DE4335701A1 - Induktive Winkelmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Winkelmeßeinrichtung mit einem vor­ zugsweise als rotationssymmetrische Magnetfluß-Führungseinrichtung ausge­ führten Bezugskörper, mit einer nach Anlegung einer Wechselspannung ein magnetisches Wechselfeld erzeugenden Primärspule, mit einer in dem von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeld vorgesehenen Sekundärspule und mit einem das die Sekundärspule durchsetzende magnetische Wechselfeld durch seine Relativstellung zum Bezugskörper beeinflussenden Meßkörper.

Induktive Winkelmeßeinrichtungen der hier grundsätzlich in Rede stehenden Art dienen der Messung - sowie ggf. der Anzeige und/oder der Auswertung - des Winkels zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper und sind seit langem bekannt (vgl. die US-A-3,949,339, die Literaturstelle "antriebs­ technik" 31 (1992) Nr. 9, Seiten 46, 48 und 51, die EP-A-0 519 844 sowie die DE-A-41 27 209 und die den Gegenstand der DE-A-41 27 209 beschreibende Literaturstelle "ELEKTRIE", Berlin 47 (1993) 4, Seiten 165 bis 167). Die Funktionsweise dieser Winkelmeßgeräte beruht zunächst ganz allgemein auf dem Induktionsprinzip. Die Primärspule erzeugt nach Anlegen einer Wechselspannung ein magnetisches Wechselfeld. In diesem magnetischen Wechselfeld befindet sich die Sekundärspule, so daß in ihr - nach dem In­ duktionsgesetz - eine Wechselspannung erzeugt wird. Die Größe dieser Wechselspannung ist abhängig einerseits von der Größe des von der Primär­ spule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, also - bei vorgegebener Primär­ spule - von der Größe der an die Primärspule angelegten Wechselspannung, andererseits davon, welcher Anteil des von der Primärspule erzeugten magne­ tischen Wechselfeldes die Sekundärspule durchsetzt. Sorgt man dafür, daß der Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundärspule durchsetzt, abhängig ist von der Relativstellung des Meßkörpers zum Bezugskörper, also vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper, so ist die Größe der in der Sekundärspule erzeugten Wech­ selspannung abhängig von der Relativstellung des Meßkörpers zum Bezugskörper, also vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper. Gemeinsam ist folglich allen induktiven Winkelmeßeinrichtungen der hier grundsätzlich in Rede stehenden Art, daß mit Hilfe des Meßkörpers der Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundärspule durchsetzt, beeinflußt werden kann, wobei vorzugsweise zwischen dem Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper einerseits und dem Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundär­ spule durchsetzt, eine lineare Abhängigkeit besteht, so daß die Größe der in der Sekundärspule erzeugten Wechselspannung linear abhängig ist von der Relativstellung des Meßkörpers zum Bezugskörper, also vom Winkel zwi­ schen dem Meßkörper und dem Bezugskörper.

Bei der bekannten induktiven Winkelmeßeinrichtung, von der die Erfindung ausgeht (vgl. die US-A-3,949,339), bestehen der Bezugskörper und der Meßkörper aus ferromagnetischem Material. Innerhalb des - als Schalenkern ausgeführten - Bezugskörpers sind - ortsfest in bezug auf den Bezugskörper - die Primärspule und die Sekundärspule vorgesehen. Während also der Bezugs­ körper - im wesentlichen - rotationssymmetrisch ausgeführt ist, ist der Meßkörper nicht rotationssymmetrisch ausgeführt. Der Meßkörper stellt viel­ mehr gleichsam eine Hälfte eines Schalenkerns dar.

Im übrigen ist eine induktive Winkelmeßvorrichtung der hier grundsätzlich in Rede stehenden Art bekannt (vgl. die DE-A-41 27 209 und die Litera­ turstelle "ELEKTRIE", Berlin 47 (1993) 4, Seiten 165 bis 167), bei der der Bezugskörper als Trägerplatine ausgeführt ist, auf der sowohl die Primär­ spule als auch die Sekundärspule vorgesehen sind, während der Meßköper aus zwei, beidseitig der Trägerplatine vorgesehenen becherförmigen, durch eine Achse verbundenen Kernschalen besteht. Bei dieser bekannten induktiven Winkelmeßvorrichtung sind, wie bei der induktiven Winkelmeßvorrichtung, von der die Erfindung ausgeht, der Bezugskörper rotationssymmetrisch, der Meß­ körper dagegen nicht rotationssymmetrisch ausgeführt. Die beiden den Meß­ körper bildenden becherförmigen Kernschalen bestehen praktisch jeweils aus zwei Halbschalen mit unterschiedlichem Durchmesser.

Für induktive Winkelmeßeinrichtungen der hier grundsätzlich in Rede stehen­ den Art ist von Bedeutung, was auch für die beiden zuvor beschriebenen be­ kannten Winkelmeßeinrichtungen gilt, daß einerseits der Bezugskörper und/oder der Meßkörper ferritisch ausgebildet sind bzw. ist, daß andererseits auch eine Messung des Winkels zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper bei relativ hohen Drehzahlen des Meßkörpers in Frage kommen kann.

