CN111442714B - 用于角度测量装置的扫描单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于角度测量装置的扫描单元，用于确定可围绕轴线(A)相对于扫描单元转动的角刻度盘(7)的相对角度位置，扫描单元包括：电路板(1)，具有第一表面(1.1)和第二表面(1.2)；至少一个探测器装置(2)，布置为，使得能够扫描与电路板(1)的第一表面(1.1)相对置的角刻度盘(7)；电子评估装置(3)；壳体(5；5`)，包括底部(5.1)和在环周方向上围绕轴线(A)延伸的凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)，以及在两个凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)之间在轴向方向上延伸的连接片(5.31、5.32、5.33、5.34)，使得壳体(5；5`)是轴向柔性但是抗扭和径向刚性的。底部(5.1)在轴向上布置在凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)与电路板(1)之间。

Description

用于角度测量装置的扫描单元
技术领域
本发明涉及角度测量领域，具体地，涉及一种用于角度测量装置的扫描单元。
背景技术
角度测量装置例如在旋转编码器中被用于确定两个能够相对彼此转动的机器部件的角度位置。
在感式角度测量装置的扫描单元中，通常以印制导线的方式将激励线圈和接收线圈施加到共同的电路板上，电路板例如与旋转编码器的定子固定连接。与该电路板相对置地，有另一构造元件，在该构造元件上以周期性的间隔施加作为分度结构的导电面来作为角刻度盘，并且导电面与旋转编码器的定子抗扭地连接。如果在激励线圈处存在激励电场，则在转子和定子的相对转动期间在接收接收线圈中产生取决于角度位置的输出信号。然后，这些输出信号在电子评估装置中得到进一步处理。
原则上，区分为具有自身轴承的角度测量装置和不具有自身轴承的角度测量装置(下文中也被称为无轴承角度测量装置)。具有自身轴承的角度测量装置通常具有相对小的滚动轴承，使得能彼此相对转动的组件在相关的角度测量装置内相对彼此布置在限定的轴向和径向位置中。相对地，在无轴承角度测量装置的情况中，在将其安装到机器上时必须注意，确定能彼此转动的部件组特别是以正确的相对彼此的轴向距离位于正确的位置中。
申请人在DE 102008046741 A1中描述了一种角度测量装置，该角度测量装置具有带有插接连接器的扫描单元。此外，EP 0 845 659 A2示出了一种安装在驱动器处的扫描单元。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对特别是无轴承的感式角度测量装置的扫描单元来实现，扫描单元能够以相对较小的花费精确匹配于另外的机械部件地安装。
因此，本发明包括扫描单元，用于确定围绕轴线相对于扫描单元可转动的角刻度盘的相对角度位置。扫描单元包括电路板，电路板具有第一表面和第二表面。扫描单元还包括至少一个探测器装置，探测器装置布置为，使得能够扫描与电路板的第一表面轴向相对的角刻度盘。扫描单元还包括电子评估装置，电子评估装置通常由多个电子构造元件构成，并且经常具有集成电路(ASIC-模块)。扫描单元还包括具有底部的壳体。此外，壳体具有围绕轴线在环周方向上延伸的凹槽，以及在环周方向上并在轴向方向上两个凹槽之间延伸的连接片。特别地，凹槽和连接片设计为，壳体是轴向柔性但是抗扭和径向刚性。此外，底部在轴向上布置在凹槽与电路板之间，使得尤其是评估单子装置受保护地安置在凹槽与电路板之间。
在下文中，术语“连接片”意味着壳体的板形或条形的区域，他们以轴向的方向分量延伸或者说以轴向的方向分量延长。每个连接片都位于两个凹槽之间，使得尤其在环周方向上在连接片的两侧各布置有一个凹槽。
