CN114072635A - 测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量装置，该测量装置包括第一构件组(1)和第二构件组(2)，其中，构件组(1，2)相对彼此能够围绕轴线(R)转动地布置。第一构件组(1)具有扫描构件(1.1；1.1’)，该扫描构件具有第一基板(1.11)，并且第二构件组(2)具有标尺构件(2.1)，该标尺构件具有第二基板(2.11)和角度标尺(2.13)，从而通过测量装置能够确定在第一构件组(1)与第二构件组(2)之间的相对的角度位置。测量装置还具有无源的传感器布置(1.12；2.12)，该传感器布置具有印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)。在扫描构件(1.1；1.1’)处印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121)通过增附装配安装在第一基板(1.11)上，从而通过传感器布置(1.12)能够确定第一基板(1.11)围绕轴线(R)的扭转负载。对此可替换地，在标尺构件(2.1)处印制导线结构(2.121，2.122，2.123，2.124)通过增附装配安装在第二基板(2.11)上，从而通过传感器布置(2.12)能够确定第二基板(2.11)围绕轴线(R)的扭转负载。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于确定相对角度位置和转矩的测量装置。
这样的测量装置例如用作为用于确定两个相对彼此能转动的机器部分的角度位置的转动传感器。在基于感应测量原理的测量装置中，激励线圈和接收线圈例如以印制导线的形式安装在共同的印制导线板或者共同的基板上，该印制导线板或基板例如与转动传感器的定子固定地连接。与该印制导线板相对置地存在有标尺元件，在该标尺元件上以周期性的间距交替地安装导电和非导电的面作为刻度区域或刻度结构，并且该面与转动传感器的转子抗扭地连接。当在激励线圈处施加时间上变化的激励电流的时候，在接收线圈中在转子和定子之间的相对转动期间生成与角度位置相关的信号，该信号随后在评估电子系统中进一步处理。
通常这样的测量装置例如在机器人关节中用作为用于确定相应的机器部分的相对运动或相对位置的电驱动器的测量设备。在该情况下，经由相应的接口布置，为用于驱控驱动器的后续电子系统输送由扫描构件生成的角度位置值。
背景技术
在EP 2 447 690A2中描述了测量装置，在该测量装置中在轴处建立磁极以用于测量角度位置。此外，在该轴处设置力敏感的区域，该区域力相关地影响磁场，从而也能测量转矩。
发明内容
本发明的目的在于，实现能相对简单制造的测量装置，通过该测量装置能够实现角度位置连同转矩一起的改进的测量。
根据本发明，该目的通过权利要求1所述的特征实现。
根据本发明的测量装置包括第一构件组和第二构件组，其中，构件组相对彼此围绕轴线能转动地布置。第一构件组具有扫描构件，该扫描构件就自身而言具有第一基板，该第一基板特别地具有扫描元件或者在该第一基板上特别地布置有扫描元件。第二构件组具有标尺构件，该标尺构件具有第二基板和角度标尺，从而通过测量装置能确定在第一构件组与第二构件组之间的相对的角度位置。测量装置还具有无源的传感器布置，该传感器布置具有印制导线结构。此外，在扫描构件处，印制导线结构通过增附装配安装在第一基板上，从而通过传感器布置能够确定围绕轴线的第一基板的扭转负载。对此可替换地，印制导线结构通过在标尺构件处的增附装配安装在第二基板上，从而通过传感器布置能够确定围绕轴线的第二基板的扭转负载。
在此特别地，无源的传感器布置理解为包含无源的传感器或者无源的构件的传感器布置，该传感器布置的参数通过扭转负载而改变。优选地在测量装置之内通过电子构件将这些参数变换为电信号。对于无源的传感器布置的运行，需要从外部输送的特别是电能形式的辅助能量。在此特别地，能够将一个或者多个印制导线结构的电阻用作为参数。为了能够测量电阻或者电阻变化，电流必须流经传感器布置、特别地还必须流经印制导线结构，从而因此必须在运行时从外部为传感器布置供应电能。印制导线结构通过纵截面变化或横截面变化对扭转负载作出反应，这对印制导线结构的电阻具有影响。
印制导线结构通过增附装配建立在第一基板或第二基板上。在建立这样的增附装配的过程中，将层大面积或结构化(例如剥离法)地安装在所涉及的基板上。这例如通过气态材料在所涉及的基板的表面上的化学反应或冷凝发生。可替换地，也能够通过从液相离析生成增附装配。特别地，术语“增附装配”不应理解为将印制导线结构粘贴在第一基板或第二基板上。
特别地，印制导线结构能够布置在第一基板或第二基板的平坦的面上。同样地，扫描元件能够布置在第一基板的平坦的面上和/或角度标尺布置在第二基板的平坦的面上。
