DE102005021300A1

DE102005021300A1 - Drehgeber

Info

Publication number: DE102005021300A1
Application number: DE102005021300A
Authority: DE
Inventors: Armin Nimmrichter
Original assignee: VS SENSORIK GmbH
Current assignee: Vs Sensorik De GmbH
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: DE102005021300B4

Abstract

Drehgeber mit mindestens einem drehbaren Objekt und mindestens einem Sensorelement, wobei das Sensorelement ein analoges Signal in Abhängigkeit von der Drehposition des drehbaren Objektes relativ zu dem Sensorelement ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Leitfähigkeit, eine Dielektrizitätskonstante, eine Magnetisierbarkeit, ein magnetisches Moment und/oder ein Abstand zwischen dem Sensorelement und einer Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes, über die eine magnetische, induktive und/oder kapazitive Wechselwirkung mit dem Sensorelement erfolgt, winkelabhängig in Bezug auf eine Drehachse des drehbaren Objektes kontinuierlich zwischen 0 DEG und 360 DEG ändert, so dass das Sensorelement das Signal mit einer gewünschten Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt relativ zu dem Sensorelement dreht, wobei das Sensorelement ein Wandlerelement und ein Anregersystem enthält, wobei das von dem Wandlerelement ausgegebene Signal so beeinflusst wird, dass das von dem Sensorelement ausgegebene Signal die gewünschte Signalform aufweist, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehgeber und insbesondere einen Absolutdrehgeber mit mindestens einem drehbaren Objekt und mindestens einem Sensorelement, wobei das Sensorelement ein analoges Signal in Abhängigkeit von der Drehposition des drehbaren Objekts relativ zu dem Sensorelement ausgibt.
Drehgeber dienen als Messwertaufnehmer für Drehbewegungen, d. h., der Drehgeber gibt ein Signal aus, das eine Drehposition eines Objektes widerspiegelt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Drehgeber ist die Drehzahl- und Winkelerfassung in Antriebsspindeln von Werkzeugmaschinen, Antriebsachsen, etc.
Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Arten von Drehgebern: inkrementale Drehgeber und Absolutwertgeber.
Inkrementale Drehgeber eignen sich zur Messung von Drehzahl und Winkelgeschwindigkeiten. Bei der inkrementalen Bestimmung der Drehposition wird ein sich drehender Maßstab von einem Sensorelement abgetastet, wobei als Maßstab zum Beispiel eine Kreisscheibe mit einem Strichmuster verwendet wird. Die Drehposition bzw. Winkelgeschwindigkeit wird durch einfaches Zählen der Markierungen auf dem Maßstab bestimmt.
Bei Absolutwertgebern wird die Absolutwinkelposition auf dem Maßstab als codierte Information in die Markierungen eingearbeitet.
Die Abtastung der Markierungen auf dem Maßstab wird bei inkrementalen Drehgebern und Absolutwertdrehgebern in der Regel durch eine optische Abtastung erreicht.

Ein solcher optischer Drehgeber wird z. B. in der DE 10 2004 019 332 A1 beschrieben.

Alternativ zu den optischen Abtastverfahren sind auch Drehgeber bekannt, die auf einem induktiven Drehwinkelsensorprinzip beruhen. Ein Beispiel für einen Drehgeber vom induktiven Typ wird z. B. in dem US-Patent US 5,150,115 beschrieben. Darin wird ein Muster, das auf einer rotierenden Scheibe aufgebracht ist, induktiv von einem Sensor, der auf einer zweiten feststehenden Scheibe aufgebracht ist, abgetastet.

Inkrementale Drehgeber können auch mit magnetischen Sensoren mit einem Zahnrad als Maßstab realisiert werden. Ein magnetischer Sensor, der für einen solchen Zweck geeignet ist, wird z. B. in der WO 98/39621 beschrieben.

Die Drehgeber des Standes der Technik könnten allerdings noch in verschiedener Hinsicht verbessert werden.

Den vorher genannten Drehgebern ist gemeinsam, dass sie nur zur Drehpositionsbestimmung von kleineren Achsen mit Achsendurchmessern von einigen mm bis einigen cm geeignet sind, da die Herstellungstechniken für die notwendigen Maßstäbe (Strichcodes) nur eine Herstellung maximal im Zentimetermaßstab erlauben. Weiterhin erfordert die Bestimmung des Absolutwertes des Drehwinkels einen Maßstab, bei dem der Absolutwert des Drehwinkels in codierter Form in die Maßstabsmarkierungen eingebracht ist. Das bedeutet einen erhöhten Fertigungsaufwand für den Maßstab, insbesondere wenn hohe Genauigkeiten gefordert sind. Des weiteren ist auch bei den inkrementalen Drehgebern eine hohe Genauigkeit mit hohen Fertigungskosten verbunden.

Bei der Verwendung von Drehgebern in Synchronmotoren sind insbesondere Absolutwert-Drehgeber wünschenswert, die allein wegen der zusätzlichen absoluten Winkelcodierung einen erhöhten Fertigungsaufwand erfordern.

Wünschenswert wäre deshalb ein Drehgeber, der auch für Achsen mit großen Achsendurchmessern und insbesondere zur Verwendung in Synchronmotoren geeignet ist. Wünschenswert sind dabei Achsen, deren Durchmesser bis zu mehreren Metern betragen können. Des weiteren soll eine hohe Genauigkeit bei niedrigen Herstellungskosten erreicht werden.