与角度相关的输出信号能够由探测器装置产生，并且能够在电子评估装置中得到进一步处理。与角度相关的输出信号尤其是包括关于角刻度盘和扫描单元之间的相对角度位置的信息的信号。壳体设计为抗扭的，也就是说，在引入切向指向的力时壳体不发现形变或发生极其小的形变。此外，壳体能够设计为关于径向方向刚性的。
有利地，扫描单元具有连接片，在连接片之间轴向地布置有凹槽，使得连接片轴向交错地布置。特别地，相关的连接片能够对齐地布置，也就是说，他们在环周方向上不相对彼此错开地布置。
在本发明的另一设计方案中，扫描单元具有第一连接片对，其中，第一对的连接片在环周方向上交错地布置。连接片能够例如在环周方向上以180°或者以120°错开地布置。在错开角度的确定的方面(该错开角度尤其是围绕轴线A的中心角)，能够将连接片(相对于环周方向)的中心视为参考线。
有利地，扫描单元具有第一连接片对，其中，这些连接片布置在法向向量平行于轴线的几何平面中。
扫描单元还能够具有第二连接片对，其中，第一连接片对的连接片能够相对于第二连接片对的连接片轴向错开地布置。此外，第一连接片对的连接片能够关于第二连接片对的连接片在环周方向上错开地布置。有利地是，第一连接片对的连接片相对于第二连接片对的连接片在环周方向上分别以相同的角度错开地布置。特别地，相关连接片能够错开60°、或72°、或90°、或120°地布置。
在本发明的另一设计方案中，扫描单元具有第一凹槽对。扫描单元还有利地具有第二凹槽对，其中，第一凹槽对的凹槽相对于第二凹槽对的凹槽轴向地错开。然后第一凹槽对的凹槽能够尤其相对于第二凹槽对的凹槽在环周方向上错开地布置。
有利地是，至少一个凹槽在至少70°的环周角上延伸，特别是在至少100°或者至少140°的环周角上延伸。还有利的是，所有凹槽在大小相同的环周角上延伸或者至少一个凹槽对在相同的环周角上延伸。
术语“对”意味着一组两个元件，在此是两个凹槽或者两个连接片。这种表述不排除壳体的相应的区域除了两个元件以外还能够具有另外的或者多个如此的元件(凹槽、连接片)。
有利地，壳体设计为能够发生弹性形变而在轴线方向上越过至少0.5mm、特别是1.0mm、优选地至少1.5mm的升程。
有利地，壳体具有止挡面，止挡面具有法线，该法线具有平行于轴线的方向分量。特别地，由此应当实现，壳体能够轴向地支撑在止挡面上。
有利地，壳体设计为，底部和连接片整体地一体式构成或者由一个工件加工成。例如，整个壳体能够整体地来构成，或者存在壳体的至少一个整体性的分体，底部和连接片属于该分体。
有利地，扫描单元具有触头载体，触头载体包围用于建立插接连接的电触头并且安装在电路板的第二表面上，使得触头在具有轴向部件的方向上延伸。特别地，触头载体具有圆柱形的外壁，外壁的对称轴线是可围绕角刻度盘转动的轴线。最后，扫描单元包括具有开口的壳体，开口具有内壁。触头载体伸入开口中，其中，在开口的内壁与触头载体的外壁之间布置有径向预紧的弹性元件，使得触头载体相对于开口的内壁居中地布置。电路板以到壳体的第一间隙与壳体径向间隔开并与壳体抗扭地连接。
探测器装置能够例如安装在电路板的第一表面上。只要探测器装置构成为一个或多个接收器线圈或者作为磁阻印制导线，则能够在探测器装置上布置薄层，该薄层特别是具有绝缘属性并且作为机械保护。
在本发明的另一设计方案中，第一间隙被填充有粘合剂。
有利地，第一弹性元件设计为O形环，O形环相对于轴线居中地布置，并且尤其由于径向预紧力而发生变形。
有利地，电路板以到壳体的第二间隙与壳体轴向地间隔开并与壳体抗扭地连接，其中，第二间隙同样能够被填充有粘合剂。
在本发明的另一设计方案中，触头载体的外壁在几何上根据圆柱体的外壳侧来设计。
此外，开孔能够具有旋转对称的内表面，其中，上述轴线是内表面的对称轴。例如，内表面可以是空心圆柱的内轮廓。
