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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung eines metallischen Auslösers sowie ein diesbezügliches Verfahren gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 17.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise ein gattungsgemäßes Verfahren wird in der
DE 100 44 839 A1 beschrieben. Dort wirken zwei keilförmig ausgebildete Spulen mit einem Auslöser zusammen. Die beiden Spulen sind Teil einer Brückenschaltung, die ein Differenzsignal in Beziehung setzt.
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Die
DE 1 284 101 A beschreibt eine zwei Spulen aufweisende Vorrichtung zur berührungslosen Verschiebungsmessung eines Auslösers. Die Spulen sitzen auf in unterschiedlichen Richtungen zur Verlagerungsrichtung geneigten Polschuhen. Bei einer Verlagerung des Auslösers ändern sich die relativen Induktivitäten. Sie sind ein Maß für den Verlagerungsweg. Die Auswertung erfolgt durch eine Differenz beziehungsweise Summenbildung der Ströme beziehungsweise der Frequenzen.
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Aus der
EP 1 158 266 B1 ist eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen eines Wegmesssystems bekannt.. Die
5 dieser Druckschrift beschreibt eine Anordnung, die aus zwei Näherungsschaltern besteht. Die Näherungsschalter bilden jeweils Stirnflächen aus. Diese sind voneinander beabstandet, so dass die beiden Näherungsschalter in einer gemeinsamen Achse liegen. Diese beiden Näherungsschalter bilden eine Sensoranordnung. Zwischen den Näherungsschaltern befindet sich eine dreieckige Metallfläche, die eine Auslöserfläche bildet und die gegenüber der Sensoranordnung beweglich ist. Der wirksame Bereich der Dreiecksflächen in Richtung quer zur Bewegungsrichtung variiert. Damit variiert auch die elektromagnetische Ankopplung der Dreiecksfläche an den Näherungsschalter. Der Näherungsschalter ist somit in der Lage, ein eindeutiges Signal hinsichtlich der Lageveränderung des Auslösers zu geben. Die elektromagnetische Ankopplung ändert sich aber auch, wenn die Dreiecksfläche sich in Richtung auf der Achse der Näherungsschalter verlagert. Um dies zu kompensieren, arbeitet die dort beschriebene Vorrichtung mit zwei Näherungsschaltern. Durch eine Differenzauswertung lässt sich die Abstandsabhängigkeit der Näherungsschaltersignale kompensieren. Die Summenauswertung der Signale ermöglicht die direkte Bestimmung des Abstandes. Mittels einer Erregerspule der Näherungsschalter wird ein elektromagnetisches Wechselfeld aufgebaut. Dieses induziert in den Empfangsspulen der Näherungsschalter Spannungen. Aus diesen Wechselspannungen werden Ausgangssignale gewonnen.
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Aus der
EP 1 442 273 B1 ist ein Sensorgerät vorbekannt. Durch Anlegung eines Erregungssignals an eine Erregerspule wird in einer Sensorspule ein Signal erzeugt. Dieses wird über einen Resonator elektromagnetisch in die Erregerspule gekoppelt. Durch Modulieren des oszillierenden Trägersignals durch ein Modulationssignal mit niedrigerer Frequenz durch Bilden des Erregungssignals anstelle eines Modulierens des in der Sensorspule induzierten Signals ist der Sensor zum Einsatz digitaler Verarbeitungstechniken sowohl zum Erzeugen des Erregungssignals als auch zum Verarbeiten des in der Sensorspule induzierten Signals geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung beziehungsweise das eingangs genannte Verfahren hinsichtlich des Einflusses von Positionstoleranzen eines Auslösers robuster auszugestalten.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 beziehungsweise 17 angegebene Erfindung. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen.
