DE102005042616B4

DE102005042616B4 - Drehstellungssensor

Info

Publication number: DE102005042616B4
Application number: DE200510042616
Authority: DE
Inventors: Michael Bögl
Original assignee: Bourns Inc
Current assignee: Bourns Inc
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: DE102005042616A1

Abstract

Drehstellungssensor mit zwei Mustern (2, 4) in Form von Abschnitten archimedischer Spiralen, die in konzentrischen um einen Mittelpunkt (5) angeordneten Ringen (1, 3) gleichmäßig verteilt sind, wobei die Anzahl der Abschnitte von Spiralen (2, 4) in den beiden Ringen (1, 3) um 1 verschieden ist, und mit mindestens einem Paar von den Mustern (2, 4) zugeordneten Sensoren (6, 7), die relativ zu den Mustern um eine durch den Mittelpunkt (5) verlaufende Achse drehbar sind und bei Drehung je ein periodisches Ausgangssignal erzeugen, wobei die elektrischen Ausgangssignale der Sensoren (6, 7) eines Paares gemeinsam ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass längs einer durch den Mittelpunkt (5) verlaufenden Linie (8) nur ein Paar von Sensoren (6, 7) derart angeordnet ist, dass beide Sensoren (6, 7) des Paares diametral dem Mittelpunkt (5) gegenüberliegen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehstellungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solcher Drehstellungssensor ist aus der DE 103 09 027 A1 und der DE 100 38 296 A1 bekannt. Dort ist eine absolut messende Winkelmeßeinrichtung mit einer drehbaren Scheibe beschrieben, die stirnseitig mindestens zwei magnetisch abtastbare periodische Muster trägt, die aus mindestens zwei konzentrischen Ringen untereinander äquidistanter Abschnitte archimedischer Spiralen bestehen, wobei jedem der Ringe mindestens ein Sensor bzw. Abtastkopf zugeordnet ist. Die Anzahl der Abschnitte archimedischer Spiralen in den beiden Ringen ist um 1 verschieden, so daß bei einer vollen Umdrehung um 360° beide Sensoren eine um 1 verschiedene Anzahl von Perioden liefern.
Zur Kompensation von Exzentrizitätsfehlern können weitere Sensoren vorgesehen sein, welche die beiden Muster abtasten, wobei diese zusätzlichen Sensoren paarweise auf einem gemeinsamen Radius liegen und gegenüber dem ersten Paar von Sensoren diametral gegenüberliegen.
Bei den beiden o. g. Drehstellungssensoren sind die Muster magnetische Strukturen. Als Sensoren können bekannte AMR- oder GMR-Sensoren verwendet werden, die im Ergebnis ein von der Richtung des abgetasteten Magnetfeldes abhängiges Signal liefern.
Die archimedische Spirale wird – wie allgemein bekannt – nach dem Bildungsgesetz R = c·Φ/2π gebildet mit R = Radius, Φ = Winkel und c = Steigung der Spiralen. Der Radius der Punkte auf der Spirale nimmt also linear mit dem Drehwinkel zu.
Bei den bekannten Winkelmeßeinrichtungen der oben geschilderten Art liegen die beiden Sensoren eines Paares, deren Ausgangssignale gemeinsam ausgewertet werden, für die beiden Ringe vom Mittelpunkt der konzentrischen Kreise aus gesehen auf einer Seite.
In der Praxis muß zur Messung der Drehstellung einer sich drehenden Welle eine der Komponenten, d. h. die Scheibe mit den Mustern oder ein Träger mit den Sensoren an der drehbaren Welle befestigt werden, während die andere Komponente drehfest gehalten ist. Aufgrund eines radialen Lagerspieles können Meßfehler auftreten, da eine radiale Verschiebung zwischen Sensoren und Mustern eine Änderung des Ausgangssignals der Sensoren bewirkt. Somit läßt sich bei dieser Anordnung nicht unterscheiden, ob eine Signaländerung durch Änderung der Drehstellung oder relative radiale Verschiebung zwischen Sensoren und Mustern verursacht ist.
Die EP 0 991 918 B1 beschreibt einen Drehstellungssensor mit zwei optisch abtastbaren Mustern, von denen eines eine Referenzspur bildet, die als Kreis um den Mittelpunkt ausgebildet ist, während die zweite Spur eine eingängige Spirale ist. Eine CMOS-Sensorzeile erfaßt dabei den Abstand der beiden abgetasteten Spuren, der linear vom Drehwinkel abhängt. Um die beiden Spuren abtasten zu können, hat die CMOS-Sensorzeile zu jedem Zeitpunkt zwei aktive Sensoren, die innerhalb der Zeile auf einem Radius liegen. Zur Kompensation von Exzentrizitätsfehlern kann diametral gegenüberliegend zu der ersten Sensorzeile eine zweite Sensorzeile vorgesehen sein, die in gleicher Weise aufgebaut ist und deren aktive Sensoren somit ebenfalls auf einem gemeinsamen Radius liegen.
Die DE 39 14 557 A1 zeigt eine Positionsmeßeinrichtung mit einem Hauptsensor, der zwei um 90° phasenverschobene Signale erzeugt und drei um jeweils 90° versetzt angeordnete Nebensensoren, die ebenfalls je zwei um 90° phasenverschobene Signale erzeugen.