有利地，壳体具有底部。此外，电路板布置在壳体处，使得评估单子装置、或者更准确地说评估单子装置的电子构造元件布置在底部与电路板之间。在这种情况下，底部能够具有孔，在该孔中固定有用于容纳触头载体的套筒。将标准的壳体螺纹套管用作为套筒，能够实现特别经济的构造方式。可选地，没有使用其他构件的构造方式也是可行的，从而触头载体直接伸入底部的(螺纹)孔中。
有利地，在套筒与孔之间设置有第二弹性元件，特别地，第二弹性元件能够设计为O形环。
角度测量装置能够设计为感式角度测量装置或者基于光学、磁或电容原理的角度测量装置。此外，具有角刻度盘、扫描单元和电子评估装置的角度测量装置优选设计为无轴承角度测量装置。
附图说明
根据附图，从下面两个实施例的描述中给出根据本发明的扫描单元的其他细节和优点。
其中：
图1示出了作为扫描单元的一部分的具有触头载体的电路板的侧视图；
图2示出了具有触头载体的电路板的透视图；
图3示出了壳体的截面图；
图4示出了具有电路板和触头载体的壳体的截面图；
图5示出了扫描单元的透视图；
图6示出了处于装入状态的具有扫描单元的角度测量装置的截面图；
图7示出了根据第二实施例的扫描单元的透视图。
具体实施方式
在图1中以侧视图以及在图2中以透视图示出了扫描单元的一部分，扫描单元将被置入到角度测量装置中。据此，扫描单元另外包括基于刚性的经玻璃纤维加强的环氧树脂的盘形或圆形的电路板1。电路板1自然具有第一表面1.1和与第一表面1.1相对置的第二表面1.2。在所示的实施例中，扫描单元以感应测量原理为基础。据此，布置在第一表面1.1上的探测器装置2设计为多个接收器线圈。在第一表面1.1上还布置有多个激励印制导线10。
此外，在第一表面1.2上安装有电子评估装置3的其他电子构造元件3.1。同样地，在电路板1的第二表面1.2上安装有触头载体4，例如借助于SMD(Surface-mounttechnology，表面安装技术)工艺。触头载体4包围电触头4.1(图2)，电触头适用于建立插接连接，其中，触头4.1在平行于轴线的方向上延伸。触头载体4具有外壁4.2或外表面，从几何上看，外壁或外表面大体上对应于圆柱形的外壳面。外壁4.2具有环绕的槽，在该槽中布置有在此是O形环的第一弹性元件6。
此外，扫描单元具有壳体5，例如在图3中示出了该壳体。壳体5包括底部5.1，该底部模制在壳体5的刚性的环形部段内。在底部中相对于轴线A的中心有孔，其中，在孔中旋入有套筒5.11。第二弹性元件7轴向地位于套筒5.11的凸缘和底部5.1之间。第二弹性元件7也设计为O形环。套筒5.11具有贯通的开口H和相应的内壁5.111。内壁5.111具有以轴线A为对称轴的凹形空心圆柱形几何形状。壳体5在底座5.1的轴向两侧上具有基本上为空心圆柱形的形状。此外，壳体5在环形端侧处具有已加工的止挡面5.4。
为了实现壳体5的可变形性，在所示的实施例中设置有多个各自在壳体5的部分环周上嵌入的凹槽5.21、5.22、5.23、5.24。他们在径向上完全穿过壳体5的壁，如其例如在图3和图4中在画有阴影线的截面之间的区域中所见那样。在环周方向上，凹槽5.21、5.22、5.23、5.24之间存在轴向延伸的连接片5.31、5.32、5.33、5.34。特别地，凹槽5.21、5.22、5.23、5.24能够通过锯切工艺
Figure BDA0002369581260000071
产生，其中，保留在轴向上延伸的连接片5.31、5.32、5.33、5.34。然后，壳体5设计为，未被去除的区域具有蜿蜒的外形。连接片5.31、5.32、5.33、5.34是那些在轴向的方向分量上延伸的保留的材料的区域。
凹槽5.21、5.22、5.23、5.24能够结合成对，其中，在图中在附图标记中具有相同的尾号的凹槽属于一对(因此，每两个凹槽具有同样的附图标记)。在所示的实施例中，壳体5分别具有四对凹槽5.21、5.22、5.23、5.24。
例如，第一凹槽对具有凹槽5.21，它们相对于轴线A上的点对称(点对称)地布置。同样地适用于能够配属给第二凹槽对以及第三和第四凹槽对的凹槽5.22。
