DE202019105954U1

DE202019105954U1 - Sensor with inductive energy transfer unit

Info

Publication number: DE202019105954U1
Application number: DE202019105954.0U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2029-10-26

Abstract

Sensor (10), insbesondere Laserscanner oder Radar, zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich (20), mit mindestens einem Sender (22) zum Aussenden eines Sendesignals (26), mindestens einem Empfänger (34) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem von den Objekten zurückgeworfenen Sendesignal (30), einer Sockeleinheit (14), einer gegenüber der Sockeleinheit (14) um eine Drehachse (18) beweglichen Abtasteinheit (12) zur periodischen Abtastung des Überwachungsbereichs (20) sowie einer Steuer- und Auswertungseinheit (56) zur Erfassung von Informationen über die Objekte anhand des Empfangssignals, wobei eine induktive Energieübertragungseinheit (44) zwischen Sockeleinheit (14) und Abtasteinheit (12) vorgesehen ist, die ein erstes Führungselement (46a) der Sockeleinheit (12) und ein zweites Führungselement (46b) der Abtasteinheit (12) zum Führen des magnetischen Feldes der induktiven Energieübertragung umfasst und wobei die Führungselemente (46a-b) einen L-förmigen Querschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (46a-b) in Umfangsrichtung in jeweils mindestens zwei Führungssegmente (46a1-bn) unterteilt sind.

Sensor (10), in particular laser scanner or radar, for detecting objects in a monitoring area (20), with at least one transmitter (22) for sending out a transmission signal (26), at least one receiver (34) for generating a reception signal from the Send signal (30) thrown back objects, a base unit (14), a scanning unit (12) which is movable relative to the base unit (14) about an axis of rotation (18) for periodic scanning of the monitored area (20) and a control and evaluation unit (56) for detection of information about the objects on the basis of the received signal, an inductive energy transfer unit (44) being provided between the base unit (14) and the scanning unit (12), which has a first guide element (46a) of the base unit (12) and a second guide element (46b) of the scanning unit (12) for guiding the magnetic field of the inductive energy transmission and wherein the guide elements (46a-b) have an L-shaped cross section a Characterized in that the guide elements (46a-b) are divided into at least two guide segments (46a1-bn) in the circumferential direction.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere Laserscanner oder Radar, mit einer Sockeleinheit und einer gegenüber der Sockeleinheit um eine Drehachse beweglichen Abtasteinheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a sensor, in particular a laser scanner or radar, with a base unit and a scanning unit which is movable about an axis of rotation relative to the base unit, according to the preamble of claim 1.

In einem Laserscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst. Damit lassen sich die Positionen von Objekten ermitteln oder durch mehrere Antastungen desselben Objekts an verschieden Stellen dessen Kontur bestimmen. Die dritte Raumkoordinate kann durch eine Relativbewegung in Querrichtung ebenfalls erfasst werden, beispielsweise durch einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad der Ablenkeinheit in dem Laserscanner oder indem das Objekt relativ zu dem Laserscanner befördert wird. So können auch dreidimensionale Konturen ausgemessen werden.In a laser scanner, a light beam generated by a laser periodically sweeps over a monitored area with the aid of a deflection unit. The light is reflected on objects in the monitored area and evaluated in the scanner. The angular position of the deflection unit is used to deduce the angular position of the object and the distance of the object from the laser scanner is also deduced from the time of flight using the speed of light. With the angle and distance information, the location of an object in the monitoring area is recorded in two-dimensional polar coordinates. In this way, the positions of objects can be determined or its contour can be determined by several probing of the same object at different points. The third spatial coordinate can also be detected by a relative movement in the transverse direction, for example by a further degree of freedom of movement of the deflection unit in the laser scanner or by conveying the object relative to the laser scanner. In this way, three-dimensional contours can also be measured.

Die Abtastung der Überwachungsebene in einem Laserscanner wird üblicherweise dadurch erreicht, dass der Sendestrahl auf einen rotierenden Drehspiegel trifft. Lichtsender, Lichtempfänger sowie zugehörige Elektronik und Optik sind im Gerät fest montiert und vollziehen die Drehbewegung nicht mit. Es ist auch bekannt, den Drehspiegel durch eine mitbewegte Abtasteinheit zu ersetzten. Beispielsweise rotiert in der DE 197 57 849 B4 der gesamte Messkopf mit Lichtsender und Lichtempfänger. Ein Radar arbeitet in einem ähnlichen Grundaufbau, wobei die Sender und Empfänger einen ganz anderen Frequenzbereich nutzen.The scanning of the monitoring level in a laser scanner is usually achieved by the transmission beam striking a rotating rotating mirror. The light transmitter, light receiver and the associated electronics and optics are permanently installed in the device and do not follow the rotary movement. It is also known to replace the rotating mirror with a moving scanning unit. For example, rotates in the DE 197 57 849 B4 the entire measuring head with light transmitter and light receiver. A radar works in a similar basic structure, with the transmitters and receivers using a completely different frequency range.

Die rotierenden elektronischen Komponenten müssen mit Energie versorgt werden. Um hier mechanische Abnutzung etwa eines Schleifkontakts zu vermeiden, wird eine drahtlose Versorgung angestrebt. Dafür ist die induktive Energieübertragung bekannt. Je eine ringförmige Spule ist im stationären und beweglichen Teil des Sensors untergebracht. Sie sind von Ferriten wie von einer Schale umgeben, um das Magnetfeld zu konzentrieren und zu führen und so die induktive Kopplung der Spulen zu verstärken. Die Ferrite wirken auch als Abschirmung und verhindern, dass Streufelder in umliegenden metallischen Bauteilen Wirbelströme und somit Verluste erzeugen.The rotating electronic components must be supplied with energy. In order to avoid mechanical wear and tear of a sliding contact, for example, a wireless supply is sought. This is what inductive energy transfer is known for. An annular coil is housed in the stationary and moving part of the sensor. They are surrounded by ferrites like a shell in order to concentrate and guide the magnetic field and thus strengthen the inductive coupling of the coils. The ferrites also act as a shield and prevent stray fields from generating eddy currents and thus losses in surrounding metallic components.