Die deutsche Patentanmeldung DE 103 16 126 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Achse drehbaren Körpers gemäß des einleitenden Teils der unabhängigen Ansprüche. Die Vorrichtung ist eine stufenlose Lagerückmeldung einer Nockenwelle vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor, der abhängig von der Position des drehbaren Körpers ein Signal erzeugt, und ein Steuergerät, das das Signal des Sensors auswertet. Das Signal des Sensors ist für jedes vorgegebene Winkelsegment unterschiedlich. Vorteilhafterweise ist der Sensor ein Abstandssensor und der drehbare Körper derart ausgestaltet und zum Abstandssensor ausgerichtet, dass die Distanz zwischen Abstandssensor und drehbarem Körper für jedes vorgegebene Winkelsegment des drehbaren Körpers unterschiedlich ist.

Die deutsche Patentanmeldung DE 198 08 744 A1 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung, die jedoch mit einem Magnetfeldsensor ausgestattet ist.

Ein Nachteil von solchen Abstandssensoren, insbesondere von magnetischen, induktiven und kapazitiven Sensoren ist, dass der Zusammenhang zwischen Abstand und Signalstärke des Sensors nichtlinear ist, wodurch sich die Genauigkeit der absoluten Winkelbestimmung verschlechtert.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehgeber bereitzustellen, der eine hohe Genauigkeit bei niedrigen Herstellungskosten aufweist und der auch für Achsen mit großen Achsendurchmessern und insbesondere zur Verwendung in Synchronmotoren geeignet ist.

Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Drehgeber der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich eine Leitfähigkeit, eine Dielektrizitätskonstante, eine Magnetisierbarkeit, ein magnetisches Moment und/oder ein Abstand zwischen dem Sensorelement und einer Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes, über die eine magnetische, induktive und/oder kapazitive Wechselwirkung mit dem Sensorele ment erfolgt, winkelabhängig in Bezug auf eine Drehachse des drehbaren Objektes kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert, so dass das Sensorelement das Signal mit einer gewünschte Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt relativ zu dem Sensorelement dreht, wobei das Sensorelement ein Wandlerelement und ein Anregersystem enthält, wobei das von dem Wandlerelement ausgegebene Signal so beeinflusst wird, dass das von dem Sensorelement ausgegebene Signal die gewünschte Signalform aufweist, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.

Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass sich aus dem analogen Signal direkt die absolute Winkelposition ableiten lässt. Dazu ist es notwendig, dass die gewünschte Signalform möglichst störungsfrei von dem Sensorelement ausgegeben wird. Dies kann relativ einfach mit geringem technologischen Aufwand realisiert werden, indem eine physikalische Eigenschaft des drehbaren Objektes kontinuierlich winkelabhängig eingeprägt wird.

Ändert sich zum Beispiel die physikalische Eigenschaft schneckenförmig, erhält man immer für unterschiedliche Winkelpositionen unterschiedliche Signale und aus dem Signal lässt sich eindeutig die Winkelposition bestimmen. Abhängig von kontinuierlichen Winkelverteilung können mehrere Sensorelemente und/oder eine intelligente Signalauswertung notwendig sein, um die Winkelposition eindeutig zu bestimmen. Ist die Winkelverteilung zum Beispiel so gestaltet, dass sich keine eindeutige Zuordnung erreichen lässt, weil zum Beispiel für einen Sensorsignalwert zwei Winkelpositionen möglich sind, kann mit zwei Sensorelementen eine eindeutige absolute Winkelposition bestimmt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass in Abhängigkeit von technischen Gegebenheiten ein Sensorelement gewählt werden kann, das möglichst nicht durch Störwechselwirkungen beeinflusst wird. Insbesondere ist man in einer hellen und lauten Umgebung mit störendem Streulicht und Vibrationen nicht auf optische und akustische Sensoren beschränkt und kann auf magnetische, induktive, und kapazitive Wechselwirkungsprinzipien ausweichen.

Die Auswahl des Wechselwirkungsprinzips, magnetisch, induktiv oder kapazitiv kann je nach konstruktiven Belangen gewählt werden und ein entsprechend dazu geeignetes Sensorelement wird ausgewählt.

Um eine möglichst genaue Winkelangabe zu erhalten, ist es vorteilhaft, dass die Signalform des von dem Sensorelement ausgegebenen Signals möglichst genau die gewünschte Signalform aufweist. Ist z.B. die gewünschte Signalform sinusförmig und erhält man statt dessen durch Nichtlinearitäten der Sensorcharakteristik oder Wechselwirkungscharakteristik ein Sinussignal, das durch Oberwellen gestört ist, beeinträchtigt dies die Genauigkeit der Bestimmung des absoluten Drehwinkels.

Solche Ungenauigkeiten lassen sich in einer Ausführungsform durch Modifikation des von dem Wandlerelement ausgegebene Signals durch eine nachgeschaltete Elektronik erreichen.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird das von dem Wandlerelement ausgegebene Signal durch Anpassen einer Wechselwirkungscharakteristik, die den Zusammenhang zwischen dem von dem Wandlerelement ausgegebene Signal und einer Drehposition beschreibt, modifiziert.

Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform, in der eine induktive Wechselwirkung verwendet wird, die Wechselwirkungscharakteristik durch eine Form und/oder eine Anordnung von mindestens einer Erregerspule, und/oder einen Anregungsstrom, und/oder einen Abstand modifiziert werden.

