DE10047939C2 - Inductive displacement sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Weggeber zur Erfassung der gegen seitigen Lage relativ zueinander beweglicher Bauteile. Solche Weggeber können z. B. im Au tomobilbau Verwendung finden, z. B. zur Erfassung der Stellung der Drosselklappe, zur Er kennung der Sitzposition, zur Fahrwerksregulierung, Schiebedachposition und dergleichen.The invention relates to an inductive displacement sensor for detecting the counter side position of mutually movable components. Such sensors can e.g. B. in Au Find tomobil construction, e.g. B. to detect the position of the throttle valve, to Er identification of the seat position, for chassis regulation, sunroof position and the like.
Aus der JP 58-127116 A ist ein induktiver Weggeber bekannt. Dieser weist einen Ständer und einen Läufer auf, die relativ zueinander beweglich sind und ein Sensorelement mit zwei Spulen sowie ein weiteres aus elektrisch leitfähigem Material bestehendes Sensor element tragen. An die Spulen ist eine Halbbrücke angeschlossen. Eine Auswerteschaltung ermittelt aus der Phasenlage der Ausgangssignale der Halbbrücke die Lage des Läufers zum Ständer.An inductive displacement sensor is known from JP 58-127116 A. This has one Stand and a runner that are movable relative to each other and a sensor element with two coils and another sensor made of electrically conductive material wear element. A half bridge is connected to the coils. An evaluation circuit determines the position of the rotor from the phase position of the output signals of the half bridge Stand.
Die DE 38 24 534 A1 offenbart eine Meßeinrichtung zur berührungsfreien Bestim mung des Drehwinkels und/oder Wegmessung. Bei dieser aus der DE 38 24 534 A1 bekann ten Meßeinrichtung sind auf einem Träger zwei identische Spulen spiegelsymmetrisch zuein ander angeordnet. Mit Hilfe einer Scheibe, die mit einem Bauteil, dessen Drehbewegung ge messen werden soll, verbunden ist, wird die Größe der in den beiden Spulen erzeugten Wir belströme verändert. Der Träger ist unter einem gewissen Winkel in Schrägstellung zur Scheibe angeordnet. Dadurch wird innerhalb des Meßbereichs die Stelle mit der höchsten Meßgenauigkeit an eine gewünschte Position verschoben.DE 38 24 534 A1 discloses a measuring device for non-contact determination measurement of the angle of rotation and / or distance measurement. Known from DE 38 24 534 A1 th measuring device are two identical coils mirror-symmetrical on a carrier arranged differently. With the help of a disc with a component whose rotational movement ge to be measured, is connected, the size of the We generated in the two coils belstrom changed. The beam is inclined at a certain angle Disc arranged. This makes the point with the highest within the measuring range Measuring accuracy shifted to a desired position.
Die DE 41 28 159 A1 offenbart eine Meßeinrichtung zur Bestimmung eines Drehwin kels oder eines Wegs. Die Meßeinrichtung gemäß der DE 41 28 159 A1 weist einen Spulen körper auf, auf dem zwei in einem Spannungsteiler verschaltete Spulen angeordnet sind. Zwi schen den beiden Spulen befindet sich ein Übergangsbereich, dessen axiale Länge auf die Länge einer Meßhülse abgestimmt ist. An der Meßhülse ist ein Bauteil befestigt, dessen Be wegung bestimmt werden soll. Die beiden Meßspulen sind so auf den Spulenkörper gewi ckelt, daß im stromdurchflossenen Zustand ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt wird. Hierzu weisen die Wicklungen der beiden Spulen einen zunehmenden Abstand auf, wobei sich die Seiten der beiden Spulen mit dem größten Wicklungsabstand im Übergangsbereich befinden.DE 41 28 159 A1 discloses a measuring device for determining a rotation kels or a way. The measuring device according to DE 41 28 159 A1 has a coil body on which two coils connected in a voltage divider are arranged. Zwi between the two coils there is a transition area, the axial length of which Length of a measuring sleeve is matched. On the measuring sleeve, a component is attached, the loading motion should be determined. The two measuring coils are thus on the coil body curled that an inhomogeneous magnetic field is generated in the current-carrying state. For this the windings of the two coils have an increasing distance, the Sides of the two coils with the largest winding spacing are in the transition area.