Bei der bekannten induktiven Winkelmeßeinrichtung, von der die Erfindung ausgeht, sind sowohl der Bezugskörper als auch der Meßkörper ferritisch ausgebildet. Demgegenüber ist bei der anderen bekannten, zuvor beschriebe­ nen induktiven Winkelmeßeinrichtung nur der Meßkörper ferritisch ausgebil­ det.

Induktive Winkelmeßeinrichtungen der hier in Rede stehenden Art werden einerseits eingesetzt, um - gleichsam statisch - den Winkel zwischen dem sich nicht bewegenden, also nicht rotierenden Meßkörper und dem ortsfesten Bezugskörper zu messen. Solche Winkelmeßeinrichtungen werden jedoch auch eingesetzt, um den - momentanen - Winkel zwischen dem rotierenden Meßkörper und dem ortsfesten Bezugskörper zu messen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte induktive Winkel­ meßeinrichtung, von der die Erfindung ausgeht, unter Berücksichtigung der dem Stand der Technik zuvor zugeschriebenen Nachteile zu verbessern, insbe­ sondere insoweit zu verbessern, daß einerseits als Material für die Magnet­ fluß-Führung problemlos Ferrite eingesetzt werden können, daß andererseits auch bei relativ hohen Drehzahlen Probleme nicht auftreten.

Die erfindungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung, bei der die zuvor her­ geleitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im we­ sentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper aus elektrisch nicht- leitendem Material besteht und teilweise mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung ist nur der orts­ feste Bezugskörper ferromagnetisch, vorzugsweise ferritisch ausgeführt. Während bei den bekannten, weiter oben beschriebenen induktiven Winkelmeß­ einrichtungen der Meßkörper ferromagnetisch, vorzugsweise ferritisch aus­ geführt ist, besteht bei der erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrich­ tung der Meßkörper aus elektrisch nicht-leitendem Material; der Meßkörper besteht vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Leiterplattenmaterial. Daß bei der erfindungsgemäßen Winkelmeßeinrichtung nur der ortsfeste Bezugs­ körper aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus ferritischem Ma­ terial besteht, hat den Vorteil, daß sich der Bezugskörper konstruktiv gut gegen Stöße und Schockwellen schützen läßt. Das ist von besonderer Bedeu­ tung, wenn der Bezugskörper ferritisch ausgebildet ist, weil Ferrite bruch­ empfindlich sind.

Wie bereits weiter oben ausgeführt, ist bei induktiven Winkelmeßeinrich­ tungen der in Rede stehenden Art die Größe der in der Sekundärspule - als Meßgröße - induzierten Wechselspannung abhängig davon, welcher Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes die Sekundärspule durchsetzt. Der Meßkörper muß also so ausgeführt sein, daß der Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundär­ spule durchsetzt, abhängig ist von der Relativstellung des Meßkörpers zum Bezugskörper, also vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper. Anders ausgedrückt muß der Meßkörper das magnetische Wechselfeld beein­ flussen können und darf diese Beeinflussung nicht unabhängig sein von der Relativstellung des Meßkörpers zum Bezugskörper. Hinsichtlich seiner Wir­ kung auf das magnetische Wechselfeld darf also der Meßkörper nicht rota­ tionssymmetrisch sein.

Das, was zuvor als funktionsnotwendige Eigenschaft des Meßkörpers beschrie­ ben ist, ist bei der erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung da­ durch realisiert, daß der Meßkörper teilweise mit einer elektrisch leiten­ den Beschichtung versehen ist. Das von der Primärspule erzeugte magnetische Wechselfeld induziert in der elektrisch leitenden Beschichtung des Meßkör­ pers Wirbelströme, die die Symmetrie des von der Primärspule erzeugten mag­ netischen Wechselfeldes stören. Das wirkt sich in bezug auf die Sekundär­ spule dahingehend aus, daß das magnetische Wechselfeld beeinflußt und nicht rotationssymmetrisch ist; je stärker das magnetische Wechselfeld in der Nähe der Sekundärspule beeinflußt ist, desto geringer ist die in ihr induzierte Wechselspannung.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, bei der erfindungsge­ mäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung die elektrisch leitende Beschichtung des Meßkörpers auszuführen.

Zuvor ist im einzelnen erläutert worden, daß und warum der Meßkörper nur teilweise mit der elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist. Vorzugs­ weise bedeckt die elektrisch leitende Beschichtung den Meßkörper in einem Kreissegment von 180°. Sie besteht vorzugsweise aus Kupfer und kann in ver­ schiedener Weise auf den Meßkörper aufgebracht werden. Denkbar ist das Aufbringen einer Folie aus Kupfer. Denkbar ist aber auch, einen Meßkörper zu verwenden, der zunächst insgesamt eine Beschichtung aus Kupfer aufweist, wobei dann in zum Stand der Technik gehörender Weise ein Teil der Beschich­ tung aus Kupfer entfernt wird, so daß nur die funktionsnotwendige teilweise Beschichtung des Meßkörpers verbleibt.