从图5中可以看出，第一凹槽对的凹槽5.21相对于第二凹槽对的凹槽5.22轴向地错开，并且在环周上错开例如90°地布置。
凹槽5.21、5.22、5.23、5.24在大约170°的环周角β上延伸。
第一凹槽对的凹槽5.21在第一几何平面中，并且第二凹槽对的凹槽5.22在第二几何平面中，第二几何平面相对第一几何平面轴向错开地布置。不仅第一几何平面而且第二几何平面也是如下布置的，即，相应的平面的相应的法向量平行于轴线A。在示出的实施例中，相同的考虑也适用于第三和第四凹槽对5.13；5.24。
连接片5.31、5.32、5.33、5.34同样能够组合成四对，其中，壳体5在此一共具有八个连接片5.31、5.32、5.33、5.34，在图5中可以看到其中的6个。第一连接片对包括连接片5.31，它们相对于轴线A上的点对称(点对称)地布置。第一对的连接片5.31在环周方向上彼此错开一角度α＝180°地布置。同样适用于能够配属给第二连接片对的连接片5.32，以及第三对和第四对的连接片5.33、5.34。第一对连接片的连接片5.31相对于第二对连接片的连接片5.32轴向错开地布置并且在环周上错开一环周角γ(在这里为90°)地布置。在所示的实施例中，四对连接片5.31、5.32、5.33、5.34彼此轴向错开地布置。第一对和第三对连接片5.31、5.33相对于第二对和第四对连接片5.32、5.34错开同样的环周角γ地布置。
此外，壳体5设计为，其具有第一连接片对，第一连接片对的连接片5.31布置在法向量平行于轴线Α地定向的假想平面中。换句话说，轴线Α与所述的平面垂直相交。同样的考虑也适用于第二对连接片的连接片5.32，其中，该连接片5.32所在的平面与第一连接片对的相关的平面轴向错开地布置。
扫描单元具有连接片5.31、5.32、5.33、5.34，在他们之间轴向的布置有凹槽5.21、5.22、5.23、5.24，使得连接片5.31、5.32、5.33、5.34轴向错开地布置。特别地，在对齐并轴向错开地布置的连接片5.31、5.33之间布置有凹槽5.22。同样地，在对齐并轴向错开地布置的连接片5.32、5.34之间布置有凹槽5.23。
在所示的实施例中，壳体5设计为一体式的，或者除了套筒5.11之外是一体的。特别地，壳体5由铝材料制成。
在扫描单元的安装过程中，电路板1与触头载体4一起连同第一弹性元件6与壳体5接合，使得形成如图4中所示的布置方式。相应地，触头载体4伸入到开口H中。在开口H的内壁5.111与触头载体4的外壁4.2之间布置有具有径向预紧力的弹性元件6，即在径向方向上压合的。通过该预紧力，触头载体4在没有其他辅助的情况下相对于开口H的内壁5.111居中地布置。通过壳体5的设计和电路板1的尺寸，电路板以第一间隙Gr(图4)与壳体5径向间隔开地布置。
对于整个角度测量装置的精确工作方式来说重要的是，具有探测器装置2的电路板1不只相对于轴线A居中地布置，在该背景下具有重要意义的是，建立电路板1的限定的轴向位置。在所示的实施例中，电路板1的第一表面1.1与壳体5的止挡面5.4齐平地安装。
为此目的，首先将电路板1尽可能远地压入到壳体5中直到被止挡。然后将粘合剂8加入到环绕的间隙Gr中。接着地，将止挡面5.4压到一个平面上。然后，使触头载体4相对于开口H移动一段距离，直到电路板1接触上述平面并且实现如上所述的齐平布置。在此有利地是，通过安装辅助工具在电路板1方向上按压触头载体4。在该位置中，电路板1的第二表面1.2不抵靠在壳体5上，而是存在一个轴向的第二间隙Ga，这使得尚未固化的粘合剂B由于毛细管效应蠕动到第二间隙Ga中。通过壳体5轴向的预紧力和在触头载体4上的轴向压力确保了，保持在电路板1与止挡面5.4之间完全齐平的位置。第一间隙Gr和第二间隙Ga在该阶段被填充有粘合剂8(图6)，其中，粘合剂8例如随后在热处理炉中固化。在粘合剂8固化之后，电路板1与壳体5刚性地特别是抗扭地连接，使得壳体的轴向预紧力现在能够得以提高。因此，能够有效地将电子构造元件3.1遮蔽免受外部影响，例如免受润滑剂或湿气的渗入以及机械的影响。
