DE102008012922B4 - Inductive angle sensor - Google Patents

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Abstract

Induktiver Winkelsensormit einem Stator in planer Anordnung, der mindestens ein Erregerelement (2) und mindestens ein Empfangselement umfasst,mit einem Rotor (3) undmit einer Steuer- und Auswerteeinheit (4),dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerelement (2) als Spule mit einer äußeren ersten Wicklung (5) und einer darin beabstandet angeordneten, gegenläufigen zweiten Wicklung (6) ausgebildet ist,wobei die erste Wicklung (5) mindestens eine Windung aufweist,und dass der Rotor (3) einen kreisförmigen Leiter (7) und an dessen Außenumfang schlaufenförmig angeschlossene, gleichmäßig beabstandete Flügel (8) in Form von Kreisringsegmenten umfasst.Inductive angle sensor with a stator in a planar arrangement comprising at least one excitation element (2) and at least one receiving element, with a rotor (3) and with a control and evaluation unit (4), characterized in that the excitation element (2) as a coil with a outer first winding (5) and a spaced-apart, opposing second winding (6) is formed, wherein the first winding (5) has at least one turn, and that the rotor (3) has a circular conductor (7) and at its outer periphery loop-shaped connected, evenly spaced wings (8) in the form of circular ring segments comprises.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Winkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1The invention relates to an inductive angle sensor according to the preamble of claim 1

Solche Sensoren werden z.B. in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Position von Stellgliedern zu bestimmen. Sie sind planar aufgebaut, wobei ein Stator eine Leiterkarte mit Erreger- und Empfängerspulen aufgebaut ist. Ein Rotor ist ober- und/oder unterhalb des Stators angeordnet. Eine Auswerteschaltung erlaubt die Ausgabe entsprechender Signale für die Winkelstellung.Such sensors are e.g. used in motor vehicles to determine the position of actuators. They are planar, with a stator, a printed circuit board with exciter and receiver coils is constructed. A rotor is arranged above and / or below the stator. An evaluation circuit allows the output of corresponding signals for the angular position.

Aus der DE 10 2004 027 954 A1 ist ein induktiver Winkelsensor bekannt, der einen Stator und zwei Rotoren umfasst. Die Rotoren sind beabstandet auf einem Torsionselement angeordnet. Hierdurch kann ein Torsionswinkel eines drehbaren tordierenden Elements gemessen werden.From the DE 10 2004 027 954 A1 For example, an inductive angle sensor is known which comprises a stator and two rotors. The rotors are spaced apart on a torsion element. As a result, a torsion angle of a rotatable twisting element can be measured.

Die DE 101 56 238 A1 beschreibt einen induktiven Winkelsensor mit Erreger- und Empfängerspulen sowie mit zwei Koppelelementen (Statoren) unterschiedlicher Periodizität. Der Sensor weist entsprechend zwei Empfangsgeometrien unterschiedlicher Periodizität auf. Die Koppelelemente sind elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.The DE 101 56 238 A1 describes an inductive angle sensor with excitation and receiver coils and with two coupling elements (stators) of different periodicity. The sensor accordingly has two reception geometries of different periodicity. The coupling elements are electrically and mechanically connected to each other.

Die DE 101 21 870 A1 beschreibt einen Winkelsensor, bei dem ein Doppelrotor auf beiden Seiten eines Stators angeordnet ist.The DE 101 21 870 A1 describes an angle sensor in which a double rotor is arranged on both sides of a stator.

Gattungsgemäße induktive Winkelsensoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs sind jeweils aus den Dokumenten DE 197 38 836 A1 und EP 1 078 226 B1 bekannt.Generic inductive angle sensors with the features of the preamble are each from the documents DE 197 38 836 A1 and EP 1 078 226 B1 known.