Die DE 199 42 901 A1 zeigt einen Rotationssensor mit einem drehbaren scheibenförmigen Teil und einem stationären Teil, die mit Schleiferkontakten in Berührung stehen. Das drehbare Teil ist am fest stehenden Teil in einer als Axial- und Radiallager ausgebildeten Halterung geführt, wobei das drehbare Teil durch ein elastisches Element gegen das stationäre Teil gedrückt wird, wodurch Kipp- und Axialfehler kompensiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Drehstellungssensor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß Meßfeh ler aufgrund relativer radialer Verschiebung zwischen Sensoren und Mustern weitestgehend eliminiert werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung liegt darin, die beiden ein Paar bildenden Sensoren diametral gegenüberliegend zum Mittelpunkt anzuordnen. Eine radiale Relativverschiebung zwischen Sensoren und Mustern längs der Linie, auf der die Sensoren des Paares liegen, führt bei dem einen Sensor zu einer Veränderung des Ausgangssignals in einer ersten Richtung und bei dem zweiten Sensor zu einer Veränderung des Ausgangssignals in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Somit kompensieren sich Meßfehler gegenseitig und die Meßgenauigkeit des Drehstellungssensors wird erhöht.
Die genannte Kompensation des Neufehlers wirkt im Prinzip hauptsächlich bei der genannten Relativverschiebung längs der Linie, auf der die Sensoren eines Paares angeordnet sind. In davon abweichenden Richtungen wird die genannte Kompensation geringer in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der die beiden Sensoren verbindenden Linie und der Richtung der Radialverschiebung. Beträgt dieser Winkel 90°, so ist der Effekt der Kompensation unwirksam.
Um Meßfehler bei radialer Verschiebung in allen Richtungen kompensieren zu können, sieht eine erste Weiterbildung der Erfindung vor, mehrere Paare, insbesondere zwei oder drei Paare von Sensoren zu verwenden, die ebenfalls ausgehend vom Mittelpunkt der konzentrischen Ringe auf einer Seite liegen, die jedoch in äquidistanten Abständen an den Ringen versetzt angeordnet sind, also bei zwei Sensorpaaren um 90°, bei drei Sensorpaaren um 120° usw.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, die Lagerung zwischen den Sensoren und den Mustern so auszugestalten, daß ein radiales Lagerspiel nur in einer Richtung zugelassen ist, wobei dann die beiden Sensoren in Richtung des zugelassenen Lagerspieles ausgerichtet sind. Konstruktiv kann dies dadurch gelöst werden, daß die Sensoren und die Muster federelastisch in einer Richtung vorgespannt sind, so daß in dieser Richtung in der Praxis dann kein Lagerspiel auftreten kann.
Die Sensoren eines Paares liefern in der Praxis ein sinusförmiges und ein kosinusförmiges Ausgangssignal oder je nach Sensortyp auch ein sägezahnförmiges Ausgangssignal mit einer um 1 verschiedenen Anzahl von Perioden bei einer vollen Umdrehung um 360°, die dann in bekannter Weise ausgewertet werden können, wie es beispielsweise in der DE 197 47 753 C1 beschrieben ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
1 eine Prinzipskizze des Drehstellungssensors mit einem Paar von Sensoren in Draufsicht;
2 eine Prinzipskizze ähnlich 1 mit zwei Paaren von Sensoren;
3 eine Ansicht ähnlich 1 mit drei Paaren von Sensoren; und
4 eine Prinzipskizze eines Drehstellungssensors im Querschnitt nach einer Weiterbildung der Erfindung.
In 1 ist ein erster Ring 1 zu sehen, der ein Muster 2 in Form einer Anzahl n von Abschnitten archimedischer Spiralen 2 aufweist, die in äquidistanten Abständen rings um den Ring verteilt angeordnet sind. Diese archimedischen Spiralen 2 sind hier auf eine ebene Scheibe aufgedruckte magnetisierte Bahnen. Die grundlegende Eigenschaft einer archimedischen Spirale liegt darin, daß sich ihr Radius ausgehend von einem Mittelpunkt linear mit dem Winkel ändert.
Ein zweiter Ring 3 mit einem ähnlichen Muster 4 liegt konzentrisch zu dem ersten Ring 1, d. h. beide Ringe haben einen gemeinsamen Mittelpunkt 5. Die Anzahl der Spiralen 4 des zweiten Ringes 3 unterscheidet sich um 1 von der Anzahl n der Spiralen 2 des ersten Ringes 1. Sie beträgt also n + 1 oder n – 1.
Die einzelnen Abschnitte der Spiralen 2 und 4 sind magnetisiert und erzeugen damit ein sie umgebendes Magnetfeld, das durch Sensoren 6 und 7 abgetastet wird. Ein erster Sensor 6 ist dem Muster 2 des ersten Ringes 1 zugeordnet. Der zweite Sensor 7 ist dem Muster 4 des zweiten Ringes 3 zugeordnet. Die beiden Sensoren 6 und 7 bilden ein Paar in dem Sinne, das ihre elektrischen Ausgangssignale gemeinsam ausgewertet werden. Die Abschnitte der Spiralen 2 und 4 haben gleichen Drehsinn. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Abschnitten von Spiralen erzeugt der Sensor 6 bei einem vollen Umlauf von 360° ein Ausgangssignal mit n-Perioden, während der Sensor 7 ein Signal mit n + 1 oder n – 1 Perioden erzeugt, so daß in bekannter Weise eine sehr genaue Auswertung der Signale vorgenommen werden kann.