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Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass aus den Ausgangssignalen der beiden Spulen ein Summenwert gebildet wird, durch den der Wert jedes Ausgangssignals dividiert wird. Hierdurch erfolgt eine Kompensation eines Einflusses der Variation des Abstandes des Auslösers auf die Sensoranordnung. Die Ausgangssignale der beien Spulen ändern sich bei der Relativbewegung entgegengesetzt zueinander. Die Vorrichtung besitzt mindestens zwei Spulen. Wird der Auslöser verlagert, so ändert sich die elektromagnetische Ankopplung in Bezug auf die eine Spule dahingehend, dass das Ausgangssignal vergrößert wird. Die elektromagnetische Ankopplung ändert sich in Bezug auf die andere Spule dahingehend, dass die Ausgangsspannung absinkt. Dies kann konstruktiv auf unterschiedliche Weise erfolgen. So kann bspw. der Auslöser zwei voneinander getrennte Auslöserflächen ausbilden, die bspw. eine Keilform besitzen. Die beiden Keile können entgegengerichtet nebeneinander angeordnet sein. Die Keilflächen wirken mit je einer Sensorfläche einer Spule zusammen. Wird die aus den beiden Spulen bestehende Sensoranordnung relativ in Bezug auf die Keilflächen verlagert, so vergrößert sich bzw. verkleinert sich die wirksame Metallfläche, die im Einflussbereich der jeweiligen Spule liegt. Dies hat eine gegensinnige Änderung der magnetischen Ankopplung zur Folge. Die Anordnung kann bevorzugt so ausgebildet sein, dass sich die Summe der beiden Ausgangssignale bei gleichbleibendem Abstand zwischen Sensoranordnung und Auslöser nicht ändert. Die Summe der beiden Sensorsignale ist dann ein direkter Wert für den Abstand. Wird der Wert eines Ausgangssignals durch diesen Summenwert dividiert, so handelt es sich um einen abstandskompensierten, normierten Wert für die Relativverlagerung. Bevorzugt handelt es sich bei der Erfindung um einen Drehwinkelgeber. Die zuvor beschriebenen Dreiecks- oder Keil-Flächen können auf der Mantelwandung eines Zylinders angeordnet sein. Die Sensoranordnung ist so ausgebildet, dass die beiden Spulen bei einer Drehung des Zylinders die beiden keilförmigen Metallflächen abtasten können. Das abstandskompensierte Ausgangssignal eines jeden Sensors ist somit ein
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Wert für den Drehwinkel des Zylinders. Die Sensorflächen der Spulen der Sensoranordnung liegen bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene. Bei den Spulen kann es sich um Planarspulen handeln. Die Spulen können von Leiterplatten ausgebildet sein. Die Wicklungen der Spulen sind aufgedruckte spiralförmige Strukturen auf der Leiterplatte. Beide Spulen können einer gemeinsamen Leiterplatte zugeordnet sein. Auf dieser Leiterplatte kann auch eine Erregerspule angeordnet sein, die von einem Oszillator mit einer Wechselspannung bestromt wird. Die Erregerspule erzeugt somit ein elektromagnetisches Wechselfeld. Die beiden Spulen liegen in dem elektromagnetischen Wechselfeld, wobei die Ankopplung an das elektromagnetische Wechselfeld von der Lage des Auslösers abhängt. In den beiden Spulen werden elektrische Wechselspannungen induziert, deren Höhe von der Position des Auslösers abhängt. Die beiden Spulen können aber auch jeweils einem Näherungsschalter zugeordnet sein. Jeder Näherungsschalter kann eine ihm zugeordnete Erregerspule aufweisen, die ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Frequenz der beiden elektromagnetischen Wechselfelder braucht nicht dieselbe zu sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die beiden Flächen der Spulen von verschiedenen Abschnitten einer Metallfläche eines Auslösers bereichsweise überlappt. Bewegt sich, insbesondere dreht sich, der Auslöser in Bezug auf die Sensoranordnung, so ändern sich die Überlappungsflächen der beiden Spulen entgegengesetzt. Während sich der Überlappungsbereich des Auslösers mit einer Spule vergrößert, verkleinert sich der Überlappungsbereich mit der anderen Spule. Die Auslöserfläche verläuft auch hierbei parallel zu den Spulenflächen. Als Auslöser kommt ein Blech in Betracht. Bei einer ähnlich gestalteten Variante kann der Auslöser in einer mittleren Neutralstellung zwischen den beiden Spulen angeordnet sein. Auch hier werden Planarspulen wegen ihrer größeren Homogenität im Nahbereich bevorzugt. Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Spulen dicht nebeneinander liegen. Die Spulen besitzen eine langgestreckte Randkante. Die Randkanten dieser beiden Spulen verlaufen parallel zueinander. Im Bereich zwischen diesen Randkanten liegt die Drehachse eines aus einem Metallblech bestehenden Auslösers. Die Erstreckungsebene des Auslösers verläuft parallel zur Erstreckungsebene der beiden in einer Ebene liegenden Spulen. Die beiden Spulen können jeweils eine Halbkreisform aufweisen. Die Spulen sind bevorzugt so relativ zueinander angeordnet, dass sie insgesamt im Wesentlichen eine Kreisfläche ausfüllen. Der Auslöser kann eine Halbkreisform besitzen. Die Drehachse des Auslösers kann im Zentrum des Kreises liegen. Wird der Auslöser gedreht, so ändern sich die Überlappungsflächen entgegengesetzt. Die Überlappungsfläche mit der einen Spule vergrößert sich. Die Überlappungsfläche mit der anderen Spule verringert sich. Mit einer derartigen Anordnung ist die Bestimmung einer Rotation über einen Winkelbereich von 180° möglich. Ein zweites, gleich oder ähnlich ausgebildetes Spulenpaar kann axial versetzt zum ersten Spulenpaar und um 90° gedreht dazu vorgesehen sein. Mit einer derartigen Vorrichtung, die insgesamt aus vier Spulen besteht, können Rotationswinkel von 0° bis 360° gemessen werden. Die Ausgangssignale der Spulen sind zunächst Wechselspannungen, deren Höhe von der Größe der elektromagnetischen Ankopplung an den Auslöser abhängt. Diese Wechselspannungen werden gleichgerichtet, wobei bevorzugt phasengekoppelte Gleichrichter verwendet werden, in die das Wechselspannungssignal des die Erregerspule bestromenden Oszillators eingekoppelt werden. Diese gleichgerichteten Ausgangssignale werden einem Mikroprozessor zugeleitet, der in geeigneter Weise Summen- bzw. Differenzsignale bildet und insbesondere die gleichgerichteten Ausgangssignale durch Division durch den Summenwert normiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nochfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelgebers in einer schematischen Darstellung,
- 2 eine Darstellung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels mit abgewickelter Zylindermantelfläche,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht,
- 4 das Ausführungsbeispiel gemäß 3 in der Seitenansicht,
- 5 ein Ausführungsbeispiel ähnlich 3,
- 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer ersten Betriebsstellung,
- 7 das Ausführungsbeispiel gemäß 6 in einer zweiten Betriebsstellung,
- 8 das Ausführungsbeispiel gemäß 6 in der Rückansicht und
- 9 ein Schaltungsbeispiel.
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Die 1 und 2 zeigen einen Drehwinkelgeber. Der Auslöser besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Auslöserflächen 1, 2, die jeweils von dreieckigen Metallblechen gebildet sind. Die Metallbleche sind in Umfangsrichtung auf der Außenmantelfläche eines Zylinders aufgebracht, der um die Achse 5 drehbar ist. Die Auslöserflächen 1, 2 sind in entgegengerichteter Orientierung auf der Mantelfläche aufgebracht. Aus der in 2 dargestellten Abwicklung der Zylindermantelfläche ist zu entnehmen, dass die untere Auslöserfläche von links nach rechts an Breite zunimmt. Die obere Auslöserfläche 1 nimmt von links nach rechts an Breite ab. Die beiden Auslöserflächen 1, 2 sind derart gestaltet, dass quer zur Drehrichtung die Summe der Breitenerstreckungen D1, D2 der beiden Auslöserflächen 1, 2 in den unterschiedlichen Drehstellungen immer dieselbe ist.
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Mit den Bezugsziffern 3 und 4 sind zwei Spulen bezeichnet, die in Achsrichtung hintereinander liegen. Die Spulen 3, 4 sind im Ausführungsbeispiel Näherungsschalter. Diese Näherungsschalter liefern ein Ausgangssignal in Form einer Spannung, das von der elektromagnetischen Ankopplung an die Sensorfläche 1, 2 abhängig ist. Wird der Zylinder gedreht, so ändert sich die Größe der vom jeweiligen Näherungsschalter 3, 4 erfassten Metallfläche der Auslöserflächen 1, 2. Wegen der entgegengerichteten Anordnung der beiden Auslöserflächen 1, 2 vergrößert sich die Ausgangsspannung des einen Näherungsschalters 3, während sich die Ausgangsspannung des anderen Näherungsschalters 4 verringert. Die Summe der beiden Ausgangsspannungen bleibt konstant, wenn sich der radiale Abstand zwischen den Auslöserflächen 1, 2 gegenüber den Spulen 3, 4 nicht ändert. Ändert sich dieser Abstand, so variiert die Summe der beiden Ausgangsspannungen.
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Aus dem Signal eines der beiden Näherungsschalter 3, 4 lässt sich ein drehwinkelabhängiges Spannungssignal bilden, indem das unmittelbare Ausgangssignal des Näherungsschalters durch das Summensignal dividiert wird. Diese Normierung hat eine Kompensation des Einflusses des Abstandes zur Folge.
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Die Sensoranordnung besteht bei diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus zwei ortsfesten Spulen 3, 4, deren Spulenebene in einer gemeinsamen Ebene liegt. Diese Ebene verläuft parallel zur Drehachse 5.
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Auch bei dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die beiden Spulen 3, 4 in einer Ebene. In einer Parallelebene zu dieser Spulenebene 3, 4 befindet sich ein im Wesentlichen kreisförmiger Auslöser 1, der aus einem Blech besteht und der um eine Achse 5 schwenkbar ist, wobei die Achse 5 parallel zu den Spulenachsen 3, 4 verläuft.