本发明的可能的设计方案是特别有利的，在该设计方案中以一种或相同的过程制造传感器单元的印制导线结构和剩余的印制导线结构，以用于连接在所涉及的基板上的电构件。此外，也能够以相同的过程制造角度标尺。
扫描构件和标尺构件能够以轴向的间隙彼此布置，即以具有轴线的方向的大小的间隙，构件组能够围绕轴线相对彼此转动。优选地，在其上布置有印制导线结构的平坦的面垂直于轴线布置，构件组能够围绕轴线相对彼此转动。
在本发明的一个有利的设计方案中，印制导线结构分别具有多个部段，在部段中印制导线结构弯曲地延伸。
有利地，印制导线结构在部段中平行地延伸。
在本发明的另一个设计方案中，部段中的印制导线结构的弯曲半径根据到轴线的间距是不同的。特别地，弯曲半径随着到轴线的间距的增加而变大。
有利地，印制导线结构在部段中分别以相同大小的角度切割圆周，这些圆周能够具有不同的半径，但是这些圆周的中点又都位于轴线上。特别地，在部段中在切割点的圆周的切线和印制导线结构的切线之间的角度在不同的位置处始终是相同大小的。有利地，印制导线结构在部段中分别根据对数螺旋延伸。
在本发明的有利的设计方案中，角度在20°与70°之间、特别是在30°与60°之间、有利地在40°与50°之间。
在本发明的另外的设计方案中，扭转负载能够通过印制导线结构的电阻的确定而确定。
有利地，传感器布置包括四个印制导线结构，这些印制导线结构根据桥接电路连接。特别地，能够使用惠斯通测量桥，该惠斯通测量桥例如用于确定印制导线结构的平均欧姆电阻。
在本发明的有利的设计方案中，在第一基板上布置至少一个激励印制导线以及布置具有多个接收印制导线的至少一个接收线路作为扫描元件。特别地，用于确定相对角度位置的相应的布置基于感应测量原理。
然而原则上，本发明不局限于基于感应测量原理确定相对角度位置的测量装置。更确切地说，在上下文中例如也能够应用光学或磁学测量原理。
有利地，在第一基板上布置至少一个电子构件，通过该电子构件能够进一步处理能由扫描构件生成的信号。
此外，角度标尺能够由交替布置的、导电和非导电的刻度区域组成，该刻度区域布置在第二基板上。
在本发明的另外的设计方案中，第一基板或第二基板或第一基板和第二基板由塑料制成。
可替换地，第一基板或第二基板或第一基板和第二基板能够由金属、特别是钢或铝制成。
有利地，在扫描构件处传感器布置的印制导线、特别是所述部段相关于轴线相对于扫描元件径向靠内地安装在第一基板上。因此相应地，印制导线结构比扫描元件更靠近轴线。
在本发明的另外的设计方案中，在标尺构件处印制导线结构相关于轴线相对于角度标尺径向靠内地安装在第二基板上。因此在该情况下印制导线结构比角度标尺更靠近轴线。
本发明有利的改进方案在从属权利要求中得出。
根据本发明的测量装置的另外的细节和优点从根据附图的接下来的两个实施例的描述中得出。
附图说明
附图示出了
图1示出通过测量装置的剖面图，
图2示出标尺构件的俯视图，
图3示出传感器布置的细节图，
图4示出扫描构件的俯视图，
图5示出根据第二实施例的扫描构件的俯视图。
具体实施方式
在所示的第一实施例中，根据例如图1所示的装置描述本发明。该装置包括测量装置，该测量装置包括第一构件组1和第二构件组2，其中，第一构件组1相对于第二构件组2能够围绕轴线R转动地布置。例如，第一构件组1能够作为定子并且第二构件组2能够作为转子。
第一构件组1包括所谓的扫描构件1.1，该扫描构件具有第一基板1.11并且抗扭地与第一法兰1.2连接。与扫描构件1.1轴向对置地存在所谓的标尺构件2.1，该标尺构件被分配给第二构件组2并且抗扭地与第二法兰2.2和毂2.4连接。
图2示出了标尺构件2.1的俯视图。标尺构件2.1包括第二基板2.11，该第二基板例如由(特别是纤维强化的)环氧树脂、碳纤维强化的塑料或金属、特别是钢制成。为了紧固在第二法兰2.2处，标尺构件2.1或者第二基板2.11具有孔2.111，其中，在此孔2.111沿内直径和外直径布置在圆周上。借助于螺栓2.3能够将标尺构件2.1在外直径处与法兰2.2防转动地连接并且在内直径处与毂2.4防转动地连接。在第二基板2.11上安装角度标尺2.13，该角度标尺包括两个刻度线路2.131，2.132。刻度线路2.131，2.132构造为环形的并且对于轴线R同中心地以不同的直径布置在第二基板2.11上。两个刻度线路2.131，2.132分别由交替布置(通过增附装配安装)的导电的刻度区域和非导电的刻度区域的周期性次序组成。作为用于导电的刻度区域的材料，在所示实例中将铜安装在第二基板2.11上。反之，在非导电的刻度区域中第二基板2.11不进行涂层。如果第二基板2.11由金属材料、如钢制成，那么在导电的刻度区域与第二基板2.11之间设置例如由聚酰亚胺组成的塑料层。