Beide Sensoren 6 und 7 liegen auf einer gemeinsamen Linie 8, die durch den Mittelpunkt 5 der Ringe 1 und 3 und der Spiralen 2 und 4 geht. Nach der Erfindung ist nun vorgesehen, daß die beiden Sensoren 6 und 7 gegenüber dem Mittelpunkt 5 diametral gegenüberliegend angeordnet sind, also vom Mittelpunkt 5 aus längs der Linie 8 gesehen auf zwei gegenüberliegenden Seiten liegen.
Hierdurch werden Meßfehler aufgrund einer radialen Verschiebung der beiden Sensoren 6 und 7 längs der Linie 8 weitestgehend kompensiert, wobei noch darauf hinzuweisen ist, daß die beiden Sensoren 6 und 7 an einem gemeinsamen Träger (nicht dargestellt) gehalten sind und damit eine gleichsinnige radiale Verschiebung erfahren.
Es sei jetzt angenommen, daß die Sensoren 6 und 7 in 1 radial längs der Linie 8 nach oben in Richtung des Pfeils P verschoben werden. Der Sensor 6 tastet die Spiralen 2 ab und erkennt, daß sich bei dieser Bewegung ihr Radius vom Mittelpunkt 5 aus vergrößert, was einer Drehung der Sensoren im Uhrzeigersinn entspricht. Der Sensor 7 wird bei dieser radialen Bewegung in Richtung des Pfeils P auf den Mittelpunkt 5 hinbewegt, so daß er eine Verkleinerung des Radius der Spiralen detektiert und damit eine Signaländerung entgegengesetzt der Signaländerung des ersten Sensors 6 ausgibt. Je nach aktueller Phasenlage kompensieren sich solche durch radiale Verschiebung der Sensoren verursachte Änderungen des Ausgangssignals ganz oder teilweise.
Aus obigem ist ersichtlich, daß diese Kompensation nur dann optimal ist, wenn die an sich unerwünschte radiale Verschiebung längs der Linie 8 erfolgt. Bei einer radialen Verschiebung quer dazu, also längs der senkrecht zur Linie 8 stehenden Linie 9, würden beide Sensoren 6 und 7 eine Signaländerung im gleichen Sinne erfahren, also beispielsweise bei einer Bewegung nach rechts in 1 eine Vergrößerung des Radius der Spiralen 2 und 4 feststellen.
Um auch solche Fehler feststellen und eliminieren zu können, sieht das Ausführungsbeispiel der 2 vor, zwei Sensorpaare, nämlich das erste Paar der Sensoren 6 und 7 und ein zweites Paar von Sensoren 10 und 11 zu verwenden, die paarweise längs den Linien 8 und 9 ausgerichtet sind, wobei diese Linien rechtwinklig zueinanderstehen. Auch beim zweiten Paar der Sensoren 10 und 11 sind diese diametral zum Mittelpunkt 5 gegenüberliegend angeordnet. Eine radiale Verschiebung der Sensoren 10 und 11 in Richtung der Linie 9 würde an den Sensoren 10 und 11 zu anderen Ausgangssignalen führen als an den Sensoren 6 und 7, woraus erkannt werden kann, daß eine radiale Verschiebung vorliegt und keine Drehung.
Im Ausführungsbeispiel der 3 sind drei Sensorpaare gezeigt, nämlich das erste Paar der Sensoren 6 und 7, ein zweites Paar von Sensoren 12 und 13 und ein drittes Paar von Sensoren 16 und 17, die jeweils längs der Linien 8, 14 und 17 angeordnet sind, wobei diese drei Linien jeweils um 60° gegeneinander versetzt sind. Hierdurch kann eine noch feinere Auswertung erfolgen.
Eine weitere Variante mit nur einem Sensorpaar entsprechend 1 sieht vor, ein radiales Lagerspiel zwischen einem Träger der Sensoren 6 und 7 und einem Träger der Ringe 1 und 3 nur in Richtung der Linie 8 zuzulassen, indem die beiden genannten Träger in Richtung der Linie 9 durch Federkraft gegeneinander verspannt werden. Dies ist schematisch in 4 dargestellt.
Die beiden Ringe 1 und 3 sind auf eine ebene Scheibe 18 aufgebracht, die drehfest mit einer Welle 19 verbunden ist. Die Scheibe 18 ist in einem Gehäuse 20 angeordnet, durch welches die Welle 19 hindurchgesteckt ist. An dem Gehäuse sind die Sensoren 6 und 7 angebracht, die in gestrichelten Linien angedeutet sind, da sie in dieser Darstellung an sich nicht sichtbar sind, weil sie außerhalb der Zeichenebene liegen. Das Gehäuse 20 ist an einem Bauteil 21 drehfest gehalten, jedoch durch eine Kulissenführung 22 in Form eines geradlinigen Schlitzes und einem mit dem Gehäuse 20 verbundenen Führungsstift 23 linear längs der Linie 9 und damit radial gegenüber dem Mittelpunkt 5 verschieblich, wobei zum Eliminieren eines Lagerspieles in Richtung der Linie 9 die Scheibe 18 und das Gehäuse 20 durch eine Feder 24 gegeneinander verspannt sind. Damit werden radiale Verschiebungen in der Ebene der Scheibe 18 nur noch in Richtung senkrecht zur Linie 9, also in Richtung der Linie 8 der 1 zugelassen.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß 4 eine rein schematische Darstellung ist und lediglich das Prinzip verdeutlichen soll.

