DE102015206711A1 - Rotation angle measuring arrangement and method for detecting a rotation angle of a rotatable component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Drehwinkel-Messanordnung (1) zur Erfassung eines Drehwinkels (15) eines drehbaren Bauteils (10), mit einem Federelement (20) welches mit einem ersten Anschluss (22) mechanisch an einem Umfang des drehbaren Bauteils (10) gekoppelt ist und mit einer Kraftmesseinrichtung (30), welche mechanisch mit einem dem ersten Anschluss (22) abgewandten zweiten Anschluss (24) des Federelements (20) verbunden ist und welche dazu ausgebildet ist, ein eine von dem Federelement (20) eingekoppelte Kraft (F) repräsentierendes und damit vom Drehwinkel (15) abhängiges Signal (32) zu erzeugen.The invention relates to a rotation angle measuring arrangement (1) for detecting a rotation angle (15) of a rotatable component (10) with a spring element (20) which is mechanically coupled to a first connection (22) on a circumference of the rotatable component (10) and with a force measuring device (30), which is mechanically connected to a first connection (22) facing away from the second terminal (24) of the spring element (20) and which is adapted to a one of the spring element (20) coupled force (F) representing and thus of the rotation angle (15) dependent signal (32) to produce.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Drehwinkel-Messanordnung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention relates to a rotation angle measuring arrangement according to the preamble of independent claim 1.
Beispielsweise die
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Drehwinkel-Messanordnung hat den Vorteil, dass Drehwinkel eines drehbaren Bauteils in einem weiten Drehwinkelbereich mit hoher Genauigkeit erfasst werden können. Dabei ist die erfindungsgemäße Drehwinkel-Messanordnung besonders preisgünstig umsetzbar. Sie ist darüber hinaus besonders unanfällig für mechanischen Verschleiß, da keine Zahnrad-Getriebe, Potentiometer mit Schleifkontakten oder andere verschleißanfällige Bauteile verwendet werden. Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Drehwinkel-Messanordnung eine hohe inhärente EMV-Robustheit, also Unanfälligkeit der erzeugten Messsignale für elektromagnetische Störungen, auf. Damit eignet sich die erfindungsgemäße Drehwinkel-Messanordnung besonders auch für Anwendungen im Automotive-Bereich, also etwa als Lenkwinkel-Sensor oder als Sensor zur Erfassung einer Drosselklappenstellung, daneben beispielsweise aber auch für sogenannte Consumer-Anwendungen, etwa in Spielekonsolen. Konstruktiv bedingt ist die erfindungsgemäße Drehwinkel-Messanordnung unempfindlich für Einbautoleranzen bzw. Ungenauigkeiten bezüglich ihrer Positionierung an einem drehbaren Bauteil, dessen Drehwinkel bestimmt werden soll. Dies gilt sowohl für tangentiale wie auch axiale Verschiebungen, jeweils bezogen auf die Drehachse des drehbaren oder rotierenden Bauteils. Vorteilhaft steht unmittelbar nach Einschalten der Drehwinkel-Messanordnung ein einen Drehwinkel des drehbaren Bauteils anzeigendes Drehwinkelsignal zur Verfügung, was auch als „true power on“ bezeichnet wird. The rotation angle measuring arrangement according to the invention has the advantage that rotation angles of a rotatable component can be detected with high accuracy in a wide rotation angle range. In this case, the rotation angle measuring arrangement according to the invention is particularly inexpensive to implement. In addition, it is particularly resistant to mechanical wear, as it does not use gear drives, potentiometers with sliding contacts or other components susceptible to wear. Advantageously, the rotation angle measuring arrangement according to the invention has a high inherent EMC robustness, that is to say immunity to the generated measurement signals for electromagnetic interference. Thus, the rotation angle measuring arrangement according to the invention is particularly suitable for applications in the automotive sector, ie as a steering angle sensor or as a sensor for detecting a throttle position, but also, for example, for so-called consumer applications, such as in game consoles. For reasons of construction, the rotation angle measuring arrangement according to the invention is insensitive to installation tolerances or inaccuracies with regard to its positioning on a rotatable component whose rotation angle is to be determined. This applies both to tangential and axial displacements, in each case based on the axis of rotation of the rotatable or rotating component. Advantageously, a rotational angle signal indicating a rotational angle of the rotatable component is available immediately after switching on the rotational angle measuring arrangement, which is also referred to as "true power on".
Diese Vorteile werden erreicht mit einer Drehwinkel-Messanordnung zur Erfassung eines Drehwinkels eines drehbaren Bauteils, umfassend ein Federelement, welches mit einem ersten Anschluss mechanisch an einen Umfang des drehbaren Bauteils gekoppelt ist, ferner umfassend eine Kraftmesseinrichtung, welche mechanisch mit einem dem ersten Anschluss abgewandten zweiten Anschluss des Federelements verbunden ist, wobei diese Kraftmesseinrichtung dazu ausgebildet ist, ein die von dem Federelement in die Kraftmesseinrichtung eingekoppelte Kraft repräsentierendes Signal zu erzeugen, welches damit auch vom Drehwinkel des drehbaren oder rotierenden Elements abhängt und damit den Drehwinkel anzeigt. These advantages are achieved with a rotational angle measuring arrangement for detecting a rotational angle of a rotatable component, comprising a spring element, which is mechanically coupled to a circumference of the rotatable component with a first connection, further comprising a force measuring device which mechanically with a first terminal facing away from the second Connection of the spring element is connected, wherein this force measuring device is adapted to generate a signal injected by the spring element in the force measuring device representing signal, which thus also depends on the rotation angle of the rotatable or rotating element and thus indicates the rotation angle.
