/电路载体)上。这具有以下优点：传递元件可以在PCB上节省空间和成本地与相应的驱动电路结合。此外，可以取消必要的附加的接触步骤。此外，柔性PCB具有以下优点：能够实现减轻重量。柔性PCB相对于刚性PCB的另一优点在于该柔性PCB能够匹配或贴靠到载体的相应表面形状上的可能性。由此能够实现与其它部件的简化集成。
对于尤其在数据传递时的高传输率而言，优选的是，由彼此相应的传递元件组成的对在旋转盘单元内以尽可能小的竖直间距相对彼此布置。通过转子的旋转和由传递系统的各个传递元件组成的对空间上相对彼此分隔开地沿着旋转盘单元半径的布置，在定子和转子相互定向时以及用于各个传递元件所需要的精度非常高。对于沿旋转盘单元的外边缘方向布置的传递元件，该传递元件的平面度由于更大的旋转半径和在定向时随着增大的公差影响而变得特别重要。然而，尤其在传递元件在刚性PCB上的情况下可能容易发生弯曲。因此，在制造这种印制电路板时必须特别注意：该印制电路板不能弯曲或扭曲，这导致增加的花费并且与此相关地导致高的材料和成本投入。相反地，柔性PCB能够在施加到定子或转子上时恰好匹配相应载体的表面形状。因此，由此能够实现的平面度与PCB本身无关，而是与载体(转子或定子)的平面度或与施加的质量相关。由此可以明显提高在制造旋转盘时的精度。
优选地，定子和/或转子由金属材料、金属涂覆的塑料和/或具有金属填充物的塑料构成。这使得能够实现屏蔽来自旋转盘单元的电干扰或到旋转盘单元中的外部干扰。因此，在与至少布置在两个由传递元件组成的对之间的屏蔽区域的组合中，不但可以实现整个旋转盘单元的电屏蔽，而且也可以实现传递系统的各个功能性之间的电屏蔽。
优选地，沿着中心轴线布置有轴、球轴承和/或旋转的驱动元件。中心轴线限定转子相对于定子的旋转轴线。转子可以与沿着中心轴线的轴连接。在此，连接尤其可以借助粘接来实现。对于轴而言需要确定转子相对于定子的空间位置和从而确定转子相对于定子的定向的导向部。转子和定子的相互定向也可以通过相应地布置的球轴承来实现，该球轴承将定子和转子直接相互连接。球轴承优选是预紧的球轴承。这种连接也可以借助沿着旋转盘单元的中心轴线布置的旋转驱动元件(例如直接驱动装置)来实现。
此外，这些元件的组合是可能的。轴尤其可以与球轴承、旋转驱动元件或与两者组合。相应的旋转盘单元可以由此特别紧凑地构造。通过将轴承装置和/或驱动装置集成到旋转盘单元中尤其可以提高它们的可靠性和使用寿命。对于防尘地闭合的旋转盘单元而言尤其可以在单元中心使用预紧的球轴承，其中，旋转盘单元(转子或定子)的一半与球轴承的内环连接并且另一半相应地与外环连接。
优选地，旋转盘单元在外边缘区域中具有环绕的密封唇或具有密封结构。这些部件可以用于保护旋转盘单元的内部。因此，定子和转子优选这样地构造并且相互布置，使得旋转盘单元的外边缘提供防止异物侵入到旋转盘单元中的保护。这尤其可以通过以下方式进行：定子和转子的彼此面对的表面具有至少部分地彼此嵌入的结构用于密封。优选地，转子和/或定子在外边缘区域中这样地表面结构化，使得至少一个构造为用于接收传递元件的空心区域构造在旋转盘单元的内部(即在定子和转子的彼此面对的表面之间的区域中)，其中，旋转盘单元的该内部区域可以在外缘区域中被环绕的密封唇或密封结构(边缘结构)密封。
优选地，在至少一个布置在定子或转子的表面上的传递元件和相应的表面之间存在气隙。这对于数据传递尤其可以有利的，因为空气(相对于定子或转子材料)的更低的电容常数允许更高的频率(传输率)。气隙的形成可以借助在定子或转子上的适合的表面结构实现。与布置在柔性PCB上的传递元件的组合是优选的。可能需要专门为此匹配的、用于构造的校正过程。
通过以下方式可以优选地实现气隙的形成：相应的传递元件借助仅部分地支撑传递元件(或者说该传递元件的PCB)的、构造为间距保持装置的表面结构被保持在定子或转子上。此外优选地，位于气隙下方的表面区段结构上和/或材料上针对电要求优化。在结构和/或材料方面的优化在此参考对空间上和/或材料上结构化的屏蔽区域的实施方式。通过表面的结构上的(表面形状)或者材料上的(不同材料的)匹配可以相应地匹配气隙的作用。
本发明的第二方面涉及一种激光雷达设备，所述激光雷达设备包括根据本发明的旋转盘单元。根据本发明的激光雷达设备尤其可以是具有用于发送和接收激光雷达辐射的电子光学部件的扫描的激光雷达设备。
本发明的另一方面涉及一种用于制造根据本发明的旋转盘单元的方法。该方法包括提供根据上述实施方式的盘形定子和盘形转子；将传递元件对的第一传递元件分别施加到用于预给定传递元件之间间距的高精度的配合模上并且将传递元件与施加到配合模上的定子精确配合地固定；将传递元件对的第二传递元件分别施加到用于预给定传递元件之间间距的高精度的配合模上并且将传递元件与施加到配合模上的转子精确配合地固定；和在施加和固定相应的传递元件之后将定子和转子合并为旋转盘单元。将传递单元施加到定子和转子上的两个步骤是可互换的并且能够以任意顺序实施。将传递元件固定在相应的载体(定子或转子)上可以优选借助粘接、钎焊、熔焊、熔化或其它相应的固定类型来实现。