Die beiden Spulen samt umgebenden Ferriten rotieren gegeneinander, und dazwischen befindet sich ein Luftspalt. Um eine hohe Übertragungseffizienz zu erreichen, sollte dieser Luftspalt möglichst klein sein. Dabei werden unterschiedliche Orientierungen des Luftspaltes unterschieden. In Ausrichtung des Luftspalts parallel zur Drehachse bilden die Ferrite zwei ineinander liegende konzentrische Ringe unterschiedlichen Durchmessers. Die Spulenwicklung für den äußeren Ring ist aufwändig und teuer. Außerdem müssen die Exzentrizitäten der Ferrite äußerst gering sein, da sie einander sonst bei kleinem Luftspalt streifen könnten. In Ausrichtung des Luftspalts senkrecht zur Drehachse bilden die Ferrite zwei aufeinander liegende Ringe gleichen Durchmessers. Diese Anordnung ist empfindlich gegenüber Schwing- und Schockbelastung mit der Gefahr des Aufsetzens. Um einen genauen Spaltabstand einzustellen, ist ein Justageprozess erforderlich.The two coils and the surrounding ferrites rotate against each other, and there is an air gap between them. In order to achieve high transmission efficiency, this air gap should be as small as possible. A distinction is made between different orientations of the air gap. When the air gap is aligned parallel to the axis of rotation, the ferrites form two concentric rings of different diameters lying one inside the other. The coil winding for the outer ring is complex and expensive. In addition, the eccentricities of the ferrites must be extremely small, otherwise they could rub against each other with a small air gap. When the air gap is aligned perpendicular to the axis of rotation, the ferrites form two rings of the same diameter lying on top of one another. This arrangement is sensitive to vibration and shock loads with the risk of touching down. An adjustment process is required to set an exact gap distance.

Die Toleranzanforderungen für den Luftspalt sind demnach hoch. Gesinterte Ferrite haben jedoch große Fertigungstoleranzen von 2-5%, wobei die Schrumpfungstoleranzen proportional zur Ferritgröße sind. Die Ferrite sind herkömmlich rotationssymmetrisch aus einem Stück gefertigt und relativ groß. Für kleine Spaltmaße müssen die Ferrite daher in der Regel nachgearbeitet werden. Dies ist auf Grund der spröden Materialeigenschaften sehr teuer und aufwändig. Die spröden Materialeigenschaften der Ferrite bergen zudem mit zunehmender Bauteilgröße das Risiko des Versagens durch Bruch aufgrund äußerer Umwelteinflüsse wie Schwing- und Schockbelastung.The tolerance requirements for the air gap are accordingly high. However, sintered ferrites have large manufacturing tolerances of 2-5%, with the shrinkage tolerances being proportional to the ferrite size. The ferrites are conventionally made from one piece with rotational symmetry and are relatively large. The ferrites therefore usually have to be reworked for small gaps. Due to the brittle material properties, this is very expensive and time-consuming. The brittle material properties of ferrites also harbor the risk of failure due to breakage due to external environmental influences such as vibration and shock loads with increasing component size.

Die EP 2 388 619 A1 offenbart einen Laserscanner mit einer berührungslosen Daten- und Energieübertragung zu dessen rotierendem Messkopf. Die Energieübertragung kann induktiv erfolgen, und ein ferromagnetischer Kern wird erwähnt, ohne dies dann aber näher auszuführen.The EP 2 388 619 A1 discloses a laser scanner with contactless data and energy transmission to its rotating measuring head. The energy transfer can take place inductively, and a ferromagnetic core is mentioned, but without going into detail.

Aus der EP 2 933 655 B1 ist ein Laserscanner bekannt, bei dem auf zwei gegeneinander rotierenden Leiterkarten einer feststehenden Sockeleinheit beziehungsweise beweglichen Abtasteinheit Komponenten für eine induktive Energieversorgung und eine kapazitive Datenübertragung untergebracht sind. Die Leiterkarten sind von einem Ferritmantel umgeben, der aus zwei Teilen mit jeweils L-förmigem Querschnitt besteht. Die L-Formen sind zueinander an einer horizontalen Achse gespiegelt und stehen innen bei der Welle mit dem kurzen Schenkel im Abstand des Luftspalts aufeinander, so dass sie gemeinsam eine radial nach außen offene U-Form bilden. Das entspricht dem oben diskutierten Konzept des parallelen Luftspalts.From the EP 2 933 655 B1 a laser scanner is known in which components for inductive energy supply and capacitive data transmission are accommodated on two mutually rotating circuit boards of a fixed base unit or movable scanning unit. The circuit boards are surrounded by a ferrite jacket, which consists of two parts, each with an L-shaped cross-section. The L-shapes are mirrored to each other on a horizontal axis and are on the inside of the shaft with the short leg at the distance of the air gap, so that together they form a U-shape that is open radially outward. This corresponds to the concept of the parallel air gap discussed above.

Die EP 1 975 571 B1 offenbart einen weiteren Laserscanner mit berührungslose Daten- und Energieübertragung. Die energiesendenden und energieempfangenden Einheiten weisen jeweils einen L-förmigem Querschnitt auf, wobei an dem langen Schenkel der L-Form Spulen angeordnet sind und die L-Formen derart zueinander angeordnet sind, dass jeweils die langen und kurzen Schenkel einander gegenüberliegen. Es wird durch entsprechende Rotation der L-Form sowohl eine Anordnung mit senkrechtem als auch parallelem Luftspalt vorgeschlagen. Es wird jedoch nicht diskutiert, wie die energiesendenden und energieempfangenden Einheiten mit den geforderten Toleranzen hergestellt werden könnten.The EP 1 975 571 B1 discloses another laser scanner with contactless data and Energy transfer. The energy-sending and energy-receiving units each have an L-shaped cross section, with coils being arranged on the long leg of the L-shape and the L-shapes being arranged with respect to one another in such a way that the long and short legs are opposite one another. An arrangement with a vertical as well as a parallel air gap is proposed by appropriate rotation of the L-shape. However, it is not discussed how the energy-sending and energy-receiving units could be manufactured with the required tolerances.