In einer anderen Ausführungsform, bei der eine magnetische Wechselwirkung verwendet wird, kann die Wechselwirkungscharakteristik durch eine Vormagnetisierung oder ein Bias-Magnetsystem und/oder einen Abstand modifiziert werden.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die gewünschte Signalform eine Sinusform, eine Dreiecksform, eine Sägezahnform oder eine beliebige andere vordefinierte Form haben.

Im Falle eines sinusförmigen Signals ist es wünschenswert, den Oberwellenanteil möglichst gering zu halten. Als Maß für den Anteil der Oberwellen bzw. der nicht linearen Verzerrungen kann der Klirrfaktor k verwendet werden, der durch folgende Formel definiert ist:

In einer Ausführungsform ist es wünschenswert, dass der Klirrfaktor kleiner als 0,25% ist. In jedem Fall soll eine Absolutwinkelbestimmung von besser als 1° erreichbar sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung von Störeinflüssen besteht darin, mindestens zwei Sensorelemente an zwei verschiedenen Winkelpositionen bezüglich des drehbaren Objektes anzuordnen.

Alternativ oder in Kombination dazu können in einer Ausführungsform mindestens zwei Sensorelemente mit mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungscharakteristiken und/oder mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungsarten angeordnet werden.

Zusätzlich oder alternativ können zur Verbesserung der Winkelbestimmung folgen Maßnahmen vorgesehen werden:

• Mindestens zwei Sensorelemente können so angeordnet werden, dass der Drehgeber zwei unabhängige Signale mit einer Phasenverschiebung ausgibt.
• Mindestens eine zweite Einheit bestehend aus mindestens einem drehbaren Objekt und mindestens einem Sensorelement können verwendet werden.
• Die mindestens zwei Einheiten können mindestens zwei unabhängige Signale mit der gewünschten Signalform liefern.

Bei entsprechender Verrechnung bzw. Kombination der Signale der beiden Sensorelemente können Störeinflüsse, die beide Sensorelemente gleichermaßen betreffen, und oder Nichtlinearitäten eliminiert werden.

Dies kann in einer Ausführungsform erreicht werden z.B. durch die Bildung der Differenz von mindestens zwei Sensorsignalen.

In einer anderen Ausführungsform kann der Drehgeber mindestens zwei drehbare Objekte aufweisen, die unterschiedliche Wechselwirkungscharakteristiken hinsichtlich mindestens einem Sensorelement aufweisen. Die mindestens zwei drehbaren Objekte können dann so ausgelegt werden, dass sich die Wechselwirkungscharakteristiken so überlagern, dass sich die gewünschte Signalform ergibt, wobei Störeinflüsse kompensiert werden. Ein Sensorelement kann dann eine Signalform ausgeben, die der Überlagerung der beiden Wechselcharakteristiken entspricht. Dadurch können wieder Störeinflüsse eliminiert werden.

In einer Ausführungsform, bei der sich der Abstand zwischen Sensorelement und Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert, kann dies in verschiedenen Ausführungsformen durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Durch Formgebung und Anordnung des drehbaren Objektes kann dabei ein gewünschtes Ausgangssignal erreicht werden.

Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das drehbare Objekt eine exzentrisch gelagerte Kreisscheibe sein.

In einer alternativen Ausführungsform kann das drehbare Objekt eine ellipsenförmige Scheibe sein.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das drehbare Objekt eine zur Drehachse geneigt gelagerte Kreisscheibe sein.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes ein gewindeförmiges Profil aufweisen.

Ein Vorteil des gewindeförmigen Profils liegt darin, dass inhomogene magnetische Störfelder, die z. B. bei Elektromotoren insbesondere beim Anlaufen vorhanden sind, einen geringeren Einfluss auf eine Differenzmessung einer magnetischen Abstandsmessung aufweisen. Elektromotoren erzeugen stark inhomogene magnetische Streufelder, die die Genauigkeit der Differenzmessung umso stärker beeinträchtigen, je größer der Abstand zwischen zwei Sensorelementen ist. Benötigt man z. B. zwei Sensorsignale, die um 180° phasenverschoben sind, kann man zwei Sensorelemente auf gegenüberliegenden Seiten einer exzentrisch gelagerten Kreisscheibe anordnen (siehe z. B. 6 mit w2 = 180°). Durch den großen Abstand zwischen den beiden Sensorelementen bewirkt ein inhomogenes magnetisches Störfeld, dass die Phasenbeziehung nicht mehr klar definiert ist. In einem gewindeförmigen Profil kann der Abstand zwischen den zwei Sensorelementen so klein gehalten werden, dass die Feldinhomogenitäten, die durch den Elektromotor erzeugt werden, vernachlässigbar werden (modellhaftes Beispiel in 7). Beträgt z. B. die Steigung des Gewindes 8 mm, kann man zwei Sensorelemente an der selben Winkelposition in einem Abstand von 4 mm in paralleler Richtung zur Gewindesteigung anordnen, um zwei zueinander um 180° phasenverschobene Signale zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Drehspindeln von z.B. Synchronmotoren häufig bereits in Teilabschnitten Gewinde aufweisen, die vorteilhaft für eine Abstandsmessung und damit für eine Absolutwinkelbestimmung ohne zusätzlichen Aufwand für ein separates drehbares Objekt verwendet werden können.

In einer Ausführungsform ist das Gewinde auf die Mantelfläche einer zentrisch gelagerten Kreisscheibe, die als drehbares Objekt dient, aufgebracht. Dadurch ist es möglich, die Abstandsmessung an einen Ort zu verlagern, z. B. durch geeignete Wahl eines Scheibenradiuses, an dem geringe Inhomogenitäten von magnetischen Störfeldern vorhanden sind.