Bei den bekannten induktiven Winkelsensoren besteht der Nachteil, dass außerhalb des Sensors relativ große, schmalbandige Störfeldstärken bei der Arbeitsfrequenz bestehen. Wegen des möglichen Einflusses auf andere elektronische Bauteile sind diese Störfelder unerwünscht. Eine Verminderung der Störfelder ist z.B. durch Abschirmung möglich; dies ist aber relativ aufwändig.In the known inductive angle sensors has the disadvantage that outside the sensor relatively large, narrow band interference field strengths exist at the working frequency. Because of the possible influence on other electronic components, these interference fields are undesirable. A reduction of the interference fields is e.g. possible by shielding; but this is relatively expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es, Störfelder von Winkelsensoren mit geringem Aufwand auf unkritische Größen zu reduzieren.The object of the invention is to reduce interference fields of angle sensors with little effort to uncritical sizes.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Erregerelement ist als Spule mit einer äußeren ersten Wicklung und einer darin beabstandet angeordneten, gegenläufigen zweiten Wicklung ausgebildet. Der Rotor umfasst eine kreisförmige Leiterbahn und an deren Außenumfang gleichmäßig beabstandete Leiterbahnen in Form von Kreisringsegmenten. Hierdurch werden zwei Effekte erzielt: Zum einen addieren sich im Bereich des Umfangs des Sensors die Nutzfelder zu einer Gesamterregung; daher können die Ströme insgesamt genutzt werden. Zum anderen subtrahieren sich außerhalb des Umfangs der Spule die unerwünschten elektromagnetischen Störfelder, so dass diese minimiert werden. Die Reduzierung beträgt in etwa 40 dB, was circa einem Hunderstel gegenüber dem Stand der Technik entspricht.The object is solved by the features of claim 1. The excitation element is formed as a coil having an outer first winding and a spaced-apart, opposing second winding. The rotor comprises a circular conductor track and on its outer circumference evenly spaced conductor tracks in the form of circular ring segments. As a result, two effects are achieved: On the one hand, in the region of the circumference of the sensor, the useful fields add up to a total excitation; therefore, the streams can be used as a whole. On the other hand, outside the circumference of the coil, the unwanted electromagnetic interference fields subtract, so that they are minimized. The reduction is about 40 dB, which is about one hundredth of the prior art.

Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.The subclaims relate to the advantageous embodiment of the invention.

Spiralförmige Wicklungen sind besonders geeignet.Spiral windings are particularly suitable.

Wenn im Betrieb erzeugte Feldstärken der ersten und der zweiten Wicklung in etwa gleich groß sind, wird ein Optimum zwischen den Nutzfeldern und der Reduzierung der Störfelder erzielt. Entsprechendes gilt für den Rotor.When field strengths of the first and second windings generated in operation are approximately equal, an optimum between the payload fields and the reduction of interference fields is achieved. The same applies to the rotor.

Wenn eine von dem Leiter eingeschlossene Fläche gleich der Summe der Flächen der Flügel ist, wird das Optimum zwischen den Nutzfeldem und der Reduzierung der Störfelder erzielt.When an area enclosed by the conductor equals the sum of the areas of the wings, the optimum between the payload fields and the reduction of interference fields is achieved.

Anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1 eine perspektivische Ansicht eines induktiven Winkelsensors,
  • 2 ein Erregerelement als Detail (perspektivisch),
  • 3 einen Rotor als Detail (perspektivisch) und
  • 4 die elektromagnetische Feldstärke in Abhängigkeit vom Abstand.
Reference to the accompanying schematic drawings, the invention will be explained in more detail below. Showing:
  • 1 a perspective view of an inductive angle sensor,
  • 2 an excitation element as a detail (in perspective),
  • 3 a rotor as a detail (in perspective) and
  • 4 the electromagnetic field strength as a function of the distance.

Wie aus der 1 ersichtlich umfasst ein induktiver Winkelsensor eine Leiterplatte 1, auf der ein Erregerelement 2, eine Vielzahl von nicht dargestellten Empfangsspulen und eine elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 angeordnet sind. Die Komponenten auf der Leiterplatte 1 sind entsprechend den Erfordernissen elektrisch verbunden. Weiterhin ist parallel zu der Leiterplatte 1 in vorbestimmtem Abstand zu dem Erregerelement 2 ein Rotor 3 angeordnet. Das Erregerelement 2 und die Empfangsspulen werden insgesamt auch als Stator bezeichnet.Like from the 1 As can be seen, an inductive angle sensor comprises a printed circuit board 1 on which a pathogen element 2 , A plurality of receiver coils, not shown, and an electronic control and evaluation 4 are arranged. The components on the circuit board 1 are electrically connected according to the requirements. Furthermore, it is parallel to the PCB 1 at a predetermined distance to the excitation element 2 a rotor 3 arranged. The exciter element 2 and the receiving coils are collectively referred to as a stator.

Das Erregerelement 2 ist in der 2 deutlicher dargestellt. Es ist aus einem leitenden Material auf der oberen Seite der Leiterplatte 1 gebildet und umfasst eine äußere spiralförmige erste Wicklung 5 und eine innerhalb der Wicklung 5 angeordnete zweite Wicklung 6. Die erste Wicklung 5 ist mit einem Ende an eine Spannungsquelle angeschlossen. Das andere Ende der Wicklung 5 weist über eine vorbestimmte Länge radial nach innen und ist an die zweite Wicklung 6 angeschlossen. Diese weist hier drei Windungen auf und ist an ihrem innen liegenden Ende an die Spannungsquelle angeschlossen. Damit weist das Erregerelement 2 zwei Spulen auf, die bei Anliegen einer Spannung entgegengesetzte elektromagnetische Felder erzeugen, wie durch die Pfeile angedeutet ist.The exciter element 2 is in the 2 shown more clearly. It is made of a conductive material on the upper side of the PCB 1 formed and includes an outer spiral-shaped first winding 5 and one inside the winding 5 arranged second winding 6 , The first winding 5 is connected at one end to a voltage source. The other end of the winding 5 has a predetermined length radially inward and is to the second winding 6 connected. This has here three turns and is connected at its inner end to the voltage source. This indicates the excitation element 2 two coils which generate when applied a voltage opposite electromagnetic fields, as indicated by the arrows.