In der EP 2 875 512 B1 wird eine berührungslose Energie- und Datenübertragung für andere Arten von Sensoren mit rotierendem Teil vorgestellt, wie etwa Drucksensoren, Dehnungsmessgeräte, Temperatursensoren oder Vibrationssensoren. Für die Energieübertragung werden L-förmige Magnetkerne verwendet, bei denen wiederum die langen und kurzen Schenkel der L-Form einander gegenüberliegen, ohne auf die Problematik der Einstellung des Luftspalts und der Fertigungstoleranzen einzugehen.In the EP 2 875 512 B1 Contactless energy and data transmission for other types of sensors with rotating parts, such as pressure sensors, strain gauges, temperature sensors or vibration sensors, is presented. L-shaped magnetic cores are used for the energy transfer, in which the long and short legs of the L-shape are in turn opposite one another, without addressing the problem of setting the air gap and manufacturing tolerances.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Aufbau eines Sensors mit mitbewegter Abtasteinheit zu vereinfachen.It is therefore the object of the invention to simplify the construction of a sensor with a moving scanning unit.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 gelöst. Der Sensor weist einen Sender und einen Empfänger auf, um ein Sendesignal in den Überwachungsbereich auszusenden und ein entsprechendes Empfangssignal aus dem an Objekten zurückgeworfenen Sendesignal zu erzeugen und dieses auszuwerten. Der Sensor ist zweiteilig mit einer Sockeleinheit und einer dagegen um eine Drehachse beweglichen Abtasteinheit aufgebaut, die im Verlauf der Bewegung den Überwachungsbereich periodisch abtastet. Um die in der Abtasteinheit mitbewegten Komponenten zu versorgen, ist eine Energieübertragungseinheit zur drahtlosen Energieübertragung mittels elektromagnetischer Induktion vorgesehen. Die Energieübertragungseinheit umfasst ein erstes Führungselement, das mit der Sockeleinheit ruht, und ein zweites Führungselement, das sich mit der Abtasteinheit mitbewegt. Die Führungselemente haben die Funktion, das Magnetfeld zu verstärken und zu führen. Sie weisen jeweils einen L-förmigen Querschnitt auf.This object is achieved by a sensor for detecting objects in a monitoring area according to claim 1. The sensor has a transmitter and a receiver in order to transmit a transmission signal into the monitoring area and to generate a corresponding reception signal from the transmission signal reflected on objects and to evaluate it. The sensor is constructed in two parts with a base unit and a scanning unit which, on the other hand, is movable about an axis of rotation and which periodically scans the monitored area in the course of the movement. In order to supply the components moved along in the scanning unit, an energy transmission unit is provided for wireless energy transmission by means of electromagnetic induction. The energy transfer unit comprises a first guide element, which rests with the base unit, and a second guide element, which moves with the scanning unit. The function of the guide elements is to strengthen and guide the magnetic field. They each have an L-shaped cross section.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Führungselemente aus mehreren Teilen herzustellen. Sie sind in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse in mindestens zwei Führungssegmente unterteilt. Es handelt sich also nicht wie herkömmlich um vergleichsweise große, rotationssymmetrische, aus einem Stück gefertigte Bauteile.The invention is based on the basic idea of producing the guide elements from several parts. They are divided into at least two guide segments in the circumferential direction with respect to the axis of rotation. It is therefore not a question of comparatively large, rotationally symmetrical components made from one piece, as is usually the case.

Die Erfindung hat zunächst die Vorteile einer berührungslosen Energieversorgung, die verschleißfrei ist. Der Aufbau aus mehreren Führungssegmenten ermöglicht besonders kleine mechanische Toleranzen am Luftspalt und daher eine hohe Effizienz der Energieübertragung. Das wird ohne oder jedenfalls mit wesentlich weniger Nachbearbeitung erreicht, so dass sich die Herstellkosten bei gleicher oder sogar höherer funktionaler Qualität erheblich reduzieren. Zugleich weist die Energieübertragungseinheit eine hohe mechanische Robustheit auf.The invention first of all has the advantages of a contactless energy supply that is wear-free. The structure of several guide segments enables particularly small mechanical tolerances at the air gap and therefore a high efficiency of the energy transfer. This is achieved without or at least with significantly less post-processing, so that the manufacturing costs are significantly reduced with the same or even higher functional quality. At the same time, the energy transmission unit has a high level of mechanical robustness.

Der Sensor ist vorzugsweise ein optoelektronischer Sensor, insbesondere Laserscanner. Sender und Empfänger sind dann ein Lichtsender beziehungsweise Lichtempfänger. Alternativ ist der Sensor ein Radar, wo dann entsprechend ein Radarsender und Radarempfänger im Spektrum der Radar- oder Mikrowellen zum Einsatz kommen. Die jeweiligen Sender und Empfänger sind vorzugsweise in der Abtasteinheit angeordnet, vollziehen also deren Bewegung um die Drehachse mit und werden über die Energieübertragungseinheit aus der Sockeleinheit versorgt.The sensor is preferably an optoelectronic sensor, in particular a laser scanner. The transmitter and receiver are then a light transmitter or light receiver. Alternatively, the sensor is a radar, where a radar transmitter and receiver in the spectrum of radar or microwaves are used accordingly. The respective transmitters and receivers are preferably arranged in the scanning unit, that is to say they also move around the axis of rotation and are supplied from the base unit via the energy transmission unit.