Des weiteren kann das drehbare Objekt so gestaltet werden, dass Nichtlinearitäten des Sensorelements zumindest teilweise kompensiert werden um die gewünschte Signalform zu erhalten. Zum Beispiel könnte die Umfangsoberflächen der oben genannten Kreisscheibe so abgeändert werden, dass Nichtlinearitäten der Sensorcharakteristik (Abstandscharakteristik) ausgeglichen werden.

Gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Drehgeber der Eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, das Sensorelement ein Abstandssensor, der auf induktiven, magnetischen und/oder kapazitiven Wirkprinzipien beruht, ist, und dass die Geometrie des drehbaren Objektes so ausgebildet ist, dass sich der Abstand zwischen dem Sensorelement und der Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes winkelabhängig zwischen 0° und 360° ändert, so dass das Sensorelement das Signal mit einer gewünschte Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt relativ zu dem Sensorelement dreht, wobei das Sensorelement ein Wandlerelement und ein Anregersystem enthält, wobei das von einem Wandlerelement ausgegebene Signal so beeinflusst wird, dass das von dem Sensorelement ausgegebene Signal die gewünschte Signalform aufweist, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.

Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass sich aus dem analogen Abstandssignal direkt die absolute Winkelposition ableiten lässt. Weiterhin können bekannte Abstandssensoren verwendet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass in Abhängigkeit der technischen Gegebenheiten ein Abstandssensor gewählt werden kann, der möglichst nicht durch Störwechselwirkungen beeinflusst wird. Zum Beispiel kann man in einer hellen und lauten Umgebung mit störendem Streulicht und Vibrationen nicht auf optische und akustische Sensoren beschränkt und kann auf magnetische, induktive oder kapazitive Wechselwirkungsprinzipien ausweichen.

In verschiedenen Ausführungsformen wird erreicht, dass sich der Abstand zwischen Sensorelement und Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert. Durch Formgebung und Anordnung des drehbaren Objektes kann dabei ein gewünschtes Ausgangssignal erreicht werden.

Das drehbare Objekt kann z.B. als eine exzentrisch gelagerte Kreisscheibe, als ellipsenförmige Scheibe, als eine zur Drehachse geneigt gelagerten Kreisscheibe oder mit einer Umfangsoberfläche mit gewindeförmigem Profil ausgebildet sein.

Im übrigen sind alle Maßnahmen zur Modifizierung des Sensorsignals, wie sie in Verbindung mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden, auch auf den zweiten Aspekt der Erfindung anwendbar. Die dort erwähnten Vorteile treffen auch auf den zweiten Aspekt der Erfindung zu.