Im übrigen kann bei der erfindungsgemäßen Winkelmeßvorrichtung der Meßkörper die Beschichtung einseitig aufweisen, wobei dann die Beschichtung vorzugs­ weise der Primärspule zugewandt ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Meßkörper beidseitig mit der elektrisch leitenden Beschichtung zu ver­ sehen.

Weiter oben ist bereits ausgeführt worden, daß bei der erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung der Meßkörper "hinsichtlich seiner Wirkung auf das magnetische Wechselfeld" nicht rotationssymmetrisch sein darf. Vor­ zugsweise ist gleichwohl der Meßkörper insgesamt zumindest im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt; insbesondere ist der Meßkörper derart ge­ staltet, daß die Beschichtung nicht zu einer asymmetrischen Gewichtsver­ teilung des Meßkörpers führt. Dazu kann der Meßkörper dort, wo er mit der elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist, zuvor materialgeschwächt ausgeführt sein. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den Meß­ körper dort, wo er nicht mit einer elektrisch leitenden Beschichtung ver­ sehen ist, mit einer elektrisch und magnetisch nicht-leitenden, gewichts­ gleichen Beschichtung zu versehen.

Bei der erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung hat die rotations­ symmetrische Ausbildung des Meßkörpers den wesentlichen Vorteil, daß jede Unwucht vermieden ist. Dieser Vorteil ist besonders dann von Bedeutung, wenn der Meßkörper rotiert, wenn also mit der erfindungsgemäßen Winkel­ meßeinrichtung - momentane - Winkel zwischen dem rotierenden Meßkörper und dem ortsfesten Bezugskörper gemessen werden.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße in­ duktive Winkelmeßeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentan­ sprüche, andererseits auf die folgende, anhand der Zeichnung gegebene Erläu­ terung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des vorhandenen mag­ netischen Wechselfeldes, der Sekundärspule und der elektrisch leitenden Beschichtung des Meßkörpers,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende grafische Darstellung zu einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung, die zwei Sekundärspulen aufweist,

Fig. 4 den Verlauf der in den Sekundärspulen nach Fig. 3 - als Meßgröße - erzeugten Wechselspannungen, in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper bzw. zwischen dem Meßkörper und den Sekundärspulen,

Fig. 5 im Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Auswerteelektronik für eine erfindungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung.

Die erfindungsgemäße, in Fig. 1 mehr schematisch, in Fig. 5 detailliert dargestellte induktive Winkelmeßeinrichtung 1 besteht in ihrem grundsätzli­ chen Aufbau aus einem als rotationssymmetrische Magnetfluß-Führungseinrich­ tung ausgeführten Bezugskörper 2, aus einer nach Anlegung einer Wechsel­ spannung ein magnetisches Wechselfeld erzeugenden Primärspule 3, aus einer in dem von der Primärspule 3 erzeugten magnetischen Wechselfeld vor­ gesehenen Sekundärspule 4 und aus einem das die Sekundärspule 4 durchsetzende magnetische Wechselfeld durch seine Relativstellung zum Bezugskörper 2 be­ einflussenden Meßkörper 5. Es handelt sich also um eine induktive Winkel­ meßeinrichtung 1, die der Messung - sowie ggf. der Anzeige. und/oder der Auswertung - des Winkels zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 dient und deren Funktionsweise auf dem Induktionsprinzip beruht. Die Primär­ spule 3 erzeugt nach Anlegen einer Wechselspannung ein magnetisches Wechsel­ feld, das in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist, nämlich, wie üblich, durch ⊗-Symbole und durch ⊖-Symbole. In dem magnetischen Wechselfeld befindet sich die Sekundärspule 4, so daß in ihr - nach dem Induktionsgesetz - eine Wechselspannung erzeugt wird, deren Größe abhängig ist einerseits von der Größe des von der Primärspule 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes, also - bei vorgegebener Primärspule 3 - von der Größe der an die Primärspule 3 angelegten Wechselspannung, andererseits davon, welcher Anteil des von der Primärspule 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes die Sekundärspule 4 durchsetzt. Der Anteil des magnetischen Wechselfeldes, der die Sekundärspule 4 durchsetzt, ist abhängig von der Relativstellung des Meßkörpers 5 zum Be­ zugskörper 2, also abhängig vom Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2.

Für die erfindungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung 1 gilt nun, daß der Meßkörper 5, an den im übrigen eine Welle 6 angeschlossen ist, aus elektrisch nicht-leitendem Material besteht, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Leiterplattenmaterial, und teilweise mit einer elektrisch leitenden Beschich­ tung 7 versehen ist. Das von der Primärspule 3 erzeugte magnetische Wechsel­ feld induziert in der elektrisch leitenden Beschichtung 7 des Meßkörpers Wirbelströme, die die Symmetrie des von der Primärspule 3 erzeugten magne­ tischen Wechselfeldes stören. Das wirkt sich in bezug auf die Sekundärspule 4 dahingehend aus, daß das magnetische Wechselfeld beeinflußt und nicht rota­ tionssymmetrisch ist; je stärker das magnetische Wechselfeld in der Nähe der Sekundärspule 4 durch die Beschichtung 7 des Meßkörpers 5 beeinflußt ist, desto geringer ist die in der Sekundärspule 4 induzierte Wechselspannung.

Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, bedeckt die elektrisch leitende Be­ schichtung 7 den - in Fig. 2 nicht dargestellten - Meßkörper 5 in einem Kreissegment von 180°. Der Meßkörper 5 kann die Beschichtung 7, die vorzugs­ weise aus Kupfer besteht, einseitig, wie in Fig. 5 dargestellt, aber auch beidseitig, wie in Fig. 1 dargestellt, aufweisen. Weist der Meßkörper 5 nur einseitig die Beschichtung 7 auf, so befindet sich diese zweckmäßiger­ weise auf der der Primärspule 3 zugewandten Seite des Meßkörpers 5. Im übrigen gilt für die dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer induktiver Winkelmeßeinrichtungen 1, daß der Meßkörper 5 rotationssymmetrisch ausgeführt ist; insbesondere ist der Meßkörper 5 derart ausgestaltet, daß die Beschichtung 7 nicht zu einer asymmetrischen Gewichtsverteilung des Meßkörpers 5 führt.

In den beiden in den Fig. 1 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen er­ findungsgemäßer induktiver Winkelmeßeinrichtungen 1 ist, wie im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, der Bezugskörper 2 als Schalenkern - aus ferritischem Material - ausgeführt und die Primärspule 3 innerhalb des Bezugskörpers 2 angeordnet. Im übrigen ist jeweils dem Bezugskörper 2 ein als Magnetfluß-Führungseinrichtung ausgeführter Ergänzungskörper 9 zuge­ ordnet. Während der Ergänzungskörper 9 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wie der Bezugskörper 2, als Schalenkern ausgeführt ist, gilt für das Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 5, daß der Ergänzungskörper 9 scheibenförmig ausge­ führt ist. Der Bezugskörper 2 und der Ergänzungskörper 9 bilden einen weitgehend geschlossenen magnetischen Kreis, wobei die Sekundärspule 4 und der Meßkörper 5 zwischen dem Bezugskörper 2 und dem Ergänzungskörper 9 - in einem dort vorhandenen Luftspalt - angeordnet sind. Im einzelnen ist die Sekundärspule 4 zwischen dem Bezugskörper 2 und dem Meßkörper 5 ange­ ordnet und auf einem scheibenförmigen Spulenträger 8 vorgesehen.

Für das, was bisher in bezug auf die erfindungsgemäße, speziell ausgebil­ dete Winkelmeßeinrichtung 1 beschrieben ist, gilt, daß die in der Sekundär­ spule 4 induzierte Wechselspannung abhängig ist von der Relativstellung des Meßkörpers 5 zum Bezugskörper 2, also abhängig ist vom Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2; die Größe der in der Sekundärspu­ le 4 erzeugten Wechselspannung ändert sich von einem Minimalwert, der ungleich Null ist, und einem Maximalwert. Damit ist - in Strenge - eine lineare Abhängigkeit der Größe der in der Sekundärspule 4 erzeugten Wechsel­ spannung vom Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 nicht gegeben.

Es gehört zum Stand der Technik (vgl. die US-A-3,949,339, die Literatur­ stelle "antriebstechnik", aaO, die EP-A-0 519 844 sowie die DE-A-41 27 209 und die den Gegenstand der DE-A-41 27 209 beschreibende Lite­ raturstelle "ELEKTRIE", aaO), die zuvor erläuterte, bei induktiven Winkel­ meßeinrichtungen der grundsätzlich in Rede stehenden Art vorhandene nicht­ lineare Abhängigkeit der Größe der in der Sekundärspule erzeugten Wechsel­ spannung durch das Prinzip des Differential-Transformators zu eliminieren. Dabei besteht die Sekundärspule aus zwei invers geschalteten Teilwicklun­ gen. Werden beide Teilwicklungen der Sekundärspule in gleicher Weise vom magnetischen Wechselfeld durchsetzt, so wird in jeder der beiden Teilwick­ lungen eine gleich große, jedoch entgegengesetzt polarisierte Wechselspan­ nung induziert, so daß die insgesamt in der Sekundärspule induzierte Spannung, die Differenzspannung der beiden Teilwicklungen, Null ist. Werden jedoch die beiden Teilwicklungen der Sekundärspule von unterschiedlichen magnetischen Wechselfeldern durchsetzt, so werden in den Teilwicklungen unterschiedlich große Wechselspannungen induziert, so daß die Spannung der Sekundärspule insgesamt ungleich Null ist.