Die Führungselemente sind bevorzugt ringförmig um die Drehachse angeordnet und insbesondere so zueinander angeordnet, dass die L-förmigen Querschnitte gemeinsam einen Hohlring bilden. Der Hohlring entsteht, indem die L-Formen gegeneinander punktgespiegelt oder um 180° gedreht sind und einander zu einem rechteckigen Querschnitt ergänzen. An den Übergängen am Ende der Schenkel der L-Formen ist der rechteckige Querschnitt offen, denn dort bewegen sich die beiden Führungselemente gegeneinander.The guide elements are preferably arranged in a ring around the axis of rotation and in particular are arranged in relation to one another in such a way that the L-shaped cross-sections together form a hollow ring. The hollow ring is created in that the L-shapes are mirrored against each other or rotated by 180 ° and complement each other to form a rectangular cross-section. At the transitions at the end of the legs of the L-shapes, the rectangular cross-section is open, because there the two guide elements move against each other.

Die Führungssegmente sind bevorzugt als Ringsegmente ausgebildet, die einander zu einem Ring um die Drehachse ergänzen. Jedes der Führungssegmente bildet somit einen Kreis- oder Ringsektor, vorzugsweise jeweils den gleichen Bruchteil von 360°. Dabei decken die Führungssegmente ihren Bruchteil nicht vollständig ab, in Umfangsrichtung verbleiben gewisse Lücken und Toleranzen zwischen den Ringsegmenten. Es sind mindestens zwei, vorzugsweise drei bis sechs oder acht Ringsegmente vorgesehen. Eine größere Anzahl ist vorstellbar, aber die Anzahl stößt bald an eine Grenze, wo keine zusätzlichen Vorteile mehr erreicht werden.The guide segments are preferably designed as ring segments which complement one another to form a ring around the axis of rotation. Each of the guide segments thus forms a circular or ring sector, preferably each the same fraction of 360 °. The guide segments do not completely cover their fraction; certain gaps and tolerances remain between the ring segments in the circumferential direction. At least two, preferably three to six or eight ring segments are provided. A larger number is conceivable, but the number soon reaches a limit where no additional benefits can be achieved.

Die Führungselemente weisen vorzugsweise einen ringförmigen Träger insbesondere aus Kunststoff auf, worauf die Führungssegmente auf Anschlag zum Luftspalt ausgerichtet und so mit dem Träger fixiert sind. Der Träger erleichtert die Herstellung erheblich, da sofort eine Grobausrichtung gegeben und eine genaue Ausrichtung bezüglich des Luftspalts erheblich erleichtert ist. Außerdem gibt der Träger den Führungselementen mechanische Stabilität, und dank der flexibleren und nicht spröden Eigenschaften des Trägers ist die Robustheit gegenüber einem einstückigen Ferritbauteil erheblich verbessert.The guide elements preferably have an annular carrier, in particular made of plastic, whereupon the guide segments are aligned with the stop to the air gap and are thus fixed to the carrier. The carrier makes production much easier, since a rough alignment is given immediately and an exact alignment with respect to the air gap is made much easier. In addition, the carrier gives the guide elements mechanical stability, and Thanks to the more flexible and non-brittle properties of the carrier, the robustness compared to a one-piece ferrite component is considerably improved.

Der Träger weist bevorzugt Segmentteiler zwischen den Führungssegmenten auf. Dies erleichtert bei der Herstellung sowohl die anfängliche Grobausrichtung als auch die genaue Ausrichtung auf Anschlag zum Luftspalt. Außerdem bleiben die Führungssegmente besser in ihrer Position fixiert, und der Träger wird robuster. Möchte man die Spalte zwischen den Führungssegmenten allerdings möglichst klein halten, um das Magnetfeld noch besser zu führen und so die Effizient weiter zu steigern, kann auf die Segmentteiler auch verzichtet werden.The carrier preferably has segment dividers between the guide segments. This facilitates both the initial rough alignment and the precise alignment on the stop to the air gap during manufacture. In addition, the guide segments remain better fixed in their position and the carrier becomes more robust. However, if you want to keep the gaps between the guide segments as small as possible in order to guide the magnetic field even better and thus further increase efficiency, the segment dividers can also be dispensed with.

Die Führungssegmente sind vorzugsweise aus Ferrit hergestellt. Ferrit hat die für die Führung des magnetischen Feldes erforderlichen Eigenschaften. Als Material hat Ferrit mit seiner Sprödigkeit und hohen Schrumpftoleranz auch seine Nachteile, die jedoch durch die Erfindung weitgehend überwunden werden.The guide segments are preferably made of ferrite. Ferrite has the properties required to guide the magnetic field. As a material, ferrite, with its brittleness and high shrinkage tolerance, also has its disadvantages, which, however, are largely overcome by the invention.

Vorzugsweise sind Spulen in die Führungselemente eingelegt. Jeweils mindestens eine feststehende und eine mitbewegte Spule sorgen für die induktive Energieübertragung. Die Führungselemente umgeben die Spulen und führen das magnetische Feld.Coils are preferably inserted into the guide elements. At least one stationary and one moving coil each ensure the inductive energy transfer. The guide elements surround the coils and guide the magnetic field.

Zwischen den Spulen ist bevorzugt ein Luftspalt vorgesehen, der parallel oder senkrecht zu der Drehachse angeordnet ist. Der Luftspalt bildet den Übergang zwischen ruhender Sockeleinheit und beweglicher Abtasteinheit. Herkömmlich würden, wie einleitend beschrieben, für einen parallelen und einen senkrechten Luftspalt völlig verschiedene Ringgeometrien benötigt, weil die Ringe einmal konzentrisch ineinander und einmal aufeinander liegen. Bei den erfindungsgemäßen Führungselementen mit L-förmigem Querschnitt können die Spulen wahlweise am horizontal oder am vertikal orientierten Schenkel angeordnet werden. Das schließt aber nicht aus, dass die Führungselemente für eine parallelen und einen senkrechten Luftspalt in der Detailgeometrie voneinander unterscheiden, beispielsweise um die Spulen immer auf dem langen Schenkel der L-Form unterzubringen.An air gap, which is arranged parallel or perpendicular to the axis of rotation, is preferably provided between the coils. The air gap forms the transition between the stationary base unit and the movable scanning unit. Conventionally, as described in the introduction, completely different ring geometries would be required for a parallel and a vertical air gap, because the rings lie concentrically one inside the other and one on top of the other. In the case of the guide elements according to the invention with an L-shaped cross section, the coils can be arranged either on the horizontally or on the vertically oriented leg. However, this does not rule out that the guide elements for a parallel and a vertical air gap differ from one another in the detail geometry, for example in order to always accommodate the coils on the long leg of the L-shape.