Im folgenden werden einige konkrete Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
1 das Prinzip der Erfindung anhand einer Ausführungsform mit einer Drehwinkelbestimmung mit einem Abstandssensor und einer exzentrisch gelagerten Scheibe als drehbares Objekt veranschaulicht;
2 einen magnetischen Abstandssensor veranschaulicht;
3 Beispiele von Abstandscharakteristiken s(x) veranschaulicht;
4 eine weitere Ausführungsform eines Drehgebers mit einem Abstandssensor und einer ellipsenförmigen Scheibe als drehbares Objekt veranschaulicht;
5 noch eine Ausführungsform eines Drehgebers mit einem Abstandssensor und einer zur Drehachse geneigten kreisförmigen Scheibe veranschaulicht;
6 eine Ausführungsform eines Drehgebers mit einer exzentrisch gelagerten kreisförmigen Scheibe als drehbares Objekt und drei Abstandssensoren, die an verschiedenen Winkelpositionen und Abstandspositionen angeordnet sind, veranschaulicht; und
7 eine Ausführungsform eines Drehgebers mit einer zur Drehachse geneigten kreisförmigen Scheibe als drehbares Objekt und zwei Abstandssensoren an derselben Winkelposition jedoch mit unterschiedlichen radialen und axialen Positionen zeigt.
Zur Verdeutlichung des erfinderischen Gedankens wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel ein Drehgeber mit einem drehbaren Objekt und einem Abstandssensorelement beschrieben.
1 zeigt beispielhaft einen Drehgeber mit einem Abstandssensor 1 und einem drehbaren Objekt, das als exzentrisch gelagerte kreisförmige Scheibe 2 ausgebildet ist. Die Drehachse 3 der kreisförmigen Scheibe 2 läuft nicht durch den Mittelpunkt 4 der kreisförmigen Scheibe 2. Das Sensorelement 1 ist in einem Abstand R0 von der Drehachse 3 angeordnet. Der Abstand R0 ist größer als der maximale Abstand zwischen der Drehachse 3 und dem äußeren Rand der kreisförmigen Scheibe 2. Das Abstandssensorelement 1 gibt ein Signal S(w) in Abhängigkeit von Drehwinkel w ab.
Bei einem bestimmten Drehwinkel w1 befindet sich das Sensorelement 1 im Abstand x1 vom Rand der kreisförmigen Scheibe 2 und gibt ein entsprechendes Signal S1 ab. Bei einem anderen Drehwinkel w2 weist das Sensorelement 1 einen Abstand x2 von dem Rand der kreisförmigen Scheibe 2 auf. Da die Drehachse 3 nicht im Mittelpunkt der kreisförmigen Scheibe 2 liegt ist der Abstand x1 unterschiedlich zum Abstand x2. Damit lässt sich ein winkelabhängiger Abstand x(w) zwischen dem Rand der kreisförmigen Scheibe 2 und dem Sensorelement 1 zuordnen. Da das Sensorelement 1 abstandsabhängige Signale S(x) ausgibt, lässt sich über die Winkel-Abstandsabhängigkeit x(w) ein winkelabhängiges Signal S(w) = S(x(w)) bestimmen.
2 zeigt ein Beispiel für einen Abstandssensor. Das Sensorelement 1 des Abstandssensors enthält ein Wandlerelement 25, ein Anregersystem 26 und eine Sensorelektronik. Das Wandlerelement 25 kann ein magnetischer Sensor (z.B. ein Hall-Element), eine Fotodiode, ein Mikrofon, etc. sein. Das Anregersystem 26 kann z.B. ein Biasmagnetsystem für magnetische Abstandssensoren, eine Induktionsspule für induktive Abstandssensoren, eine Schallquelle für Ultraschallabstandssensoren, eine Lichtquelle für optische Abstandssensoren, etc. sein. Die Signalelektronik 27 ist mit dem Wandlerelement 25 gekoppelt und dient der Verstärkung, Stromspannungswandlung, Signalformung, etc. des Signals Sa vom Wandlerelement 25. Das Anregersystem 26 erzeugt eine Wechselwirkung zwischen einem Objekt 22 und dem Wandlerelement 25 in Abhängigkeit des Abstandes x zwischen dem Objekt 22 und dem Wandlerelement 25. Die Sensorelektronik gibt ein entsprechendes Signal S(x) in Abhängigkeit des Abstandes x aus.
Verwendet man z.B. magnetische Abstandssensoren, kann das Wandlerelement 25 einen Magnetfeldsensor und das Anregersystem 26 ein Biasmagnetsystem umfassen. Ist das Objekt 22 ferromagnetisch, verändert sich das am Wandlerelement 25 wirkende Magnetfeld in Abhängigkeit von dem Abstand x des ferromagnetischen Objektes 22. Entsprechend wird ein abstandsabhängiges Signal S(x) ausgegeben.