根据图3至图5的扫描单元和角刻度盘9一起形成根据图6的角度测量装置，角度测量装置在此设计为感式角度测量装置，该角度测量装置以感应测量原理为基础。角刻度盘9在示出的实施例中设计为环形印刷电路板，在环形印刷电路板上以周期顺序和相同的分度步距设置有导电的和不导电的区域，即具有不同的导电率的区域。角刻度盘9与毂15抗扭地连接。
图6示出了一种角度测量装置，其设计具有感应扫描单元并且感应扫描单元被安装在马达上。马达具有定子侧制动器，定子侧制动器包括电枢盘12。此外，马达具有可相对于马达的壳和电枢盘12转动的轴13。毂15以一精确调节的气隙与轴13抗扭地连接，该气隙在电路板1与角刻度盘9之间具有间隙宽度D。为此目的，轴13具有第一内螺纹13.1，其能够与毂15的外螺纹啮合。通过在轴13与毂15之间相应的相对转动，能够实现毂15相对于轴13的轴向位移。在将毂15安装到轴13上的过程中，首先将毂15拧入轴13中，其中，借助于辅助工具精确地设置壳体12的上边缘与角刻度盘9的上表面之间的距离或者间隙宽度D，在此例如是1.4mm。一旦达到该位置，将中心螺栓16旋转到轴13的第二(较小)内螺纹13.2中。这使得轴13和毂15的螺距被压紧，从而之后具有分度机构的角刻度盘9抗扭地固定在轴13上。
然后，将扫描单元、特别是壳体5固定在马达的电枢盘12上。为了避免壳体5关于电枢盘12的相对转动，壳体5具有滑键16(图5)，滑键被插入到定子侧的所谓的线圈载体14的槽中。此外，壳体5被轴向预紧，使得壳体5发生弹性形变并且与松弛状态相比，凹槽5.21、5.22、5.23、5.24的轴向间隙宽度减小。为了保持该轴向预紧力，根据图6安装周向的安全环11(在此为锁紧环)。以这种方式确保扫描单元以壳体5的止挡面5.4持久地支撑在马达的电枢盘12上。即使在马达强烈振动或者发生冲击的情况下，也无法从电枢盘12抬起止挡面5.4。通过电路板1关于止挡面5.4的齐平布置，电路板1与角刻度盘9之间的距离对应于之前设定的间隙宽度D。
通过上述构造方式，壳体5设计为轴向柔性但是抗扭和径向刚性的。
在角度测量装置运行时，角刻度盘9相对于扫描单元围绕轴线A旋转。为了实现相对可旋转性，本角度测量装置中没有自身轴承，即没有滚动轴承或者滑动轴承，使得所示的实施例中是无轴承的角度测量装置。
因此，角刻度盘9和扫描单元可相对彼此转动地布置，其中，固定在在轴13上的角刻度盘9在角度测量装置的操作期间旋转。因此，角刻度盘9与扫描单元之间的相对转速也对应于轴13与固定的壳体5之间的转速。通过在定子侧扫描单元上的非旋转激励绕组10，在角度测量装置运行期间产生了均匀的交变场，该交变场通过角刻度盘9根据轴13的角度位置或旋转角度进行调制。在同样位于扫描单元上的探测器装置2中，由调制的电磁场产生与角度相关的信号。由探测器装置2(这里是接收器线圈)产生的信号由电子评估装置3执行进一步的处理，以确定扫描单元与角刻度盘9之间的相对角度位置。位于壳体5中的插接连接或触头4.1与图中未示出的连接线缆接触，连接线缆连接到后续电子设备。
原则上能够确定，测量装置也对实际的扫描距离D的变化做出反应。扫描距离D包括定子侧的制动器是否已经制动的信息。因此，能够通过扫描单元确定制动器的相应的当前状态(制动或释放)。
在所示的实施例中，角度测量装置根据所谓的全方位扫描来构造。这尤其意味着，扫描单元设计为，可以由扫描单元或者由探测器装置2在几乎整个环周上对角刻度盘9扫描，并且因此能够产生与角度相关的输出信号。也就是由扫描单元对角刻度盘9的几乎整个分度结构进行扫描以获得位置信号。
借助于图7示出了第二实施例，其具有通过壳体5`的可选设计方案替换的第一实施例。通过该变体方案能够实现扫描单元的夹装。壳体5`具有两个在轴向方向上延伸的狭槽5.5和楔形元件5.6，该楔形元件能够通过夹紧螺栓5.7在轴向方向上移动。由此，在该区域中，壳体5`的外轮廓能够径向向外地挤压，这在马达壳体尺寸合适的情况下实现了壳体5`的持久夹紧。