Um die Führungselemente herzustellen, werden vorzugsweise die Führungssegmente in einen ringförmigen Träger eines Führungselements zunächst grob ausgerichtet eingelegt, dann auf Anschlag zum Luftspalt ausgerichtet und schließlich in dieser Ausrichtung mit dem Träger fixiert. Auf diese Weise wird eine einfache Herstellung mit dennoch äußerst geringen Toleranzen möglich, mit der ein sehr kleiner Luftspalt erreicht werden kann.In order to produce the guide elements, the guide segments are preferably inserted into an annular carrier of a guide element, initially roughly aligned, then aligned with the stop to the air gap and finally fixed in this alignment with the carrier. In this way, a simple production with extremely small tolerances is possible, with which a very small air gap can be achieved.

Die Führungssegmente werden bevorzugt durch Anschlag an einem magnetischen Montagering zum Luftspalt ausgerichtet. Aufgrund der ferromagnetischen Eigenschaften der Führungssegmente begeben sie sich von selbst in die durch den magnetischen Montagering vorgegebene Position mit gemeinsamem Anschlag um vorgesehenen Luftspalt. Dabei sind bei senkrechtem Luftspalt ein innerer Montagering für das Führungselement mit der äußeren Spule sowie ein äußerer Montagering für das Führungselement mit der inneren Spule erforderlich.The guide segments are preferably aligned with the air gap by stopping against a magnetic mounting ring. Due to the ferromagnetic properties of the guide segments, they move automatically into the position specified by the magnetic mounting ring with a common stop around the air gap provided. With a vertical air gap, an inner mounting ring for the guide element with the outer coil and an outer mounting ring for the guide element with the inner coil are required.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Laserscanner;
2a eine Detailansicht auf eine Energieübertragungseinheit bei senkrechtem Luftspalt;
2b eine Detailansicht gemäß 2a nun bei parallelem Luftspalt;
3a eine Schnittansicht eines Führungselements für die Energieübertragungseinheit mit einem Führungssegment auf einem Träger, das während der Herstellung in einem Montagering angeordnet ist; und
3b eine Draufsicht auf das Führungselement gemäß 3a.

The invention is explained in more detail below also with regard to further features and advantages by way of example with the aid of embodiments and with reference to the accompanying drawings. The figures in the drawing show in:

1 a schematic sectional view through a laser scanner;
2a a detailed view of an energy transfer unit with a vertical air gap;
2 B a detailed view according to 2a now with a parallel air gap;
3a a sectional view of a guide element for the energy transmission unit with a guide segment on a carrier, which is arranged in a mounting ring during manufacture; and
3b a plan view of the guide element according to 3a .

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Laserscanner 10. Der Laserscanner 10 umfasst in grober Aufteilung eine bewegliche Abtasteinheit 12 und eine Sockeleinheit 14. Die Abtasteinheit 12 ist der optische Messkopf, während in der Sockeleinheit 14 weitere Elemente wie eine Versorgung, Auswertungselektronik, Anschlüsse und dergleichen untergebracht sind. Im Betrieb wird mit Hilfe eines Antriebs 16 der Sockeleinheit 14 die Abtasteinheit 12 in eine Drehbewegung um eine Drehachse 18 versetzt, um so einen Überwachungsbereich 20 periodisch abzutasten. 1 shows a schematic sectional view through a laser scanner 10 . The laser scanner 10 roughly divided into a movable scanning unit 12th and a base unit 14th . The scanning unit 12th is the optical measuring head, while in the base unit 14th other elements such as a supply, evaluation electronics, connections and the like are housed. In operation, with the help of a drive 16 the base unit 14th the scanning unit 12th into a rotary movement around an axis of rotation 18th offset to such a surveillance area 20th to scan periodically.

In der Abtasteinheit 12 erzeugt ein Lichtsender 22 mit Hilfe einer Sendeoptik 24 einen Sendelichtstrahl 26, der von einem Tubus 28 abgeschirmt in den Überwachungsbereich 20 ausgesandt wird. Trifft der Sendelichtstrahl 26 in dem Überwachungsbereich 20 auf ein Objekt, so kehrt ein entsprechender Lichtstrahl als remittiertes Licht 30 zu dem Laserscanner 10 zurück. Das remittierte Licht 30 wird von einer Empfangsoptik 32 auf einen Lichtempfänger 34 geführt und dort in ein elektrisches Empfangssignal gewandelt. Der Lichtempfänger 34 ist in dieser Ausführungsform auf einer Leiterkarte 36 angeordnet, die auf der Drehachse 18 liegt und mit der Welle 38 des Antriebs 16 verbunden ist. Die Empfangsoptik 32 stützt sich durch Beinchen 40 auf der Leiterkarte 36 ab und hält eine weitere Leiterkarte 42 des Lichtsenders 22. Die beiden Leiterkarten 36, 42 sind untereinander verbunden und können auch als gemeinsame Flexprint-Leiterkarte ausgebildet sein.In the scanning unit 12th generates a light transmitter 22nd with the help of a transmission optics 24 a transmitted light beam 26th from a tube 28 shielded in the monitoring area 20th is sent out. If the transmitted light beam hits 26th in the surveillance area 20th onto an object, a corresponding light beam returns as remitted light 30th to the laser scanner 10 back. The returned light 30th is from a receiving optics 32 on a light receiver 34 out and converted there into an electrical received signal. The light receiver 34 is in this embodiment on a printed circuit board 36 arranged on the axis of rotation 18th lies and with the wave 38 of the drive 16 connected is. The receiving optics 32 is supported by legs 40 on the circuit board 36 and holds another circuit board 42 of the light transmitter 22nd . The two circuit boards 36 , 42 are interconnected and can also be designed as a common flexprint circuit card.