Verwendet man in einer anderen Ausführungsform induktive Abstandssensoren, kann als Wandlerelement 25 ebenfalls ein Magnetfeldsensor verwendet werden. Als Anregersystem 26 kann z.B. eine Induktionsspule dienen, die in einem leitfähigen Objekt 22 einen Induktionsstrom erzeugt. Dieser induzierte Strom verändert wiederum das Magnetfeld am Wandlerelement 25 in Abhängigkeit vom Abstand x.
Anstatt eines Magnetfeldsensors kann bei Verwendung induktiver Abstandssensoren in weiteren Ausführungsformen auch ein Strommesser, Spannungsmesser, oder Leistungsmesser als Wandlerelement 25 verwendet werden, der den Strom, die Spannung oder die Leistung durch die Induktionsspule des Anregersystems 26 misst. Je nach Abstand x des leitfähigen Objekts 22 von der Induktionsspule des Anregersystems 26 wird ein unterschiedlich starker Strom in dem leitfähigen Objekt 22 induziert und entzieht dem Anregersystem 26 unterschiedlich stark Energie. Dies äußert sich in einer Veränderung des Spulenstroms, der Spulenspannung und Leistung.
Der Vorteil davon ist, dass das Wandlerelement nicht in der Nähe des leitfähigen Objekts 22 oder des Anregungssystems 26 angeordnet werden muss. Eine solche Anordnung kann deshalb bei bestimmten räumlichen Gegebenheiten eingesetzt werden, wo wenig Platz zur Verfügung steht.
Im Falle eines akustischen Wandlerprinzips in einer weiteren Ausführungsform kann das Wandlerelement 25 ein Mikrofon und das Anregersystem 26 ein Lautsprecher sein. Der Lautsprecher erzeugt ein akustisches Signal, das an dem Objekt 22 reflektiert wird. Das Mikrofon 25 nimmt den am Objekt 22 reflektierten Schall auf. Je nach Abstand x verändert sich die Schallintensität am Mikrofon 25. Der Vorteil des akustischen Systems liegt darin, dass das Objekt 22 weder ferromagnetisch noch leitfähig sein muss wie bei den magnetischen bzw. induktiven Abstandssensoren. Zum Beispiel kann beim akustischen Prinzip das Objekt 22 auch aus Keramik oder Kunststoff bestehen.
Im Fall eines optischen Sensorelementes enthält das Sensorelement 1 als Wandlerelement 25 z.B. eine Fotodiode und als Anregersystem 26 eine Lichtquelle wie z.B. eine Leuchtdiode oder einen Laser. Die Fotodiode 25 misst die Intensität des von dem Objekt 22 reflektierten Lichtes aus dem Anregersystem 26. Bei diffus reflektiertem Licht nimmt die Intensität mit dem Abstand x des Objektes 22 ab.
Im Fall von Laserlicht können bei entsprechender Überlagerung des reflektierten Laserstrahls und des emittierten Laserstrahls Interferenzen hervorgerufen werden, wodurch eine abstandsabhängige Modulation der Lichtintensität an der Fotodiode 25 erreicht werden kann. Somit wird ein abstandsabhängiges Signal S (X) erzeugt. Der Vorteil von optischen Abstandssensoren ist, dass optische Elemente leicht verfügbar und preiswert sind.
3 zeigt typische Beispiele für Abstandscharakteristiken S(x) von Abstandssensorelementen (1). Je nach Wandlerelement (25) können die Abstandscharakteristiken S(x) von einer linearen Abstandscharakteristik 100 abweichen. Weicht die Abstandscharakteristik S(x) von einer linearen Abstandscharakteristik 100 ab, wird eine gewünschte Signalform verformt. Wird der Abstand x zum Beispiel sinusförmig variiert, erhält man bei Sensorelementen (1) mit einer nichtlinearen Abstandscharakteristik 101, 102 oder 103 kein reines sinusförmiges Signal S(x) sondern ein sinusförmiges Signal mit sogenannten Oberwellen. Dadurch verschlechtert sich die Genauigkeit bei der Bestimmung des absoluten Drehwinkels.
Die unterschiedlichen Abstandscharakteristiken bergen jedoch auch die Möglichkeit, durch geeignete Kombination von Sensorelementen nichtlineare Effekte und/oder andere Signalstörungen zu kompensieren.
Soll der Drehgeber z.B. als gewünschte Signalform ein sinusförmiges Signal ausgeben, kann z.B. eine Sensoranordnung gemäß 1 verwendet werden. Bei einer nicht zentrisch gelagerten drehbaren Scheibe und einem Abstandssensor mit einer linearen Sensorcharakteristik ist im Idealfall ein sinusförmiges Ausgangssignal zu erwarten. Ist die Abstandscharakteristik S(x) jedoch nicht linear, wie z.B. die Abstandscharakteristiken 101, 102 oder 103 in 3, treten sogenannte Oberwellen im Ausgangssignal auf. Um diese Oberwellen zu vermindern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