Aus der DE 39 29 681 A1 ist eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Wegs oder des Drehwinkels eines Maschinenteils bekannt. Bei dieser Meßeinrichtung gemäß der DE 39 29 681 A1 sind eine erste Spule auf einem hülsenförmigen Spulenkörper und eine zweite Spule auf einem zylinderförmigen Spulenkörper angeordnet. Der hülsenförmige Spulenkörper wird über einen Kern aus ferromagnetischem Material geführt, während der zylinderförmige Spu lenkörper in eine Hülse aus elektrisch leitfähigem, aber nicht ferromagnetischem Material eingreift. Dabei sind jeweils der hülsenförmige Spulenkörper und der Kern bzw. der zylinder förmige Spulenkörper und die Hülse achsgleich ausgebildet. Aufgrund des Wirbelstromef fekts wird die Induktivität in der zweiten Spule erniedrigt, während aufgrund des ferromagne tischen Effekts die Induktivität in der ersten Spule erhöht wird.DE 39 29 681 A1 describes a measuring device for determining the path or the Known angle of rotation of a machine part. With this measuring device according to DE 39 29 681 A1 are a first coil on a sleeve-shaped bobbin and a second coil arranged on a cylindrical bobbin. The sleeve-shaped bobbin is guided over a core made of ferromagnetic material, while the cylindrical Spu steering body in a sleeve made of electrically conductive but not ferromagnetic material intervenes. The sleeve-shaped coil body and the core or the cylinder are in each case shaped bobbin and the sleeve formed axially. Because of the eddy current Effectively, the inductance in the second coil is reduced, while due to the ferromagne table effect, the inductance in the first coil is increased.
Aus der DE 198 13 497 A1 ist ein induktiver Weggeber in Form eines Drehwinkelge bers bekannt, bei dem auf einem kreisförmigen Ständer eine Primärspule und mehrere Sekun därspulenpaare in Planartechnik aufgebracht sind. Die Spulen sind auf einen magnetisch leit fähigen Träger aufgebracht. Auf dem Rotor befinden sich wenigstens zwei kreissektorförmi ge, ebenfalls magnetisch leitfähige Plättchen. Je nach Lage dieser Plättchen werden die Pri märspule und die Sekundärspule mehr oder weniger stark induktiv miteinander gekoppelt, so daß sich wenigstens ein Lageparameter des Rotors gegenüber dem Ständer ermitteln läßt.From DE 198 13 497 A1 is an inductive displacement sensor in the form of a rotation angle bers known, in which on a circular stand, a primary coil and several seconds Därspulenpaare are applied in planar technology. The coils are magnetically conductive capable carrier applied. At least two sectors of a circle are located on the rotor ge, also magnetically conductive plates. Depending on the location of these tiles, the Pri märspule and the secondary coil more or less strongly inductively coupled, so that at least one position parameter of the rotor relative to the stator can be determined.
Die bekannten Weggeber erlauben zwar eine genaue Messung bzw. Erfassung er ge genseitigen Lage von Rotor und Ständer. Sie sind jedoch verhältnismäßig kompliziert aufge baut und daher in der Herstellung verhältnismäßig teuer.The known displacement sensors allow an accurate measurement or acquisition ge mutual position of rotor and stator. However, they are relatively complicated builds and therefore relatively expensive to manufacture.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen bei guter Meßgenauigkeit in Aufbau und Herstellung einfachen Weggeber zu schaffen.The invention is therefore based on the object, with good measurement accuracy Setup and manufacture to create simple path sensors.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen induktiven Weggeber gelöst.This object is achieved by the one described in claim 1 inductive displacement sensor solved.
Der erfindungsgemäße Weggeber verzichtet auf die magnetische Kopplung zwischen einer Primärspule und einer oder mehreren sekundären Spulen. Er kommt daher in praktisch allen möglichen Anwendungsfällen mit zwei Spulen aus. Werden diese mit einem Wechsel strom verhältnismäßig hoher Frequenz gespeist, werden durch die erzeugten Felder im Be dämpfungselement Wirbelströme erzeugt, die zu einer Phasendifferenz zwischen den Aus gangssignalen der den Spulen nachgeschalteten Halbbrücke führen. Diese Phasendifferenz läßt sich in der nachgeschalteten Auswerteschaltung zur Lageerkennung des Läufers gegen über dem Ständer heranziehen.The displacement sensor according to the invention dispenses with the magnetic coupling between a primary coil and one or more secondary coils. It therefore comes in handy all possible applications with two coils. Will this be with a change Electricity fed relatively high frequency, are generated by the fields generated in the Be damping element produces eddy currents that lead to a phase difference between the off lead signals of the half bridge connected downstream of the coils. This phase difference can be compared in the downstream evaluation circuit for position detection of the rotor pull over the stand.