Dieser konkrete Aufbau der Abtasteinheit 12 ist rein beispielhaft zu verstehen. Der eigentliche Gegenstand der Erfindung ist eine kontaktlose, induktive Energieübertragungseinheit 44 zur Übertragung von Energie von der Sockeleinheit 14 in die Abtasteinheit 12. Die Energieübertragungseinheit 44 weist ein mit der Abtasteinheit 12 mitbewegtes Führungselement 46a mit Spule 48a und ein mit der Sockeleinheit 14 ruhendes Führungselement 46b mit Spule 48b auf. Der Übergang 50 zwischen Abtasteinheit 12 und Sockeleinheit 14 verläuft wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet zwischen den Führungselementen 46a-b und Spulen 48a-b. Die induktive Energieübertragungseinheit 44 wird später unter Bezugnahme auf die 2a-b, 3a-b genauer erläutert. Die Energieübertragung kann um eine drahtlose Datenübertragung ergänzt werden.This specific structure of the scanning unit 12th is to be understood purely as an example. The actual subject of the invention is a contactless, inductive energy transmission unit 44 for transferring energy from the base unit 14th into the scanning unit 12th . The energy transfer unit 44 has one with the scanning unit 12th moving guide element 46a with coil 48a and one with the base unit 14th stationary guide element 46b with coil 48b on. The transition 50 between scanning unit 12th and base unit 14th runs as indicated by a dashed line between the guide elements 46a-b and coils 48a-b . The inductive energy transfer unit 44 will be referred to later on 2a-b , 3a-b explained in more detail. The energy transfer can be supplemented by wireless data transfer.

Die Energieübertragungseinheit 44 ist in der Abtasteinheit 12 mit der Leiterkarte 36 und in der Sockeleinheit 14 mit einer Versorgungseinheit 52 verbunden, die zum Beispiel über einen Anschluss 54 mit dem Stromnetz verbunden ist. Weiterhin ist in der Sockeleinheit 14 eine Steuer- und Auswertungseinheit 56 angeordnet, die mit den zu steuernden Elementen der Sockeleinheit 14 und über die schon angesprochene, nicht gezeigte drahtlose Datenübertragung auch mit der Abtasteinheit 12 verbunden ist, beispielsweise ebenfalls der Leiterkarte 36. Auf diese Weise kann die Steuer- und Auswertungseinheit 56 den Lichtsender 22 steuern und erhält das Empfangssignal des Lichtempfängers 34 zur weiteren Auswertung. Die Steuer- und Auswertungseinheit 46 steuert außerdem den Antrieb 16 und erhält das Signal einer nicht gezeigten, von Laserscannern allgemein bekannten Winkelmesseinheit, welche die jeweilige Winkelstellung der Abtasteinheit 12 bestimmt.The energy transfer unit 44 is in the scanning unit 12th with the circuit board 36 and in the base unit 14th with a supply unit 52 connected, for example via a connector 54 is connected to the power grid. Furthermore is in the base unit 14th a control and evaluation unit 56 arranged with the elements to be controlled of the base unit 14th and via the already mentioned, not shown wireless data transmission with the scanning unit 12th is connected, for example also the circuit board 36 . In this way, the control and evaluation unit 56 the light transmitter 22nd control and receive the received signal of the light receiver 34 for further evaluation. The control and evaluation unit 46 also controls the drive 16 and receives the signal from an angle measuring unit (not shown), generally known from laser scanners, which determines the respective angular position of the scanning unit 12th certainly.

Zur Auswertung wird vorzugsweise mit einem Lichtlaufzeitverfahren die Distanz zu einem angetasteten Objekt gemessen. Die jeweilige Winkelstellung, unter welcher der Sendelichtstrahl 26 jeweils ausgesandt wurde, ist von der Winkelmesseinheit ebenfalls bekannt. Somit stehen nach jeder Scanperiode über den Winkel und die Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objektpunkte in einer Abtastebene zur Verfügung. Durch eine zusätzliche Verkippung der Abtasteinheit 12 kann auch ein dreidimensionaler Überwachungsbereich 20 erfasst werden.For the evaluation, the distance to a touched object is preferably measured using a time-of-flight method. The respective angular position at which the transmitted light beam 26th was sent in each case, is also known from the angle measuring unit. Thus, after each scanning period, two-dimensional polar coordinates of all object points in a scanning plane are available over the angle and the distance. By an additional tilting of the scanning unit 12th can also be a three-dimensional surveillance area 20th are recorded.

Wie schon zum konkreten Aufbau der Abtasteinheit 12 erwähnt, ist der auch der Aufbau des Laserscanners 10 insgesamt beispielhaft zu verstehen. Alternativ zu dem gezeigten System mit nur einem Abtaststrahl 26, 30 ist auch ein mehrstrahliges System vorstellbar, das mehrere in Elevation beabstandete Abtastungen vornimmt. Auch ein Laserscanner 10 an sich ist nur ein Beispiel für einen optoelektronischen Sensor mit um die Drehachse 18 beweglicher Abtasteinheit 12 und ruhender Sockeleinheit 14, in der die Energieübertragungseinheit 44 eingesetzt werden kann. Die Erfindung ist auch nicht auf optoelektronische Sensoren beschränkt, sondern kann beispielsweise auch als Radar ausgestaltet sein. Der Grobaufbau ändert sich dadurch nicht. An die Stelle von Lichtsender 22 und Lichtempfänger 34 treten entsprechende Radarsender und Radarempfänger, und die Optiken werden weggelassen beziehungsweise durch ein Radom oder dergleichen ersetzt.As with the concrete structure of the scanning unit 12th mentioned, this is also the structure of the laser scanner 10 overall to be understood as an example. As an alternative to the system shown with only one scanning beam 26th , 30th a multi-beam system is also conceivable which carries out several scans spaced apart in elevation. Also a laser scanner 10 per se is only one example of an optoelectronic sensor with around the axis of rotation 18th movable scanning unit 12th and stationary base unit 14th , in which the energy transfer unit 44 can be used. The invention is also not restricted to optoelectronic sensors, but can also be designed as a radar, for example. This does not change the coarse structure. Instead of a light transmitter 22nd and light receivers 34 corresponding radar transmitters and radar receivers occur, and the optics are omitted or replaced by a radome or the like.