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In der in 3 dargestellten mittleren Winkelstellung überdeckt der Auslöser 1 die Flächenabschnitte F1 der Spule 3 und F2 der Spule 4. Wird der Auslöser 1 um die Achse 5 in Richtung des Doppelpfeils verschwenkt, so vergrößert sich der Flächenabschnitt F1 bzw. F2. Gleichzeitig verkleinert sich der andere Flächenabschnitt F2 bzw. F1. Auch hier repräsentiert die Summe der beiden Ausgangsspannungen der Spulen 3, 4 bzw. der Näherungsschalter 3, 4 den Abstand der Sensoranordnung 3, 4 zum Auslöser 1.
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Die 5 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Fläche des Auslösers 1 kleiner als die Fläche des Auslösers gemäß 3. In einer mittleren Winkelstellung wird keine der beiden Spulenflächen 3, 4 von dem Auslöserblech 1 überlappt. Eine Überlappung findet erst statt, wenn der Auslöser um die Achse 5 verschwenkt wird.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden die beiden Spulen 3, 4 von Planarspulen ausgebildet. Diese können von Leiterbahnen einer Leiterplatte gebildet sein.
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Bei dem in den 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit der Bezugsziffer 6 eine Erregerspule bezeichnet. Diese Erregerspule umgibt eine Anordnung von insgesamt vier Spulen 3, 4; 7, 8. Auch hier sind die Spulen Planarspulen.
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Auf einer vorderen Seite der Leiterplatte befinden sich innerhalb der Erregerspule 6 zwei Spulen 3, 4. Die beiden Spulen 3, 4 haben eine im Wesentlichen brotlaibförmige bzw. halbkreisförmige Gestalt. Wesentlich ist, dass sich jeweils eine der beiden Spulen 3, 4 diesseits bzw. jenseits eines Drehpunktes 5 eines im Wesentlichen halbkreisförmigen Auslösers 1 befindet. In einer mittleren Stellung überdeckt der Auslöser 1 jeweils die Hälfte der beiden nebeneinander in einer gemeinsamen Ebene liegenden Spulen 3, 4. Die langen, geraden Ränder der beiden spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Spulen 3, 4 verlaufen parallel zur Diametralen.
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Die 8 zeigt die Rückseite der Leiterplatte. Auch hier ist ein Spulenpaar angeordnet. Die Spulen 7, 8 haben eine Gestalt wie die Spulen 3, 4 der Vorderseite, jedoch sind die langen geraden Randkanten der Spulen 7, 8 in Bezug auf die Drehachse 5 um 90° winkelversetzt zu denjenigen des Spulenpaares 3, 4 der Vorderseite.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel liefern die insgesamt vier Spulen 3, 4; 7, 8 insgesamt vier Ausgangssignale. Die Signalverarbeitung wird in der 9 schematisch dargestellt.
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Ein Oszillator 9 bestromt die Erregerspule 6 mit einem Wechselstrom, so dass diese ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses elektromagnetische Wechselfeld koppelt induktiv mit den insgesamt vier Spulen 3, 4; 7, 8. Die Kopplung wird durch den metallischen Auslöser 1 beeinflusst bzw. gestört, der bereichsweise die Flächen der Spulen 3, 4; 7, 8 überdeckt. In entsprechender Weise werden die Ausgangssignale dieser Spulen 3, 4; 7, 8 von der Winkelstellung des Auslösers 1 beeinflusst.
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Die Ausgangswechselspannungen der Spulen 3, 4; 7, 8 werden mittelst phasengekoppelter Gleichrichter 10 gleichgerichtet. Die Gleichrichtung erfolgt über eine Phasenkopplung mit der Oszillatorfrequenz des Oszillators 9.
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Das so gleichgerichtete Signal wird Analogeingängen eines Mikroprozessors 11 zugeleitet. Dieser Mikroprozessor 11 bildet aus den Ausgangssignalen der Spulen 3, 4; 7, 8 Summenwerte bzw. Differenzwerte, wobei im Wesentlichen der Summenwert benutzt wird, um die einzelnen Signale zu normieren. Durch diese Normierung wird der Einfluss einer Änderung des axialen Abstandes des Auslösers 1 zu den Spulen 3, 4; 7, 8 kompensiert.
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Es sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar. Insbesondere braucht es sich bei den beiden Flächen 1, 2 des ersten Ausführungsbeispiels nicht um Dreieckflächen zu handeln. Die Flächen können auch einen sinus- bzw. kosinusförmigen Verlauf besitzen.
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Des Weiteren kann bei dem in den 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel auch das Spulenpaar 7, 8 weggelassen werden. Dann ist mit dieser Anordnung nur ein Winkelbereich von 180° erfassbar.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.