Der erfindungsgemäße Weggeber eignet sich grundsätzlich zur Erkennung sowohl einer zurückgelegten Wegstrecke als auch eines Drehwinkels. The displacement sensor according to the invention is basically suitable for both detection a distance traveled as well as an angle of rotation.
Zur Verbesserung der Meßempfindlichkeit ist das Bedämpfungselement vorzugsweise als Doppelzylindersegment ausgebildet, dessen Innenwandung innerhalb und dessen Außen wandung außerhalb der Sensorspulen angeordnet und längs diesen beweglich ist.The damping element is preferred to improve the measuring sensitivity formed as a double cylinder segment, the inner wall inside and the outside Wall arranged outside the sensor coils and is movable along this.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen induktiven Weggebers wird nachfol gend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt:An embodiment of the inductive displacement sensor according to the invention will follow explained using figures. It shows:
Fig. 1 den Schnitt eines Drehwinkelgebers, Fig. 1 shows the section of a rotary encoder,
Fig. 2 eine Abwicklung der Sensorspulen, Fig. 2 is a development of the sensor coils,
Fig. 3 die perspektivische Ansicht eines Ständers und eines Rotors des Ausführungsbeispiels der Fig. 1, Fig. 3 is a perspective view of a stator and a rotor of the embodiment of Fig. 1,
Fig. 4 das Prinzipschaltbild des Drehwinkelgebers der Fig. 1 und 2 und Fig. 4 shows the basic circuit diagram of the rotary encoder of Figs. 1 and 2 and
Fig. 5 im Diagramm den Signalverlauf am Ausgang der Auswerteschaltung. Fig. 5 in the diagram the signal curve at the output of the evaluation circuit.
Nach der Schnittdarstellung der Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßer Drehwinkelge ber aus einem etwa topfförmigen Gehäuse 1, das mit einem Gehäusedeckel 2 verschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich ein Träger 3 mit einer zentralen Buchse 4, an den ein nach unten ragendes zylindrisches Trägerelement 5 angeformt ist. Auf der äußeren Oberfläche des Trägerelements 5 sind zwei sich jeweils über 180° erstreckende Sensorspulen 6 (siehe auch die Abwicklung der Spulen in Fig. 2) aufgebracht. Auf der oberen Oberfläche des Trä gers 3 liegt eine Platine 7, die mit den Bauelementen der Auswerteschaltung 8 (Fig. 4) be stückt ist. Die Anschlußdrähte der Spulen 6 sind dort mit den Leiterbahnen der Platine 7 ver lötet.According to the sectional view of FIG. 1, an inventive Winkelwinkelge consists of an approximately cup-shaped housing 1 , which is closed with a housing cover 2 . Within the housing 1 there is a carrier 3 with a central bushing 4 , onto which a downwardly projecting cylindrical carrier element 5 is formed. On the outer surface of the carrier element 5 , two sensor coils 6 each extending over 180 ° (see also the development of the coils in FIG. 2) are applied. On the upper surface of the carrier 3 is a circuit board 7 , which is equipped with the components of the evaluation circuit 8 ( FIG. 4). The connecting wires of the coils 6 are there ver soldered to the conductor tracks of the board 7 .
Auf der in der Darstellung der Fig. 1 linken Seite des Gehäuses 1 ist an dieses eine Stecker-Aufnahmebuchse 9 angeformt, deren Leiterelemente 18 durch den Träger 3 und die Platine 7 auf deren Leiterbahnen geführt sind. Auf der in Fig. 1 rechten Seite ist an das Ge häuse 1 eine Befestigungsbuchse 10 angeformt.On the left side of the housing 1 in the illustration in FIG. 1, a connector receptacle 9 is formed thereon, the conductor elements 18 of which are guided through the carrier 3 and the circuit board 7 on their conductor tracks. On the right in Fig. 1, a mounting bush 10 is integrally formed on the Ge housing 1 .