Je nach den Anforderungen an die Feldstärken können mehrere parallele Wicklungen 5, 6 in unterschiedlichen Ebenen der Leiterplatte angeordnet sein, wobei die Fließrichtungen des Stroms immer gleich sind. Z.B. sind zusätzlich zu den Wicklungen 5, 6 auf der Oberseite der Leiterplatte auch auf der Unterseite in gleicher Weise Wicklungen aufgebracht - das heißt, diese sind in der Durchsicht bei gleichem Drehsinn einmal von innen nach außen und das andere Mal von außen nach innen und in der jeweiligen Draufsicht identisch gewickelt - wobei die inneren Enden der zweiten Wicklungen 6 durchkontaktiert sind.Depending on the field strength requirements, multiple parallel windings can be used 5 . 6 be arranged in different levels of the circuit board, wherein the flow directions of the stream are always the same. For example, in addition to the windings 5 . 6 Windings are also applied on the underside in the same way on the upper side of the printed circuit board - that is, they are wound identically from the inside to the outside and from the outside to the inside and from the top view in the same direction of rotation Ends of the second windings 6 are plated through.

Wie aus der 3 ersichtlich umfasst der Rotor 3 eine Kreisscheibe aus elektrisch nicht leitendem Material, auf deren einer Seite eine elektrisch leitende Struktur in Form eines endlosen Bandes angeordnet ist. Die leitende Struktur besteht aus einem kreisförmigen Leiter 7 und hier vier an dessen Außenumfang angeordneten Flügeln 8. Jeder Flügel 8 ist von den benachbarten gleichmäßig beabstandet und hat als Außenkontur in etwa die Form eines Kreisringabschnitts. Die Flügel 8 sind jeweils schlaufenförmig an den Leiter 7 angeschlossen, so dass ein von dem Erregerelement 2 induzierter Strom in den Flügeln 8 entgegengesetzt zum Strom in dem Leiter 7 fließt Hierbei sind die Anschlüsse der Flügel 8 gegeneinander elektrisch isoliert, und im Bereich, in dem der Flügel 8 an den Leiter 7 angrenzt, ist die leitende Struktur doppelt geführt und dabei gegeneinander isoliert.Like from the 3 obviously, the rotor comprises 3 a circular disk of electrically non-conductive material, on one side of which an electrically conductive structure in the form of an endless belt is arranged. The conductive structure consists of a circular conductor 7 and here four wings arranged on its outer circumference 8th , Every wing 8th is equally spaced from the adjacent and has as an outer contour in approximately the shape of a circular ring section. The wings 8th are each looped to the conductor 7 connected so that one of the excitation element 2 induced current in the wings 8th opposite to the current in the conductor 7 flows Here are the connections of the wings 8th electrically isolated from each other, and in the area where the wing 8th to the ladder 7 adjacent, the conductive structure is doubly guided while isolated from each other.

Die Dimensionierung des Rotors geschieht in der Weise, dass die von dem Leiter (7) eingeschlossene Fläche in etwa der Summe der von den Flügeln (8) eingeschlossenen Flächen entspricht.The dimensioning of the rotor is done in such a way that the of the conductor ( 7 ) enclosed area approximately the sum of the wings ( 8th ) enclosed areas corresponds.

Die Leiterplatte 1 und der Rotor 3 sind so zueinander angeordnet, dass sich das Erregerelement 2 und die leitende Struktur des Rotors 3 gegenüber liegen.The circuit board 1 and the rotor 3 are arranged to each other so that the excitation element 2 and the conductive structure of the rotor 3 lie opposite.