Claims

Drehstellungssensor mit zwei Mustern (2, 4) in Form von Abschnitten archimedischer Spiralen, die in konzentrischen um einen Mittelpunkt (5) angeordneten Ringen (1, 3) gleichmäßig verteilt sind, wobei die Anzahl der Abschnitte von Spiralen (2, 4) in den beiden Ringen (1, 3) um 1 verschieden ist, und mit mindestens einem Paar von den Mustern (2, 4) zugeordneten Sensoren (6, 7), die relativ zu den Mustern um eine durch den Mittelpunkt (5) verlaufende Achse drehbar sind und bei Drehung je ein periodisches Ausgangssignal erzeugen, wobei die elektrischen Ausgangssignale der Sensoren (6, 7) eines Paares gemeinsam ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass längs einer durch den Mittelpunkt (5) verlaufenden Linie (8) nur ein Paar von Sensoren (6, 7) derart angeordnet ist, dass beide Sensoren (6, 7) des Paares diametral dem Mittelpunkt (5) gegenüberliegen.
Drehstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein Paar von Sensoren (6, 7; 10, 11; 12, 13; 15, 16) gleichmäßig verteilt gegenüberliegend den Ringen (1, 3) angeordnet sind.
Drehstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Muster (2, 4) tragende Scheibe (18) gegenüber einer Halterung (20) der Sensoren (6, 7) durch eine Feder (24) in einer Richtung (9) vorgespannt ist, die senkrecht zu einer die beiden Sensoren (6, 7) eines Paares verbindenden Linie (8) angeordnet ist.