Das, was zuvor zum Prinzip des Differential-Transformators erläutert worden ist, ist auch bei den dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer induktiver Winkelmeßeinrichtungen 1 verwirklicht. Die Sekundärspule 4 be­ steht aus zwei invers geschalteten Teilwicklungen 4a, 4b, wobei, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, die beiden Teilwicklungen 4a, 4b der Sekundärspule 4 jeweils einen Teilbereich des magnetischen Wechselfeldes, in den dargestell­ ten Ausführungsbeispielen ca. 180°, umschließen und die Flächen der beiden Teilwicklungen 4a, 4b gleich groß sind. Wie die Fig. 2 zeigt, ist die Be­ schichtung 7 des Meßkörpers 5 den beiden Teilwicklungen 4a und 4b der Se­ kundärwicklung 4 symmetrisch zugeordnet. Die Folge davon ist, daß die beiden Teilwicklungen 4a und 4b der Sekundärwicklung 4 in gleicher Weise vom magnetischen Wechselfeld durchsetzt sind, so daß bei der gezeigten Zu­ ordnung der Beschichtung 7 des Meßkörpers 5 zur Sekundärspule 4 die in der Sekundärspule 4 induzierte Wechselspannung resultierend Null ist. Bei einer Winkelstellung des Meßkörpers 4, die um 90° von der in Fig. 2 dargestellten Position abweicht, ist beispielsweise die Beschichtung 7 des Meßkörpers 5 nur der Teilwicklung 4a der Sekundärwicklung 4 zugeordnet, während die Teilwicklung 4b der Sekundärwicklung 4 von der Beschichtung 7 des Meßkör­ pers nicht beeinflußt wird. Die Folge davon ist, daß die in der Sekundär­ spule 4 induzierte Wechselspannung ihren Maximalwert hat. Die in der Sekun­ därspule 4 induzierte Wechselspannung ändert sich also linear zwischen Null (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 0°) und einem Maximalwert (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 90°), dem Maximalwert und Null (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 180°), Null und dem negativen Maximalwert (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 270°) sowie dem negativen Maximal­ wert und Null (Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 = 360° = 0°). Für - nahezu - jeden Spannungswert der in der Sekundärspule 4 induzierten Wechselspannung gibt es also zwei zugeordnete Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2; ein eindeutiger Zusammenhang zwi­ schen dem Spannungswert der in der Sekundärspule 4 induzierten Wechselspan­ nung und dem Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2 ist also nicht gegeben.

Bei Winkelmeßeinrichtungen, und zwar sowohl bei induktiven Winkelmeßeinrich­ tungen (vgl. die DE-A-41 27 209) als auch bei kapazitiven Winkelmeßein­ richtungen (vgl. die DE-C-37 11 062), ist das Problem der zuvor be­ schriebenen Nicht-Eindeutigkeit des Zusammenhangs zwischen dem Spannungs­ wert der in der Sekundärspule induzierten Wechselspannung und dem Winkel zwischen dem Meßkörper und dem Bezugskörper bereits erkannt und gelöst, und zwar dadurch, daß, versetzt zueinander, mehrere Sekundärspulen (vgl. die DE-A-41 27 209) bzw. mehrere Sensorelektroden (vgl. die DE-C-37 11 062) vorgesehen sind.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung 1 ist nun - um 90° gegenüber der ersten Sekundärspule 4 versetzt - eine zweite Sekundärspule 10 vorge­ sehen. Auch die zweite Sekundärspule 10 besteht, wie die erste Sekundär­ spule 4, aus zwei invers geschalteten Teilwicklungen 10a, 10b, wobei die Teilwicklungen 10a, 10b der zweiten Sekundärspule 10, wie dies auch für die Teilwicklungen 4a, 4b der ersten Sekundärspule gilt, jeweils einen Teilbereich des magnetischen Wechselfeldes, im dargestellten Ausführungsbei­ spiel ca. 180°, umschließen und die Flächen der beiden Teilwicklungen 10a, 10b gleich groß sind.

Für das zuvor beschriebene, in Fig. 3 skizzierte bevorzugte Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung gilt nun hin­ sichtlich der winkelabhängig in der Sekundärspule 4 induzierten Wechsel­ spannung der in Fig. 4 dargestellte Verlauf (vgl. auch die Fig. 2a in der DE-C-37 11 062 und die dazu in der DE-C-37 11 062 gegebene Erläu­ terung). In Fig. 4 entspricht der Spannungsverlauf A der Größe der in der ersten Sekundärspule 4 induzierten Wechselspannung, der Spannungsverlauf B der Größe der in der zweiten Sekundärspule induzierten Wechselspannung. Ziel der Auswertung ist es dann, die Bereiche der Spannungsverläufe A und B auszuwerten, die linear verlaufen. Es ist also zu vermeiden, die Spannungs­ werte in den Spitzen der dreieckförmigen Spannungsverläufe A und B direkt auszuwerten. Addiert man nun zu den in Fig. 4 dargestellten Spannungswerten - entsprechend den Spannungsverläufen A und B - noch Spannungswerte mit entgegengesetztem Vorzeichen, entsprechend den Spannungsverläufen C und D in Fig. 4, so kann die Auswertung so erfolgen wie das in der DE-C-37 11 062 für eine kapazitive Winkelmeßvorrichtung im einzelnen beschrieben ist (vgl. in der DE-C-37 11 062 insbesondere Spalte 9, zweiter Absatz, bis Spalte 11, erster Absatz in Verbindung mit den Fig. 4a, 4b und 5).