根据本发明的方法基于使用专门的配合模用于各个传递元件在定子或转子上的精确的空间定向。由于根据本发明的沿着旋转盘单元半径的空间上相对彼此分隔开的布置需要彼此相应的传递元件在转子和定子上在完全相同的绝对位置处布置在相应的表面上。单个定向太费事且不精确。通过具有高定向精确度的配合模(也称为定向或粘接工具)能够彼此无关地实现传递元件在转子和定子上的所希望的定向。对于定子和转子可以使用共同的配合模。替代地也可以使用专门地匹配转子或定子并且精确地彼此协调的配合模。
配合模的使用能够实现，在施加各个传递元件时明显减小制造公差并且简化所述传递元件的定向。通过配合模能够精确地定位传递元件并且随后将其与相应的载体(转子或定子)粘接。在数据传递时，这样的方式尤其可以在降低成本的情况下导致更高的传输率。这是因为，对于高频率(传输率)需要相应传递元件之间的非常小的间距。
除定子和转子之间的尽可能小的间距外，在此也需要各个传递元件(或者相应的PCB)的尽可能平面的定向。在传递元件(或者相应的PCB)的平面的制造方面也必须提出高要求。优选在柔性PCB上使用传递元件，以便保证布置的高平面度。在借助配合模的粘接(或另一固定类型，例如钎焊)时可以通过在配合模中的合适的预防措施(例如通过负压吸引PCB)将柔性PCB特别平地固定在定子或转子的相应位置上。
定子和转子合并为共同的旋转盘单元也要求高的精确度，在此尤其优选地，定子和转子的彼此对置的表面尽可能彼此平行地定向。减小在制造时的公差的可能性是在合并时使用校正步骤，在该校正步骤中，旋转盘单元的两个半部(定子或转子)通过机械和/或电子测量首先被精确地设定到所需要的间距上并且随后，所述半部通过相应的固定过程(例如在轴、球轴承、和/或旋转驱动单元上)永久地相互固定(例如通过粘接)。
附图说明
根据附图和下面的说明更详细地阐述本发明的实施例。附图示出了：
图1根据本发明的旋转盘单元的示意图，
图2根据本发明的旋转盘单元的屏蔽区域的示例性实施方式的示意图，
图3根据本发明的在传递元件和载体之间具有气隙的旋转盘单元的实施方式的示意图，和
图4借助配合模固定传递元件的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的旋转盘单元10的示意图。所示的旋转盘单元10包括盘形定子12和盘形转子14，其中，定子12和转子14的盘形表面彼此平行地沿着中心轴线18相对彼此间隔开地布置；并且所述旋转盘单元包括在定子12和转子14之间的非接触式传递系统，该传递系统具有多个由彼此相应的传递元件22,24；32,34；42,44；52,54组成的对，其中，每个对的第一传递元件22,32,42,52分别布置在定子12的面向转子14的表面上并且每个对的对应的第二传递元件24,34,44,54布置在转子14的面向定子12的表面上，其中，每个对的彼此相应的传递元件22,24；32,34；42,44；52,54在转子14旋转时至少区段地相对彼此间隔开地对置，其中，由传递系统的各个传递元件22,24；32,34；42,44；52,54组成的对在空间上相对彼此分隔开地沿着旋转盘单元的半径布置。在此，定子12和转子14的彼此面对的表面结构化地构造，其中，这些结构在旋转盘单元10中相互嵌入。在所示的实施方式中，各个传递元件22,24；32,34；42,44；52,54通过定子12和转子14的组合在外边缘70处几乎完全被围住或者说包围。
图2示出根据本发明的旋转盘单元10的屏蔽区域的示例性实施方式的示意图。所示的实施方式很大程度上相应于在图1中所示的根据本发明的旋转盘单元10的实施方式。然而，与其不同地一起示出了沿着旋转盘单元10的中心轴线18布置的轴。在传递系统的传递元件(在图1中是传递元件42,44；52,54)的两个对之间，空间上结构化的屏蔽区域60沿着旋转盘单元10的半径突出。相应的屏蔽区域60也可以布置在传递元件的其它对之间。在此，空间上结构化的屏蔽区域60尤其可以理解为布置在由传递元件组成的对之间的壁状的空间分隔部。
然而，除分隔部的壁状构型外，明确地针对电要求而优化的结构也可以构成空间结构化的屏蔽区域60。屏蔽区域60既可以构造在定子12上也可以构造在转子14上。同样，构造在定子12和转子14上也是可以的，其中，在此尤其优选锯齿状尖锐地或倒圆地彼此嵌入的屏蔽区域(如在其它图示中所示的那样)。屏蔽区域60可以由与定子12和/或转子14相同的材料构成或为了进一步的电优化而包括与此有偏差的材料。
图3示出根据本发明的在传递元件44和载体(转子14)之间具有气隙80的旋转盘单元10的实施方式的示意图。所示的实施方式相应于在图2中所示的根据本发明的具有沿着中心轴线18延伸的轴的旋转盘单元10的实施方式。标出的区域示例性地直观说明了气隙80的位置，然而，该气隙也可以位于另外的传递元件或完全不同的传递元件下方。气隙80的形成可以如所示的那样优选通过以下方式实现：将相应的传递元件44借助仅部分地支撑传递元件(或者说该传递元件的PCB-载体)的、构造为间距保持装置的表面结构保持在相应的载体(转子14或定子12)上。