Der Betrieb erfolgt wie aus dem Stand der Technik bekannt: Die Steuereinrichtung erzeugt einen Wechselstrom mit einer Frequenz von circa vier Megahertz, der durch das Erregerelement 2 geleitet wird und so ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses erzeugt in der leitenden Struktur des Rotors 3 eine elektrische Spannung, die einen Kurzschlussstrom bewirkt. Im Gegensatz zum Stand der Technik erzeugen allerdings die Ströme sowohl im Rotor 3 als auch in dem Erregerelement 2 wegen ihrer jeweils gegensätzlichen Fließrichtungen entgegengesetzte elektromagnetische Felder. Im Bereich des Erregerelements 2 und des Rotors 3 addieren sich die Nutzfelder zu einer Gesamtwirkung; außerhalb dieses Bereichs heben sich die Felder dagegen weitestgehend aüf.Operation is as known in the art: the controller generates an alternating current at a frequency of approximately four megahertz, which is provided by the excitation element 2 is directed and thus generates an alternating electromagnetic field. This generates in the conductive structure of the rotor 3 an electrical voltage that causes a short-circuit current. In contrast to the prior art, however, the currents generate both in the rotor 3 as well as in the excitation element 2 because of their opposing flow directions opposite electromagnetic fields. In the area of the exciter element 2 and the rotor 3 the utility fields add up to a total effect; Outside this area, however, the fields largely cancel each other out.

Dies ist in der 4 für die Feldstärken des Erregerelements 2 beispielhaft dargestellt. Hierbei ist die Feldstärke (Y- Achse) in Abhängigkeit von der radialen Entfernung vom Zentrum des Erregerelements (X- Achse) aufgetragen. Die Kurve a zeigt die Feldstärke aus der ersten Wicklung 5 und die Kurve b die Feldstärke aus der zweiten Wicklung 6 erzeugt wird sowie die Kurve c die aus beiden resultierende Gesamtfeldstärke, wobei die Feldstärken größer als 0,1 A/m absolut nicht dargestellt sind. Wie die Kurve c deutlich zeigt, ist bei einem Abstand von 6 cm (0,06 m) praktisch kein elektromagnetisches Feld mehr vorhanden. Eine Abschirmung ist daher nicht erforderlich. Dagegen ist bei einem vergleichbaren Sensor des Standes der Technik, dessen Feldstärke in der Kurve d aufgetragen ist, bei dem selben Abstand von 6 cm bei 0,09 A/m und beträgt in einem Abstand von 10 cm noch 0,02 A/m.This is in the 4 for the field strengths of the exciter element 2 exemplified. Here is the field strength ( Y Axis) as a function of the radial distance from the center of the excitation element ( X - Axis) applied. The curve a shows the field strength from the first winding 5 and the curve b the field strength from the second winding 6 is generated as well as the curve c the resulting total field strength of both, the field strengths greater than 0.1 A / m are not shown absolute. Like the curve c clearly shows, at a distance of 6 cm (0.06 m) practically no electromagnetic field is present. A shield is therefore not required. In contrast, in a comparable sensor of the prior art, its field strength in the curve d at the same distance of 6 cm at 0.09 A / m and at a distance of 10 cm is still 0.02 A / m.

Claims (5)

Induktiver Winkelsensor mit einem Stator in planer Anordnung, der mindestens ein Erregerelement (2) und mindestens ein Empfangselement umfasst, mit einem Rotor (3) und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerelement (2) als Spule mit einer äußeren ersten Wicklung (5) und einer darin beabstandet angeordneten, gegenläufigen zweiten Wicklung (6) ausgebildet ist, wobei die erste Wicklung (5) mindestens eine Windung aufweist, und dass der Rotor (3) einen kreisförmigen Leiter (7) und an dessen Außenumfang schlaufenförmig angeschlossene, gleichmäßig beabstandete Flügel (8) in Form von Kreisringsegmenten umfasst.Inductive angle sensor with a stator in a planar arrangement, comprising at least one excitation element (2) and at least one receiving element, with a rotor (3) and with a control and evaluation unit (4), characterized in that the excitation element (2) as a coil is formed with an outer first winding (5) and a spaced apart disposed therein, the opposite second winding (6), wherein the first winding (5) has at least one turn, and that the rotor (3) has a circular conductor (7) and the outer periphery of which comprises loop-shaped connected uniformly spaced wings (8) in the form of circular ring segments. Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (5, 6) spiralförmig sindInductive angle sensor after Claim 1 , characterized in that the windings (5, 6) are spiral Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb erzeugte Feldstärken der ersten Wicklung (5) und der zweiten Wicklung (6) in etwa gleich groß sind.Inductive angle sensor after Claim 1 or 2 , characterized in that field strengths generated during operation of the first winding (5) and the second winding (6) are approximately equal. Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 dis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb erzeugte Feldstärken des Rotors (3) im Bereich des Leiters (7) und eine Summe der Feldstärken der Flügel (8) in etwa gleich groß sind.Inductive angle sensor according to one of Claims 1 dis 3, characterized in that generated in operation field strengths of the rotor (3) in the region of the conductor (7) and a sum of the field strengths of the wings (8) are approximately equal. Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Leiter (7) eingeschlossene Fläche gleich der Summe der Flächen der Flügel (8) ist. Inductive angle sensor after Claim 4 , characterized in that an area enclosed by the conductor (7) is equal to the sum of the areas of the wings (8).
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