Wie die Fig. 3 zeigt, gilt für das hier skizzierte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrichtung 1, daß die beiden Sekundärspulen 4 und 10 auf den beiden Seiten des scheibenförmigen Spulen­ trägers 8 vorgesehen sind. Die Teilwicklungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b der Sekundärspulen 4 bzw. 10 haben radial verlaufende Wicklungsteile und sind außerhalb der radial verlaufenden Wicklungsteile kreisförmig ange­ ordnet. Dabei sind die radial verlaufenden Wicklungsteile der Teilwick­ lungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b der Sekundärspulen 4 bzw. 10 so ausgestal­ tet, daß durch Wirbelströme erzeugte Homogenitäten minimal sind; die anein­ andergrenzenden radial verlaufenden Wicklungsteile der Teilwicklungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b weisen einen minimalen Abstand auf. Im übrigen sind die Sekundärspulen 4 bzw. 10 jeweils an einem Kreuzungspunkt 11 bzw. 12 aufgetrennt und nach Durchkontaktierung auf der anderen Seite des Spulenträgers 8 verbunden. Die Kreuzungspunkte 11 bzw. 12 sind außerhalb des durch die Teilwicklungen 4a und 4b bzw. 10a und 10b der Sekundärspu­ len 4 bzw. 10 gebildeten Kreisringes verwirklicht.

Fig. 5 zeigt nun - auch im konstruktiven Detail - ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Winkelmeßeinrich­ tung 1. Bei dieser Ausführungsform ist zunächst ein Sockel 13 vorgesehen, in dem mit Hilfe von zwei Kugellagern 14 die Welle 6 des Meßkörpers 5 drehbar gelagert ist. Der Meßkörper 5 ist mit Hilfe einer Schraube 15 dreh­ fest mit der Welle 6 verbunden. An dem Sockel 13 ist ein Halteelement 16 derart befestigt, daß der Ergänzungskörper 9, der seinerseits an dem Hal­ teelement 16 befestigt ist, mit geringem Abstand unterhalb des Meßkörpers 5 angeordnet ist. Mit Hilfe eines über einen Abstandhalter 17 vom Halteele­ ment 16 mit Abstand angeordneten Halteelementes 18 ist der Bezugskörper 2 mit dem Sockel 13 verbunden. Auf der dem Meßkörper 5 abgewandten Seite des Bezugskörpers 2 ist mit Hilfe von Abstandhaltern 19 und Befestigungs­ schrauben 20 ein scheibenförmiger Schaltungsträger 21 befestigt, auf dem die Auswerteelektronik 22 verwirklicht ist. Im einzelnen sind die Bauele­ mente der Auswerteelektronik 22 auf einem flexiblen Bauelementeträger 23 angebracht, der auf beiden Seiten des Schaltungsträgers 21 angeordnet ist. Elektrische Leitungen 24 dienen der Spannungsversorgung der Primärspule 3, während über elektrische Leitungen 25 die in den Sekundärspulen 4 und 10 induzierten Wechselspannungen der Auswerteelektronik 22 zugeführt werden. Am Sockel 13 ist im übrigen ein topfförmiges Gehäuse 26 abnehmbar befestigt. Schließlich ist eine Halterung 27 vorgesehen, die mit einer Befestigungs­ schraube 28 am Gehäuse 26 befestigt ist und im übrigen der drehfesten Befestigung der Winkelmeßeinrichtung 1 an einem nicht dargestellten Körper dient, gegenüber dem der Winkel zwischen dem Meßkörper 5 und diesem Körper gemessen werden soll.

Zu dem in Fig. 6 dargestellten Blockschaltbild einer bevorzugten Auswerte­ elektronik 22 für die erfindungsgemäße induktive Winkelmeßeinrichtung 1 folgendes:

Bei der Auswertung der in den beiden Sekundärspulen 4 und 10 induzierten Wechselspannungen ist insbesondere bei hohen Drehzahlen des Meßkörpers 5 eine schnelle Ermittlung der in Fig. 4 dargestellten Spannungsverläufe A und B erforderlich. Dazu wird in einer Integrationsstufe 29 über jeweils einer positiven Halbwelle der von einer Spannungsquelle 30 herrührenden, an der Primärspule 3 anliegenden Versorgungsspannung der momentane Effektiv­ wert der entsprechenden Halbwelle der in den Sekundärspulen 4 und 10 indu­ zierten Wechselspannung ermittelt. Die Ermittlung des jeweiligen Spitzen­ wertes ist ebenfalls ausreichend, jedoch ist die Integration über eine Halbwelle zu bevorzugen, da dadurch eine größere Störunterdrückung hoch­ frequenter Störanteile, z. B. Rauschen, erreichbar ist. Entsprechend der Phasenlage der von der Spannungsquelle 30 herrührenden Versorgungsspannung steuert eine Steuereinheit 31 die Integrationsstufe 29 und einen Schalter 32. Das Ausgangssignal der Integrationsstufe 29 wird über einen Schalter 33, der in gleicher Weise wie der Schalter 33 von der Steuereinheit 31 gesteuert wird, einer Abtast-Halte-Schaltung 34 zugeführt. Auch die Abtast-Halte- Schaltung 34 wird von der Steuereinheit 31 gesteuert. An den Ausgängen 35 und 36 der Abtast-Halte-Schaltung 34 liegen die aufintegrierten momentanen Spannungswerte der Sekundärspulen 4 und 10 an.