(a) die Geometrie des rotierenden Objektes wird derart angepasst, so dass S(x(w)) der gewünschten Signalform entspricht.
(b) die Abstandscharakteristik S (X) des Abstandssensors wird derart modifiziert (z.B. mittels nachfolgender Elektronik, durch Auswahl entsprechender Sensorelemente, durch Anpassen der im Abstandssensor befindlichen Wechselwirkungsquelle, wie z.B. Anregerspule bei induktiven Sensoren oder Biasmagnetsystem bei magnetischen Sensoren, und/oder durch unterschiedliche Abstände der Abstandssensoren), so dass das Signal S(w) der gewünschten Signalform entspricht.
(c) es werden insgesamt n Abstandssensoren bei den Winkeln Wi, den radialen Abständen Ri zu der Drehachse 3 bzw. den axialen Abständen Zi zum Drehmittelpunkt des drehbaren Objekts 62, 72 mit i = 0, 1, ... n derart angeordnet (6 und 7), dass durch Kombinieren der Signale in einer nachgeschalteten Elektronik das Gesamtsignal der gewünschten Signalform entspricht.
(d) durch gezieltes Anordnen zusätzlicher Maßstäbe (drehbare Objekte, nicht gezeigt), welche in ihrer Ausprägung nicht unbedingt identisch zum ersten Maßstab oder untereinander sein müssen, kann durch die kombinierte Wechselwirkung der Abstandssensoren mit den verschiedenen, zum Teil sich gegenseitig beeinflussenden Maßstäben die gewünschte Signalform erreicht werden.

Die 4 und 5 zeigen alternative Ausführungsformen für drehbare Objekte 42, 52 eines Drehgebers im Vergleich zur Ausführungsform von 1. In 4 ist das drehbare Objekt 42 als Ellipse ausgebildet. In 5 ist das drehbare Objekt 52 als zentrisch gelagerte Kreisscheibe ausgebildet, wobei die Kreisscheibe jedoch zur Drehachse 3 geneigt ist.
Die zur Drehachse 3 geneigte Kreisscheibe veranschaulicht auch in vereinfachter Weise eine Abstandscharakteristik eines Gewindeprofils. Ist nämlich ein Teil einer Achse als Gewinde ausgebildet, kann die Gewindestruktur zur drehwinkelabhängigen Abstandsmodulation verwendet werden, ohne dem zusätzlichen Aufwand eines besonders geformten drehbaren Objekts. Die Abstandscharakteristik eines Gewindes wäre dann ähnlich zu der in 5 gezeigten Kreisscheibe, die zur Drehachse geneigt ist.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen Drehgeber, bei dem das drehbare Objekt 62 als nicht zentrisch gelagerte Kreisscheibe 62 ausgebildet ist. Drei verschiedene Sensorelemente 1a, 1b und 1c sind an drei verschiedenen Winkelpositionen mit einem Winkelabstand w1 zwischen den Sensorelementen 1a und 1b und einem Winkel w2 zwischen den Sensorelementen 1a und 1c um das drehbare Objekt 62 angeordnet. Weiterhin sind die Sensorelemente 1a, 1b und 1c in unterschiedlichen Abständen R0, R1 und R2 von der Drehachse 3 angeordnet. Durch Veränderung der Abstände R0, R1 und R2 bzw. der Winkelpositionen w1 und w2 lässt sich die Signalform in weiten Bereichen verändern, so dass eine gewünschte Signalform eingestellt werden kann.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drehgebers, bei dem zwei Sensorelemente 1d und 1e an einer geneigt zur Drehachse 3 gelagerten Kreisscheibe 72 so angeordnet sind, dass sie unterschiedliche Abstände R0 und R1 bzw. mit unterschiedlichen axialen Abständen Z0 und Z1 vom Drehmittelpunkt der Kreisscheibe 72. Auch durch Variation dieser Abstände kann die Signalform weitreichend verändert werden, so dass eine gewünschte Signalform eingestellt werden kann.
Die Ausführungsform von 7 dient auch als modellhafte Veranschaulichung dafür, wie man sich eine Differenzmessung an einem gewindeähnlichen Profil vorzustellen hat. Beträgt z. B. die Steigung des Gewindes 8 mm, kann man zwei Sensorelemente an der selben Winkelposition in einem Abstand von 4 mm in paralleler Richtung zur Gewindesteigung anordnen (veranschaulicht durch geneigte Achse der Scheibe), um zwei zueinander um 180° phasenverschobene Signale zu erhalten. In einem gewindeförmigen Profil ist der Abstand zwischen den zwei Sensorelementen so klein, dass die Feldinhomogenitäten, die durch einen Elektromotor erzeugt werden, vernachlässigbar werden.
Durch Anordnen von weiteren Maßstäben (nicht gezeigt) bzw. Maßstabsensorelementgruppen kann die Präzision der absoluten Winkelbestimmung weiter verbessert werden.
Hervorzuheben ist, dass das winkelabhängige Ausgangssignal S(w) nicht unbedingt durch eine Veränderung des Abstandes zwischen dem Sensorelement und dem Rand des drehbaren Objektes erfolgen muss, sondern auch durch eine winkelabhängige Modulation der physikalischen Eigenschaften des drehbaren Objektes erreicht werden kann, z.B. indem die Leitfähigkeit, die Magnetisierbarkeit, die Reflektivität etc. entlang des Randes des drehbaren Objektes erreicht werden kann.
Alles was in Bezug auf Abstandscharakteristiken von Sensorelementen und entsprechende Einflüsse auf deren Signale in den besprochenen Ausführungsformen gesagt wurde, ist in allgemeiner Form auf Wechselwirkungscharakteristiken zwischen einem Sensorelement und einem drehbaren Objekt übertragbar, und sollte deshalb nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform mit einem Abstandssensor als Sensorelement beispielhaft beschrieben. Fachleute auf diesem Gebiet werden in Kenntnis der vorliegenden Erfindung und Beschreibung zusätzliche Abänderungen, Anwendungen und Ausführungsformen erkennen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird deshalb allein durch den Inhalt der Patentansprü che definiert und soll nicht auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt werden.