此外，在第二基板2.11上在此以印制导线或者印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124的形式通过增附装配、特别是借助于光刻过程安装传感器布置2.12。
如果第二基板2.11由金属材料、如钢制成，那么在导电的刻度区域与第二基板2.11之间或者在印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124与第二基板2.11之间建立例如由聚酰亚胺组成的塑料层。
传感器布置2.12基本上设计为环形的并且对于轴线R中心地布置。此外，传感器布置2.12或者印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124布置在正交于轴线R定向的平面中。特别地，传感器布置2.12对于点在轴线R上点对称地设计。传感器布置2.12包括印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124，印制导线结构例如能够由铜或钢制成。根据图3，印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124分别具有多个部段P，在部段中印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124弯曲并且平行地延伸。在示出的实施例中，印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124在部段P的区域中沿平行的螺旋线延伸，从而在部段P内部印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124的弯曲半径根据到轴线R的间距是不同的。特别地，印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124在部段P中分别以相同大小的角度α切割圆周K，该圆周的中心位于轴线R上。在示出的实施例中，角度α为45°。因此，印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124在部段P中分别根据对数螺旋定律延伸。圆周K处的每个切线始终以相同的角度α(等角轨迹)切割对数螺旋，其中，这种特性适用于具有不同半径的任意圆周，这些圆周的共同的中点位于轴线R。因此，印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124在部段P中根据等角螺旋延伸。在示出的实施例中，等角螺旋或者对数螺旋进而印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124的延伸在部段P中明确地通过角度α＝45°表征。印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124因此彼此电路连接地布置，使得这些印制导线结构形成惠斯通桥。
此外，在第二基板2.11上安装电子构件2.14(图2)，该电子构件用于为传感器布置2.12供应合适的电压或者合适的电流，并且另一方面进一步处理由印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124生成的信号或者电阻值。因为在此涉及无源的传感器布置2.12，所以强制要求为传感器布置2.12供应辅助能量。
图4示出的设置用于扫描标尺构件2.1的扫描构件1.1包括扫描元件1.13。在此，扫描元件包括在外部的第一接收线路1.131中的两个接收印制导线和在内部的第二接收线路1.132中的两个接收印制导线。在此，相应的接收线路1.131，1.132的接收印制导线的配套的对相对彼此错开(在此特别地彼此均匀错开)地布置。
此外，作为激励线圈在扫描构件1.1处设置激励印制导线1.15，该激励印制导线安装在内部的、中间的和外部的激励线路上。扫描构件1.1自身设计为环形的并且因此具有中心孔。
借助于螺纹孔1.21能够在第一法兰1.2处紧固第一机器元件，该第一法兰能够被分配给定子。毂2.4具有中央开口2.41，能够将驱动轴导入该中央开口中，驱动轴能够抗扭地与毂24连接。以该方式能够将转动运动引入到毂2.4中进而引入到标尺构件2.1中。毂2.4和第二法兰2.2经由标尺构件2.1彼此连接。借助于在第二法兰2.2中的孔2.21能够将另外的机器部分在转子侧紧固在第二法兰2.2处。因此能够在第二法兰2.2处固定输出侧的机器部分。因此，在根据图1的位置传感器的组装状态中，标尺构件2.1和扫描构件1.1轴向上相对布置，从而使得轴线R延伸穿过两个元件的中点，并且在标尺构件2.1与扫描构件1.1之间相对转动时能够通过感应效应生成与相应的角度位置相关的信号。