Für eine Digitalisierung der durch die Spannungswerte der in den Sekundär­ spulen 4 und 10 induzierten Wechselspannungen bestimmten Position des Meßkörpers 5 wird nun zunächst der gesamte Winkelbereich in 45°-Bereiche unterteilt. Dazu werden in einer Grobwerterfassung 37 aus der Phasenlage der in den Sekundärspulen 4 und 10 induzierten Wechselspannungen relativ zur von der Spannungsquelle 30 zur Verfügung gestellten Versorgungsspan­ nung die zwei höchstwertigen Bits ermittelt. Ein Komparator 38 vergleicht die Spannungswerte der in den Sekundärspulen 4 und 10 erzeugten Wechsel­ spannungen, und die Grobwerterfassung 37 erzeugt aus dem Ausgangssignal des Komparators 38 unter Berücksichtigung der beiden höherwertigen Bits das dritte Bit für die Aufteilung des gesamten Winkelbereiches in 45°-Be­ reiche. Der exakte Winkel - innerhalb der ermittelten 45°-Bereiche - wird nun folgendermaßen bestimmt:

Entsprechend dem momentanen 45°-Bereich steuert die Steuereinheit 31 einen Schalter 39, so daß entweder der Spannungswert der Sekundärspule 4 oder der Spannungswert der Sekundärspule 10 einem Fensterkomparator 40 zuge­ führt wird. Die Zuordnung, in welchem der 45°-Bereiche welche der beiden Spannungswerte der Sekundärspulen 4 und 10 dem Fensterkomparator 40 zuge­ führt wird, ist in der DE-C-37 11 062 ausführlich in bezug auf die dortigen Fig. 4a und 4b beschrieben, so daß insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen darauf verwiesen werden darf.

Weiter ist ein D/A-Wandler 41 vorgesehen. Die Referenzspannung des D/A-Wand­ lers 41 wird mit der Summe der Spannungen der beiden Sekundärspulen 4 und 10 festgelegt. Dazu werden die beiden Spannungswerte in einem Additionsele­ ment 42 addiert, dessen Ausgangsspannung an dem D/A-Wandler 41 anliegt. Ein 8-Bit-Auf-/Ab-Zähler 43 erzeugt ein digitales Eingangssignal für den D/A-Wandler 41, dessen analoges Ausgangssignal durch die Summe der Span­ nungswerte der beiden Sekundärspulen 4 und 10 festgelegt ist und am Fenster­ komparator 40 anliegt. Im Fensterkomparator 40 werden nun die Spannungs­ werte der beiden Sekundärspulen 4 und 10 mit dem Wert der Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 41 verglichen, und ein Ausgangssignal des Fensterkompa­ rators 40 steuert den 8-Bit-Auf-/Ab-Zähler 43 derart, daß die beiden am Fensterkomparator 40 anliegenden Eingangsspannungen gleich groß sind. Die vom 8-Bit-Auf-/Ab-Zähler 48 erzeugten acht Bits stellen die niederwertigen Bits des digitalisierten Wertes des Winkels des Meßkörpers 5 dar. Insge­ samt liegen elf Bits vor, so daß pro Umdrehung des Meßkörpers 5 eine Auf­ lösung von 2¹¹ = 2048 Schritte erreicht wird. Besitzt der D/A-Wandler 41 sechzehn Bit, so liegen insgesamt neunzehn Bits vor, so daß ungefähr 524 000 Schritte pro Umdrehung an Auflösung erreichbar sind.

Da die Referenzspannung des D/A-Wandlers aus der Summe der beiden Spannungs­ werte der Sekundärspulen 4 und 10 festgelegt ist, erhält somit das beschrie­ bene Meßverfahren Quotientenverhalten, wodurch ein Driften der elektrischen Bauelemente sowie der Eigenschaften des Materials des Bezugskörpers 2 und des Ergänzungskörpers 9, beispielsweise durch Temperaturänderungen bedingt, kompensiert wird. Das Ergebnis der D/A-Wandlung hat die Form

die abhängig ist vom Winkel des Meßkörpers 5.

Ein zweiter D/A-Wandler 44 ermöglicht die Eingabe von Korrekturwerten. Auf diese Weise ist es möglich, die bei einem Referenzlauf durch Vergleich mit einem genauen Referenzgeber ermittelten Abweichungen in einem E²-Prom 45 als Korrekturwerte abzulegen. Das Ausgangssignal des D/A-Wandlers 44 wird in einem Additionsglied 46 zu dem Ausgangssignal des D/A-Wandlers 41 hinzu­ addiert. Auf diese Weise können z. B. durch Fertigungsstreuung hervorgeru­ fene Restfehler beseitigt werden. Die erläuterte Korrekturmöglichkeit führt dazu, daß bei der Endkontrolle auf hohe Genauigkeit verzichtet werden kann. Es reicht eine sehr gute Reproduzierbarkeit aus, was zu geringeren Produk­ tionskosten führt.