2a zeigt eine Detailansicht der induktiven Energieübertragungseinheit 44 bei senkrechtem Luftspalt, 2b eine entsprechende Detailansicht bei parallelem Luftspalt. Dargestellt ist wie auch schon in 1 ein Schnitt durch die insgesamt ringförmige Energieübertragungseinheit 44. Die vorzugsweise aus Ferrit gefertigten Führungselemente 46a-b sind demnach jeweils Ringe. Sie weisen einen L-förmigen Querschnitt auf. Die beiden L-Formen sind zueinander punktsymmetrisch beziehungsweise um 180° verdreht und bilden so effektiv einen rechteckförmigen Hohlraum. Dort sind Spulen 48a-b einander gegenüber mitbewegt beziehungsweise ruhend angeordnet. 2a shows a detailed view of the inductive energy transfer unit 44 with vertical air gap, 2 B a corresponding detailed view with a parallel air gap. It is shown as in 1 a section through the overall ring-shaped energy transmission unit 44 . The guide elements, which are preferably made of ferrite 46a-b are therefore each rings. They have an L-shaped cross section. The two L-shapes are point-symmetrical to each other or rotated by 180 ° and thus effectively form a rectangular cavity. There are coils there 48a-b opposite to each other moved or arranged at rest.

Das Magnetfeld wird bei gleichem Luftspalt von diesen L-Formen fast gleichwertig gut geführt wie bei herkömmlichen Ringschalen. Das Einbringen insbesondere der äußeren Spule 48a ist aber stark vereinfacht. Die Spulen 48a-b können für beide Führungselemente 46a-b fertig gewickelt von oben oder unten direkt oder mit Hilfe eines Spulenträgers eingelegt werden. Die Spulen 48a-b können aus Kupferlackdraht oder HF-Litze gewickelt oder innerhalb einer Leiterplatte realisiert werden, sei es mit oder ohne zusätzlichen Träger. Wicklungsanzahl, Wicklungslagen und Wicklungstyp werden den jeweiligen konkreten Anforderung angepasst. Wie unmittelbar aus den 2a-b zu erkennen ist, besteht wegen der L-Formen und deren Anordnung nur ein geringfügiger baulicher Unterschied zwischen Ausführungsformen mit senkrechtem und parallelem Luftspalt. Es kann diejenige Variante gewählt werden, bei dem Einflüsse wie das Lagerspiel des Antriebs 16 oder Schwing- und Schockbelastungen sich möglichst wenig auf die Breite des Luftspaltes auswirken.With the same air gap, the magnetic field is guided by these L-shapes almost as effectively as with conventional ring bowls. The introduction of the outer coil in particular 48a but is greatly simplified. The spools 48a-b can for both guide elements 46a-b ready-wound can be inserted from above or below directly or with the help of a spool carrier. The spools 48a-b can be wound from enamelled copper wire or HF litz wire or implemented within a printed circuit board, with or without an additional carrier. The number of windings, the winding layers and the type of winding are adapted to the specific requirements in each case. As immediately from the 2a-b can be seen, there is only a slight structural difference between embodiments with vertical and parallel air gap because of the L-shapes and their arrangement. The variant can be selected in which influences such as the bearing play of the drive 16 or vibration and shock loads have as little effect as possible on the width of the air gap.

Die 3a und 3b zeigen eine Schnittansicht beziehungsweise Draufsicht auf ein Führungselement 46b, wobei hier stellvertretend das innere Führungselement 46b der Sockeleinheit 14 herausgegriffen ist. Die Führungselemente 46a-b sind jeweils in mehrere Führungssegmente 46a1-bn unterteilt, die einzeln Kreis- oder Ringsektoren und nur gemeinsam einen Ring bilden. Statt wie dargestellt sechs Führungssegmente 46a1-bn können auch mehr oder weniger vorgesehen sein.The 3a and 3b show a sectional view or plan view of a guide element 46b , whereby the inner guide element is representative here 46b the base unit 14th is singled out. The guiding elements 46a-b are each divided into several guide segments 46a1-bn, the individual circular or ring sectors and only form a ring together. Instead of six guide segments 46a1-bn as shown, more or fewer can also be provided.

Die Effizienzverluste der induktiven Kopplung durch die Segmentierung sind gering, solange die Lücken zwischen den Führungssegmente 46a1-bn klein bleiben. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen, aus einem Stück gefertigten Ferrit treten pro Führungssegmente 46a1-bn nur verringerte Absoluttoleranzen auf, da die erwartete Schrumpfung zwischen Ferritrohling und gesintertem Ferrit bei dem vergleichsweise kleinen Führungssegment 46a1-bn geringer ausfällt als bei einem gesamten Ring. Zudem sind kleine Ferrite, etwa aufgrund von Stückzahleffekten, überproportional günstiger herzustellen als große.The efficiency losses of the inductive coupling due to the segmentation are small as long as the gaps between the guide segments 46a1-bn remain small. In contrast to a conventional ferrite made from one piece, only reduced absolute tolerances occur per guide segment 46a1-bn, since the expected shrinkage between ferrite blank and sintered ferrite is less for the comparatively small guide segment 46a1-bn than for an entire ring. In addition, small ferrites are disproportionately cheaper to manufacture than large ones, for example due to the effects of the number of pieces.