图4示出借助配合模90固定传递元件24,34,44,54的示意图。为了预给定各个传递元件之间的间距在示图中在高精度的配合模90上已经分别施加有传递元件对的第二传递元件22,34,44,54。此外，示图示出了被施加的传递元件24,34,44,54与施加到配合模90上的转子14的精确配合的固定。省略用于固定在定子10上的相应示图。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达设备的旋转盘单元(10)，所述旋转盘单元包括：
-盘形的定子(12)和盘形的转子(14)，其中，所述定子(12)和所述转子(14)的盘形表面彼此平行地沿着中心轴线(18)相对彼此间隔开地布置；和
在所述定子(12)和所述转子(14)之间的非接触式传递系统，所述非接触式传递系统具有多个由彼此相应的传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)组成的对，其中，每个对的第一传递元件(22,32,42,52)分别布置在所述定子(12)的面向所述转子(14)的表面上并且每个对的对应的第二传递元件(24,34,44,54)布置在所述转子(14)的面向所述定子(12)的表面上，其中，每个对的彼此相应的传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)在所述转子(14)旋转时至少区段地相对彼此间隔开地对置，其特征在于，由所述传递系统的各个传递元件(22,24；32,34；42,44；52，54)组成的对在空间上相对彼此分隔开地沿着所述旋转盘单元的半径布置。
2.根据权利要求1所述的旋转盘单元(10)，其中，所述传递系统借助由彼此相应的传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)组成的对分别在相同的频率范围内进行传递。
3.根据前述权利要求中任一项所述的旋转盘单元(10)，其中，在由所述传递系统的传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)组成的至少两个对之间沿着所述旋转盘单元(10)的半径布置有在空间上和/或在材料上结构化的屏蔽区域(60)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的旋转盘单元(10)，其中，所述定子(12)和/或所述转子(14)由金属材料、金属涂覆的塑料和/或具有金属填充物的塑料构成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的旋转盘单元(10)，其中，沿着所述中心轴线(18)布置有轴、球轴承和/或旋转的驱动元件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的旋转盘单元(10)，其中，所述旋转盘单元(10)在外边缘(70)的区域中具有环绕的密封唇或具有密封结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的旋转盘单元(10)，其中，至少一个传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)布置在柔性的塑料电路板上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的旋转盘单元(10)，其中，在至少一个布置在所述定子(12)或所述转子(14)的表面上的传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)和相应的表面之间存在气隙(80)。
9.一种激光雷达设备，所述激光雷达设备包括根据前述权利要求中任一项所述的旋转盘单元(10)。
10.一种用于制造根据前述权利要求1至8中任一项所述的旋转盘单元(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供盘形的定子(12)和盘形的转子(14)；
-将传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)对的第一传递元件(22,32,42,52)分别施加到用于预给定所述传递元件(22,32,42,52)之间间距的高精度的配合模(90)上并且将所述传递元件(22,32,42,52)与施加到所述配合模(90)上的定子(12)精确配合地固定；
-将传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)对的第二传递元件(24,34,44,54)分别施加到用于预给定所述传递元件(24,34,44)之间间距的高精度的配合模(90)上并且将所述传递元件(22,32,42,52)与施加到所述配合模(90)上的转子(14)精确配合地固定；
-在施加和固定相应的传递元件(22,24；32,34；42,44；52,54)之后将定子(12)和转子(14)合并为旋转盘单元(10)。
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