Claims

Drehgeber mit mindestens einem drehbaren Objekt (2, 42, 52, 62, 72) und mindestens einem Sensorelement (1), wobei das Sensorelement (1) ein analoges Signal (S(w)) in Abhängigkeit von der Drehposition (w) des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72) relativ zu dem Sensorelement (1) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Leitfähigkeit, eine Dielektrizitätskonstante, eine Magnetisierbarkeit, ein magnetisches Moment und/oder ein Abstand zwischen dem Sensorelement (1) und einer Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72), über die eine magnetische, induktive und/oder kapazitive Wechselwirkung mit dem Sensorelement (1) erfolgt, winkelabhängig in Bezug auf eine Drehachse (3) des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72) kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert, so dass das Sensorelement (1) das Signal (S(w)) mit einer gewünschte Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt (2, 42, 52, 62, 72) relativ zu dem Sensorelement (1) dreht, wobei das Sensorelement (1) ein Wandlerelement (25) und ein Anregersystem (26) enthält, wobei das von dem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) so beeinflusst wird, dass das von dem Sensorelement (1) ausgegebene Signal (S(w)) die gewünschte Signalform aufweist, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.
Drehgeber nach Anspruch 1, wobei das von dem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) durch eine nachgeschaltete Elektronik (27) modifiziert wird.
Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, wobei das von dem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) durch Anpassen einer Wechselwirkungscharakteristik, die den Zusammenhang zwischen dem von dem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) und der Drehposition (w) beschreibt, modifiziert wird.
Drehgeber nach Anspruch 3, worin die Wechselwirkungscharakteristik bei induktiver Wechselwirkung durch eine Form und/oder eine Anordnung von mindestens einer Erregerspule, und/oder einen Anregungsstrom, und/oder einen Abstand modifiziert wird.
Drehgeber nach Anspruch 3, worin die Wechselwirkungscharakteristik bei magnetischer Wechselwirkung durch eine Vormagnetisierung oder ein Bias-Magnetsystem und/oder einen Abstand modifiziert wird.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die gewünschte Signalform einen sinusförmigen, einen dreiecksförmigen oder sägezahnförmigen Verlauf aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 6, wobei das Signal (S(w)) für ein gewünschtes sinusförmiges Signal einen Klirrfaktor kleiner als 0,25% aufweist.
Drehgeber nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens zwei Sensorelemente (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) an mindestens zwei verschiedenen Winkelpositionen (w1, w2) bezüglich des drehbaren Objektes (62, 72) angeordnet sind.
Drehgeber nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens zwei Sensorelemente (1d, 1e) mit mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungscharakteristiken und/oder mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungsarten angeordnet sind.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die mindestens zwei Sensorelemente (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) so angeordnet sind, dass der Drehgeber zwei unabhängige Signale mit einer Phasenverschiebung ausgibt.
Drehgeber nach einem der vorherigen Ansprüche, der mindestens eine zweite Einheit bestehend aus mindestens einem drehbaren Objekt und mindestens einem Sensorelement aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 11, bei dem die mindestens zwei Einheiten mindestens zwei unabhängige Signale mit der gewünschten Signalform liefern.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 8 bis 12, worin die Signale der Sensorelemente (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) so kombiniert werden, dass sich die gewünschte Signalform ergibt, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.
Drehgeber nach Anspruch 13, wobei die Kombination durch Differenzbildung erfolgt.
Drehgeber nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Drehgeber mindestens zwei drehbare Objekte aufweist, die unterschiedliche Wechselwirkungscharakteristiken hinsichtlich mindestens einem Sensorelement aufweisen.
Drehgeber nach Anspruch 15, wobei die mindestens zwei drehbaren Objekte so ausgelegt sind, dass sich die Wechselwirkungscharakteristiken so überlagern, dass sich die gewünschte Signalform ergibt, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1–16, wobei das drehbare Objekt (2, 62) eine exzentrisch gelagerte Kreisscheibe ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1–16, wobei das drehbare Objekt (42) eine ellipsenförmige Scheibe ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1–16, wobei das drehbare Objekt (52, 72) eine zur Drehachse (3) geneigt gelagerte Kreisscheibe ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1–16, wobei die Umfangsoberfläche des drehbaren Objekts ein gewindeförmiges Profil aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 20, wobei das gewindeförmige Profil auf der Mantelfläche einer zentral gelagerten Kreisscheibe liegt.
Drehgeber nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das drehbare Objekt (2, 42, 52, 62, 72) so gestaltet ist, dass Nichtlinearitäten des Sensorelements (1) zumindest teilweise kompensiert werden um die gewünschte Signalform zu erhalten.
Drehgeber mit mindestens einem drehbaren Objekt (2, 42, 52, 62, 72) und mindestens einem Sensorelement (1), wobei das Sensorelement (1) ein analoges Signal in Abhängigkeit von der Drehposition (w) des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72) relativ zu dem Sensorelement (1) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) ein Abstandssensor, der auf induktiven, magnetischen und/oder kapazitiven Wirkprinzipien beruht, ist, und dass die Geometrie des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72) so ausgebildet ist, dass sich der Abstand (x) zwischen dem Sensorelement (1) und der Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72) winkelabhängig zwischen 0° und 360° ändert, so dass das Sensor element (1) das Signal (S(w)) mit einer gewünschte Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt (2, 42, 52, 62, 72) relativ zu dem Sensorelement (1) dreht, wobei das Sensorelement (1) ein Wandlerelement (25) und ein Anregersystem (26) enthält, wobei das von einem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) so beeinflusst wird, dass das von dem Sensorelement (1) ausgegebene Signal (S(w)) die gewünschte Signalform aufweist, wobei Störeinflüsse kompensiert werden..
Drehgeber nach Anspruch 23, wobei das von dem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) durch eine nachgeschaltete Elektronik (27) modifiziert wird.
Drehgeber nach Anspruch 23 oder 24, wobei das von dem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) durch Anpassen einer Wechselwirkungscharakteristik, die den Zusammenhang zwischen dem von dem Wandlerelement (25) ausgegebene Signal (Sa) und der Drehposition (w) beschreibt, modifiziert wird.
Drehgeber nach Anspruch 25, worin die Wechselwirkungscharakteristik bei induktiver Wechselwirkung durch eine Form und/oder eine Anordnung von mindestens einer Erregerspule, und/oder einen Anregungsstrom, und/oder einen Abstand modifiziert wird.
Drehgeber nach Anspruch 25, worin die Wechselwirkungscharakteristik bei magnetischer Wechselwirkung durch eine Vormagnetisierung oder ein Bias-Magnetsystem und/oder einen Abstand modifiziert wird.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–27, wobei die gewünschte Signalform einen sinusförmigen, einen dreiecksförmigen oder sägezahnförmigen Verlauf aufweist.
Drehgeber nach -Anspruch 28, wobei das Signal (S(w)) für ein gewünschtes sinusförmiges Signal einen Klirrfaktor kleiner als 0,25% aufweist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–29, wobei mindestens zwei Sensorelemente (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) an mindestens zwei verschiedenen Winkelpositionen (w1, w2) bezüglich des drehbaren Objektes (62, 72) angeordnet sind.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–30, wobei mindestens zwei Sensorelemente (1d, 1e) mit mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungscharakteristiken und/oder mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungsarten angeordnet sind.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 30 oder 31, wobei die mindestens zwei Sensorelemente (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) so angeordnet sind, dass der Drehgeber zwei unabhängige Signale mit einer Phasenverschiebung ausgibt.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–32, der mindestens eine zweite Einheit bestehend aus mindestens einem drehbaren Objekt und mindestens einem Sensorelement aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 33, bei dem die mindestens zwei Einheiten mindestens zwei unabhängige Signale mit der gewünschten Signalform liefern.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 30 bis 34, worin die Signale der Sensorelemente (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) so kombiniert werden, dass sich die gewünschte Signalform ergibt, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.
Drehgeber nach Anspruch 35, wobei die Kombination durch Differenzbildung erfolgt.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–36, wobei das drehbare Objekt (2, 62) eine exzentrisch gelagerte Kreisscheibe ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–36, wobei das drehbare Objekt (42) eine ellipsenförmige Scheibe ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–36, wobei das drehbare Objekt (52, 72) eine zur Drehachse geneigt gelagerte Kreisscheibe ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–36, wobei die Umfangsoberfläche des drehbaren Objekts ein gewindeförmiges Profil aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 40, wobei das gewindeförmige Profil auf der Mantelfläche einer zentral gelagerten Kreisscheibe liegt.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 23–41, wobei das drehbare Objekt (2, 42, 52, 62, 72) so gestaltet ist, dass Nichtlinearitäten des Sensorelements (1) zumindest teilweise kompensiert werden um die gewünschte Signalform zu erhalten.