Claims (11)

1.一种扫描单元，用于确定能围绕轴线(A)相对于扫描单元转动的角刻度盘的相对角度位置，所述扫描单元包括：
电路板(1)，具有第一表面(1.1)和第二表面(1.2)；
探测器装置(2)，所述探测器装置布置为，使得能够扫描与所述电路板(1)的所述第一表面(1.1)相对置的角刻度盘；
电子评估装置(3)；
壳体(5；5`)，包括：
底部(5.1)，和
凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)，所述凹槽在环周方向上围绕所述轴线(A)延伸，以及
连接片，所述连接片在两个凹槽之间在轴向方向上延伸，
使得所述壳体(5；5`)是轴向柔性但是抗扭和径向刚性的，其中，所述凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)在轴向上布置在所述扫描单元具有的所述连接片(5.31、5.32；5.33、5.34)之间，
使得所述连接片(5.31、5.32、5.33、5.34)轴向错开地布置；其中，
所述底部(5.1)在轴向上布置在所述凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)与所述电路板(1)之间。
2.根据权利要求1所述的扫描单元，其中，所述扫描单元具有第一连接片对，所述第一连接片对的所述连接片(5.31、5.32、5.33、5.34)布置在法向量平行于所述轴线(A)的平面中。
3.根据权利要求2所述的扫描单元，其中，所述扫描单元具有第二连接片对，其中，所述第一连接片对的连接片布置成相对于所述第二连接片对的连接片在环周方向上错开一角度。
4.根据权利要求3所述的扫描单元，其中，所述第一连接片对的连接片布置成相对于所述第二连接片对的连接片分别在环周方向上错开大小相同的角度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描单元，其中，所述扫描单元具有第一凹槽对和第二凹槽对，其中，所述第一凹槽对的凹槽布置成相对于所述第二凹槽对的凹槽轴向错开。
6.根据权利要求5所述的扫描单元，其中，所述第一凹槽对的凹槽相对于所述第二凹槽对的凹槽布置成在环周方向上错开。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描单元，其中，至少一个所述凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)在至少70°的环周角(β)上延伸。
8.根据权利要求7所述的扫描单元，其中，至少一个所述凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)在至少100°的环周角(β)上延伸。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描单元，其中，至少两个凹槽(5.21、5.22、5.23、5.24)在相同大小的环周角(β)上延伸。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描单元，其中，所述壳体(5；
5`)具有止挡面(5.4)，所述止挡面的法向量带有平行于所述轴线(A)的方向分量。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描单元，其中，所述壳体(5；
5`)设计为，所述底部(5.1)和所述连接片(5.31、5.32、5.33、5.34)一体地制成。
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