为了该目的，应用安装在扫描构件1.1上的ASIC构件，该构件不仅作为评估元件、还作为激励控制元件工作。在该激励控制元件的控制下生成激励电流，该激励电流随后流过激励印制导线1.15。通过激励电流在接收印制导线中感应出与标尺构件2.1的角度位置相关的电压，其中，该电压也能够称为信号。
外部的接收线路1.131的接收印制导线分别具有比内部的接收线路1.132的接收印制导线更多的线匝。此外，外部的刻度线路2.131具有比内部的刻度线路2.132更多的导电刻度区域(和更多的非导电刻度区域)。外部的刻度线路2.131由外部的接收线路1.131或者所属的接收印制导线扫描。在标尺构件2.1相对于扫描构件1.1转动时，外部的接收线路1.131提供相对高分辨率的增量信号。相反地，内部的接收线路1.132在扫描内部的刻度线路2.132时提供相对较低分辨率的增量信号。在扫描构件1.1与标尺构件2.1之间的相同的相对转动时，通过内部的接收线路1.132的接收印制导线比通过外部的接收线路1.131的接收印制导线生成更少数量的信号周期。通过组合增量信号能够生成绝对角度信息。
然而，通过测量装置不仅能确定角度位置，还能确定转矩。为了该目的，在标尺构件2.1处或者在第二基板2.11上(通过增附装配)安装印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124。如在所述的实施例中那样，如果印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124的增附装配根据如角度标尺2.13的导电的刻度区域的增附装配一样的相同的原理实现，则这是特别有利的。印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124相关于轴线R相对于角度标尺2.13径向靠内地布置。因此，在印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124与轴线R之间的间距小于在角度标尺2.13与轴线R之间的间距。
能够为标尺构件2.1提供电能。这例如能够经由线缆(只要可能的转数有限)、集电环或无线地实现。在测量装置运行时，引导限定的电流通过无源的传感器布置2.12，该传感器布置布置在标尺构件2.1上并且因此在示出的实施例中被分配给转子。通过被引导通过标尺构件2.1的驱动力，产生尽管非常小的标尺构件2.1的变形。根据第二基板2.11基于扭转负载的变形，改变在印制导线结构2.121，2.122，2.123，2.124中的电阻。在利用该效果的情况下，能够通过无源的传感器布置2.12确定第二基板2.11的扭转负载，其中，存在围绕轴线R的扭转。通过电子构件2.14生成信号，该信号例如无线地传输给扫描构件1.1。这些信号包含有关标尺构件2.1的扭转负载的信息并且能够连同信号一起传输给后续电子系统，该信号包含有关在标尺构件2.1与扫描构件1.1之间的相对角度位置的信息。
在图5示出了用于根据本发明的测量装置的第二实施例。在此，与第一实施例不同的是，扫描构件1.1’不仅具有无源的传感器布置1.12、还具有扫描元件1.13。在该第二实施例中，能够确定扫描构件1.1’由于围绕轴线R的扭转力矩的变形。当然对此的前提为，扫描构件1.1’安装在装置中，使得相应的力通量延伸通过扫描构件1.1’。扫描构件1.1’具有一系列电子构件1.14，该电子构件用于为激励印制导线1.15以及无源的传感器布置1.12的印制导线结构1.121，1.122，1.123，1.124供电。此外，电子构件1.14还用于处理有关扭转力矩信息和角度信息的相关的信号。印制导线结构1.121，1.122，1.123，1.124相关于轴线R相对于扫描元件1.13(或者相对于接收线路1.131，1.132)径向靠内地布置。因此，在印制导线结构1.121，1.122，1.123，1.124与轴线R之间的间距小于在扫描元件1.13与轴线R之间的间距。
Claims (15)
1.一种测量装置，包括第一构件组(1)和第二构件组(2)，其中，构件组(1，2)相对彼此围绕轴线(R)能转动地布置，其中，
所述第一构件组(1)具有扫描构件(1.1；1.1’)，所述扫描构件具有第一基板(1.11)，并且
所述第二构件组(2)具有标尺构件(2.1)，所述标尺构件具有第二基板(2.11)和角度标尺(2.13)，从而
通过所述测量装置能够确定在所述第一构件组(1)与所述第二构件组(2)之间的相对的角度位置，其中，
所述测量装置还具有无源的传感器布置(1.12；2.12)，所述传感器布置具有印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)，其中