In einer an das Gehäuse 1 angeformten zentralen Buchse 11 und der Buchse 4 des Trägers 3 befindet sich je ein Gleitlager 12, in denen eine Welle 13 gelagert ist. Diese trägt ein Bedämpfungselement 15 in Form zweier konzentrischer Teilzylinder oder Zylinderseg mente 16 und 17 (siehe auch Fig. 3). Dabei ist das innere Zylindersegment 16 innerhalb und das äußere Zylindersegment 17 außerhalb der Spulen 6 angeordnet und längs diesen beweg lich.A slide bearing 12 , in which a shaft 13 is mounted, is located in a central bushing 11 and the bushing 4 of the carrier 3 formed on the housing 1 . This carries a damping element 15 in the form of two concentric partial cylinders or Zylinderseg elements 16 and 17 (see also Fig. 3). The inner cylinder segment 16 is arranged inside and the outer cylinder segment 17 outside the coils 6 and along this movable Lich.
Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine Abwicklung der beiden Spulen 6 mit der Platine 7, wobei sich die Spulen über 360° erstrecken. Mit dieser Ausführungsform läßt sich ein Win kelbereich von etwa 120° erfassen. Fig. 2 shows the top view of a development of the two coils 6 with the circuit board 7 , the coils extending over 360 °. With this embodiment, a Win angle range of about 120 ° can be detected.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau der Spulen 6, die zusammen mit Wi derständen R1 und R2 zu einer Halbbrücke geschaltet und an die Auswerteschaltung 8 ange schlossen sind. Die Auswerteschaltung 8 enthält auch die Speisung für die Halbbrücke. Fig. 4 shows the basic circuit structure of the coils 6 , which are connected together with Wi resistors R1 and R2 to form a half-bridge and are connected to the evaluation circuit 8 . The evaluation circuit 8 also contains the supply for the half-bridge.
Die Halbbrücke wird z. B. mit einer Spannung von 12 V und einer Frequenz von 100 kHz bis 1 MHz gespeist. Über die Widerstände wird die Brücke auf 45° Phasenverschiebung eingestellt, so daß sich ein linearer Arbeitsbereich (Fig. 5) ergibt.The half bridge is z. B. fed with a voltage of 12 V and a frequency of 100 kHz to 1 MHz. The bridge is set to a 45 ° phase shift via the resistors, so that there is a linear working range ( FIG. 5).
Durch die Bedämpfung ändert sich die Phasendifferenz der in der Brücke fließenden Ströme. Diese Änderung wird mittels der Auswerteschaltung 8 in eine analoge Spannung um gewandelt und am Ausgang der Auswerteschaltung 8 zur Verfügung gestellt.Due to the damping, the phase difference of the currents flowing in the bridge changes. This change is converted into an analog voltage by means of the evaluation circuit 8 and made available at the output of the evaluation circuit 8 .
Soll ein größerer Winkelbereich erfaßt werden, so werden über den Umfang des Trä gers 3 zwei bzw. drei Spulenpaare verteilt und die Halbbrücke entsprechend erweitert. Das Bedämpfungselement ist dementsprechend zu verkürzen, erstreckt sich also nicht über 180°, sondern über nur 90° bzw. 60°. If a larger angular range is to be detected, then two or three pairs of coils are distributed over the circumference of the carrier 3 and the half-bridge expanded accordingly. The damping element must be shortened accordingly, i.e. it does not extend over 180 °, but only over 90 ° or 60 °.
11
Gehäuse
casing
22
Gehäusedeckel
housing cover
33
Träger
carrier
44
Muffe
sleeve
55
zylindrisches Trägerelement
cylindrical support element
66
Sensorspulen
sensor coils
77
Platine
circuit board
88th
Auswerteschaltung
evaluation
99
Aufnahmebuchse
receiving socket
1010
Befestigungsbuchse
mounting bushing
1111
zentrale Buchse
central socket
1212
Gleitlager
bearings
1313
Welle
wave
1414
Rotor
rotor
1515
Bedämpfungselement
damping element
1616
inneres Zylindersegment
inner cylinder segment
1717
äußeres Zylindersegment
outer cylinder segment
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