Das digitale Ausgangssignal, das von der Grobwerterfassung 37 und dem 8-Bit-Auf-/Ab-Zähler 43 erzeugt wird, stellt schließlich das Eingangssignal für einen Umkodierer 47 dar, dessen Ausgangssignal für eine Weiterverar­ beitung verwendbar ist, beispielsweise für eine digitale Anzeige des durch die Winkelmeßeinrichtung 1 ermittelten Winkels zwischen dem Meßkörper 5 und dem Bezugskörper 2.

Claims (24)

1. Induktive Winkelmeßeinrichtung mit einem vorzugsweise als rotationssym­ metrische Magnetfluß-Führungseinrichtung ausgeführten Bezugskörper (2), mit einer nach Anlegung einer Wechselspannung ein magnetisches Wechselfeld erzeugenden Primärspule (3), mit einer in dem von der Primärspule (3) er­ zeugten magnetischen Wechselfeld vorgesehenen Sekundärspule (4) und mit einem das die Sekundärspule (4) durchsetzende magnetische Wechselfeld durch seine Relativstellung zum Bezugskörper (2) beeinflussenden Meßkörper (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) aus elektrisch nicht-leiten­ dem Material besteht und teilweise mit einer elektrisch leitenden Beschich­ tung (7) versehen ist.

2. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) aus glasfaserverstärktem Leiterplattenmaterial be­ steht.

3. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrisch leitende Beschichtung (7) den Meßkörper (5) in einem Kreissegment von 180° bedeckt.

4. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (7) aus Kupfer besteht.

5. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) die Beschichtung (7) einseitig auf­ weist und die Beschichtung (7) der Primärspule (3) zugewandt ist.

6. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) die Beschichtung (7) beidseitig auf­ weist.

7. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) zumindest im wesentlichen rotations­ symmetrisch ausgeführt ist.

8. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) derart ausgestaltet ist, daß die Beschichtung (7) nicht zu einer asymmetrischen Gewichtsverteilung des Meßkörpers (5) führt.

9. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörper (2) als Schalenkern ausgeführt und die Primärspule (3) innerhalb des Bezugskörpers (2) angeordnet ist.

10. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Bezugskörper (2) ein als Magnetfluß-Führungs­ einrichtung ausgeführter Ergänzungskörper (9) zugeordnet ist.

11. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ergänzungskörper (9) als Schalenkern ausgeführt ist.

12. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärspule (4) und der Meßkörper (5) zwischen dem Bezugskörper (2) und dem Ergänzungskörper (9) angeordnet sind.

13. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (4) zwischen dem Bezugskör­ per (2) und dem Meßkörper (5) angeordnet ist.

14. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (4) auf einem scheibenförmigen Spulenträger (8) vorgesehen ist.

15. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (4) aus zwei invers geschalte­ ten Teilwicklungen (4a, 4b) besteht.

16. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (4a, 4b) der Sekundärspule (4) jeweils einen Teilbe­ reich des von der Primärspule (3) erzeugten magnetischen Wechselfeldes, vorzugsweise von 180°, umschließen und die Flächen der beiden Teilwick­ lungen (4a, 4b) gleich groß sind.

17. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß um 90° gegenüber der ersten Sekundärspule (4) versetzt eine zweite Sekundärspule (10) vorgesehen ist.

18. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sekundärspule (10) aus zwei invers geschalteten Teilwicklun­ gen (10a, 10b) besteht.

19. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (10a, 10b) der zweiten Sekundärspule (10) jeweils einen Teilbereich des von der Primärspule (3) erzeugten magnetischen Wech­ selfeldes, vorzugsweise von 180°, umschließen und die Flächen der beiden Teilwicklungen (10a, 10b) gleich groß sind.

20. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (4a, 4b, 10a, 10b) der Sekun­ därspulen (4, 10) radial verlaufende Wicklungsteile haben und außerhalb der radial verlaufenden Wicklungsteile kreisförmig angeordnet sind.

21. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden Wicklungsteile der Teilwicklungen (4a, 4b, 10a, 10b) der Sekundärspulen (4, 10) so ausgestaltet sind, daß durch Wirbelströ­ me erzeugte Inhomogenitäten minimal sind.

22. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aneinandergrenzende radial verlaufende Wicklungsteile der Teilwicklungen (4a, 4b, 10a, 10b) der Sekundärspulen (4, 10) einen minima­ len Abstand aufweisen.

23. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 14 und einem der Ansprü­ che 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspulen (4, 10) je­ weils an einem Kreuzungspunkt (11, 12) aufgetrennt und nach Durchkontak­ tierung auf der anderen Seite des Spulenträgers (8) verbunden sind.

24. Induktive Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzungspunkte (11, 12) außerhalb des durch die Teilwicklungen (4a, 4b, 10a, 10b) der Sekundärspulen (4, 10) gebildeten Kreisringes verwirklicht sind.