Die 3a-b illustrieren auch einen zusätzlichen Fertigungsschritt, mit denen die Führungssegmente 46a1-bn korrekt ausrichtet und zusammenfügt werden. Zunächst werden die Führungssegmente 46a1-bn in einen Träger 58 eingelegt und dadurch bereits grob ausgerichtet. Der Träger 58 weist vorzugsweise Segmentteiler 60 auf. Für den Träger kommen unterschiedliche Fertigungsverfahren in Betracht, wie Kunststoffspritzguss, die im Gegensatz zur Bearbeitung von Ferriten sehr günstig und genau sind.The 3a-b also illustrate an additional manufacturing step with which the guide segments 46a1-bn are correctly aligned and joined together. First, the guide segments 46a1-bn are in a carrier 58 inserted and thus already roughly aligned. The carrier 58 preferably has segment dividers 60 on. Different manufacturing processes come into consideration for the carrier, such as plastic injection molding, which, in contrast to the processing of ferrites, are very cheap and precise.

Danach werden die Führungssegmente 46a1-bn durch einen Anschlag mit hoher Präzision dem gewünschten Luftspalt hin ausgerichtet. Hier ist der Anschlag durch einen Montagering 62 vorgegeben, der nach der Herstellung wieder entfernt wird. Der Montagering 62 weist Magneten 64 an der gewünschten Anschlagsposition auf. Die Ausrichtung erfolgt dann dank der magnetischen Eigenschaften der Führungssegmente 46a1-bn selbstständig. Im Anschluss an die Ausrichtung werden die Führungssegmente 46a1-bn zusammen mit dem Träger 58 fixiert. Gleichzeitig oder im Nachgang kann die Spule 48a-b hinzugefügt werden. 3a-b illustriert das Führungselement 46a der Sockeleinheit 14. Für das andere Führungselement 46b der Abtasteinheit 12 wird entsprechend ein innerer Montagering anstelle des äußeren Montagerings 62 verwendet.The guide segments 46a1-bn are then aligned with high precision towards the desired air gap by a stop. Here is the stop by a mounting ring 62 specified, which is removed again after production. The mounting ring 62 has magnets 64 at the desired stop position. The alignment then takes place automatically thanks to the magnetic properties of the guide segments 46a1-bn. Following the alignment, the guide segments 46a1-bn together with the carrier 58 fixed. At the same time or afterwards, the coil can 48a-b to be added. 3a-b illustrates the guide element 46a the base unit 14th . For the other guide element 46b the scanning unit 12th accordingly, an inner mounting ring is used instead of the outer mounting ring 62 used.

Die so entstandenen Führungselemente 46a-b sind zum jeweiligen Luftspalt hin hoch präzise ausgerichtet, und diese Genauigkeit wird durch die relativ kleinen Absoluttoleranzen der Führungssegmente 46a1-bn noch erhöht. In der ganzen Toleranzkette werden die mechanischen Toleranzen zusammen mit der Ausrichtung so klein, dass eine Nachbearbeitung nicht mehr notwendig ist. Dies ergibt enorme Einsparungen, die die Kosten des zusätzlichen Fertigungsschrittes um ein Vielfaches übersteigen. Außerdem wird die Energieübertragungseinheit 44 durch das Fügen und das zusätzliche Fixieren der einzelnen Führungssegmente 46a1-bn auf dem Träger 58 sehr viel elastischer, und so kommt es weniger wahrscheinlich zu Brüchen von sprödem Ferritmaterial bei mechanischen oder thermischen Belastungen.The resulting guide elements 46a-b are aligned with high precision towards the respective air gap, and this accuracy is further increased by the relatively small absolute tolerances of the guide segments 46a1-bn. In the entire tolerance chain, the mechanical tolerances together with the alignment become so small that post-processing is no longer necessary. This results in enormous savings that exceed the costs of the additional manufacturing step many times over. In addition, the energy transfer unit 44 by joining and additionally fixing the individual guide segments 46a1-bn on the carrier 58 much more elastic, and so brittle ferrite material is less likely to break under mechanical or thermal loads.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 19757849 B4 [0003]
EP 2388619 A1 [0007]
EP 2933655 B1 [0008]
EP 1975571 B1 [0009]
EP 2875512 B1 [0010]

Claims

Sensor (10), in particular laser scanner or radar, for detecting objects in a monitoring area (20), with at least one transmitter (22) for sending out a transmission signal (26), at least one receiver (34) for generating a reception signal from the Send signal (30) thrown back objects, a base unit (14), a scanning unit (12) which is movable relative to the base unit (14) about an axis of rotation (18) for periodic scanning of the monitored area (20) and a control and evaluation unit (56) for detection of information about the objects on the basis of the received signal, an inductive energy transfer unit (44) being provided between the base unit (14) and the scanning unit (12), which has a first guide element (46a) of the base unit (12) and a second guide element (46b) of the scanning unit (12) for guiding the magnetic field of the inductive energy transmission and wherein the guide elements (46a-b) have an L-shaped cross section a ufweisen, characterized in that the guide elements (46a-b) are divided in the circumferential direction in each case at least two guide segments (46a1-bn).

Sensor (10) Claim 1 , wherein the guide elements (46a-b) are arranged in a ring around the axis of rotation (18) and in particular are arranged with respect to one another in such a way that the L-shaped cross-sections together form a hollow ring.

Sensor (10) Claim 1 or 2 , wherein the guide segments (46a1-bn) are designed as ring segments which complement each other to form a ring around the axis of rotation (18).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the guide elements (46a-b) have an annular carrier (58), in particular made of plastic, on which the guide segments (46a1-bn) are aligned with the stop (62) to the air gap and so with the Carrier (58) are fixed.

Sensor (10) Claim 5 wherein the carrier (58) has segment dividers (60) between the guide segments (46a1-bn).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the guide segments (46a1-bn) are made of ferrite

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein coils (48a-b) are inserted into the guide elements (46a-b), wherein in particular an air gap is provided between the coils (48a-b) which is parallel or perpendicular to the axis of rotation (18) is arranged.