Vorteilhaft können in erfindungsgemäßen Ausführungsformen auch für andere Anwendungen bereits entwickelte und hergestellte Bauteile als Kraftmesseinrichtung Verwendung finden. Vorteilhaft kann die Kraftmesseinrichtung der Drehwinkel-Messanordnung einen Quarz-, einen Piezo- oder einen MEMS-(=Mikro Elektro Mechanisches System)Kraftsensor umfassen. Vorteilhaft kann beispielsweise auch ein Silizium-MEMS-basierter Sensors verwendet werden, wie dieser etwa für Brennraum-Drucksensoren entwickelt worden ist.Advantageously, in embodiments according to the invention, components already developed and produced for other applications can also be used as a force measuring device. Advantageously, the force measuring device of the rotational angle measuring arrangement may comprise a quartz, a piezo or a MEMS (= micro electro mechanical system) force sensor. Advantageously, for example, a silicon MEMS-based sensor can be used, as has been developed for example for combustion chamber pressure sensors.
Der mit der erfindungsgemäßen Drehwinkel-Messanordnung bestimmbare Drehwinkelbereich kann durch geeignete Auslegung des Federelements beeinflusst werden. Bei geeigneter Dimensionierung ist die Anordnung Multi-Turnfähig, das heißt es können Drehwinkel im Bereich größer 360° oder auch von Mehrfahren von 360° mit hoher Genauigkeit erfasst werden. The rotational angle range determinable with the rotational angle measuring arrangement according to the invention can be influenced by suitable design of the spring element. With suitable dimensioning, the arrangement is multi-turn capable, that is, angles of rotation in the range greater than 360 ° or even more than 360 ° can be detected with high accuracy.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Federelement als Spiralfeder ausgelegt und um eine Drehachse des drehbaren Bauteils herum, vorzugsweise konzentrisch um die Drehachse herum, angeordnet. Dies ermöglicht eine platzsparende Realisierung. Alternativ wäre beispielsweise auch eine Schraubenfeder als Federelement möglich, die wiederum vorzugsweise konzentrisch um die Drehachse des drehbaren Bauteils herum angeordnet sein kann. In an advantageous embodiment, the spring element is designed as a spiral spring and around an axis of rotation of the rotatable member around, preferably concentric around the axis of rotation, arranged. This allows a space-saving realization. Alternatively, for example, a coil spring as a spring element would be possible, which in turn may preferably be arranged concentrically around the axis of rotation of the rotatable member.
Vorteilhaft umfasst die Drehwinkel-Messanordnung weiter eine Auswerteeinrichtung mit einem ersten Eingang für das Ausgangssignal der Kraftmesseinrichtung und einem Ausgang zur Ausgabe eines den Drehwinkel des drehbaren Bauteils anzeigenden Drehwinkelsignals. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Auswerteeinrichtung einen zweiten Eingang für ein Temperatursignal aufweist und die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines zugeführten Temperatursignals an ihrem Ausgang ein temperaturkompensiertes Drehwinkelsignal auszugeben. Das Temperatursignal kann dabei insbesondere die Temperatur des Federelements selbst oder eine Temperatur in der Umgebung des Federelements sein, welche mit einem am oder in der Umgebung des Federelements angeordneten Temperatursensor erfasst wird. Weiterhin kann das Temperatursignal auch die Temperatur der Kraftmesseinrichtung repräsentieren.Advantageously, the rotation angle measuring arrangement further comprises an evaluation device having a first input for the output signal of the force measuring device and an output for outputting a rotation angle signal indicative of the rotation angle of the rotatable component. It is particularly advantageous if the evaluation device has a second input for a temperature signal and the evaluation device is designed to output a temperature-compensated rotational angle signal as a function of a supplied temperature signal at its output. The temperature signal may in particular be the temperature of the spring element itself or a temperature in the vicinity of the spring element which is detected by a temperature sensor arranged on or in the vicinity of the spring element. Furthermore, the temperature signal may also represent the temperature of the force measuring device.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen oder aufweisen.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. In the drawings, like reference numerals designate components that perform or have the same or analogous functions.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
An den Umfang des drehbaren Bauteils
Die Befestigung des Federelements
Ein dem ersten Anschluss
Bei Verdrehung des drehbaren Bauteils
Das Signal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19506938 A1 [0002] DE 19506938 A1 [0002]
- DE 102012202639 A1 [0003] DE 102012202639 A1 [0003]
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2015
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