-在所述扫描构件(1.1；1.1’)处所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121)通过增附装配安装在所述第一基板(1.11)上，从而通过所述传感器布置(1.12)能够确定所述第一基板(1.11)围绕所述轴线(R)的扭转负载，或者
-在所述标尺构件(2.1)处所述印制导线结构(2.121，2.122，2.123，2.124)通过增附装配安装在所述第二基板(2.11)上，从而通过所述传感器布置(2.12)能够确定所述第二基板(2.11)围绕所述轴线(R)的扭转负载。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)分别具有多个部段(P)，在所述部段中所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)弯曲地延伸。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)在所述部段(P)中平行地延伸。
4.根据权利要求2所述的测量装置，其中，弯曲半径根据到所述轴线(R)的间距而不同。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)在所述部段(P)中分别以相同大小的角度(α)切割圆周(K)，所述圆周的中点位于所述轴线(R)上。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其中，所述角度(α)在20°与70°之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，通过确定所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)的电阻，能够确定所述扭转负载。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，所述传感器布置(1.12；2.12)包括四个所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124；2.121，2.122，2.123，2.124)，所述印制导线结构根据桥接电路连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，在所述第一基板(1.11)上布置激励印制导线(1.15)以及布置具有多个接收印制导线的接收线路(1.131，1.132)作为扫描元件(1.13)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，在所述第一基板(1.11)上布置至少一个电子构件(1.14)，通过所述电子构件能够进一步处理能够由所述扫描构件(1.1；1.1’)生成的信号。
11.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，所述角度标尺(2.13)由交替布置的、导电和非导电的刻度区域组成，所述刻度区域布置在所述第二基板(2.11)上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，所述第一基板(1.11)和/或所述第二基板(2.11)由塑料制成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，所述第一基板(1.11)和/或所述第二基板(2.11)由金属制成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，在所述扫描构件(1.1’)处所述印制导线结构(1.121，1.122，1.123，1.124)相关于所述轴线(R)相对于扫描元件(1.13)径向靠内地通过增附装配安装在所述第一基板(1.11)上，从而通过所述传感器布置(1.12)能够确定所述第一基板(1.11)围绕所述轴线(R)的扭转负载。
15.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，在所述标尺构件(2.1)处所述印制导线结构(2.121，2.122，2.123，2.124)相关于所述轴线(R)相对于所述角度标尺(2.13)径向靠内地通过增附装配安装在所述第二基板(2.11)上，从而通过所述传感器布置(2.12)能够确定所述第二基板(2.11)围绕所述轴线(R)的扭转负载。
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