DE10121870B4 - Inductive planar built-up angle sensor - Google Patents

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Abstract

Induktiver planar aufgebauter Winkelsensor
– mit einem Stator (1, 6), der eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule (2), sowie mehrere Empfangsspulen (3) aufweist,
– und einem Rotor (4), der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule (2) und Empfangsspulen (3) in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Stator (1) vorgibt,
– und einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors (4) relativ zum Stator (1, 6) aus den in den Empfangsspulen (3) induzierten Spannungssignalen,
– wobei der Rotor als ein aus zwei Abschnitten (9, 10) bestehender Doppelrotor (8) ausgebildet ist, von denen jeweils ein Abschnitt gegenüber jeweils einer Seite des Stators (6) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umfang des Doppelrotors (8), der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, vor der Montage mit der Betätigungswelle eine abgerundete Vieleckskontur (12) aufweist, die sich während der Montage an die Umfangskontur (11) der Betätigungswelle anpasst.Inductive planar built-up angle sensor
- With a stator (1, 6), which has an applied with a periodic alternating voltage excitation coil (2), and a plurality of receiving coils (3),
- And a rotor (4), which determines the strength of the inductive coupling between the excitation coil (2) and receiving coils (3) in dependence of its angular position relative to the stator (1),
And an evaluation circuit for determining the angular position of the rotor (4) relative to the stator (1, 6) from the voltage signals induced in the receiver coils (3),
Wherein the rotor is formed as a double rotor (8) consisting of two sections (9, 10), of which in each case one section is arranged opposite one side of the stator (6),
characterized in that
the circumference of the double rotor (8), which is connected to an actuating shaft, before assembly with the actuating shaft has a rounded polygonal contour (12) which adapts during assembly to the peripheral contour (11) of the actuating shaft.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven planar aufgebauter Winkelsensor gemäß des Oberbegriffs des Anspruches 1.The The invention relates to an inductive planar angle sensor according to the preamble of Claim 1.

Bei planar aufgebauten Winkelsensoren, bei denen der Stator durch eine Leiterkarte mit den Erreger- und Empfängerspulen ausgebildet ist, ist es üblich, den Rotor oberhalb oder unterhalb des Stators anzuordnen wie dies in der 2 schematisch dargestellt ist.In planar angle sensors, in which the stator is formed by a printed circuit board with the excitation and receiver coils, it is customary to arrange the rotor above or below the stator as in the 2 is shown schematically.

Eine wichtige Größe bei diesem Aufbau ist der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor. Der Luftspalt beeinflußt die Stärke des empfangenen Signals und sollte für eine sichere Auswertung so dimensioniert sein, daß das empfangbare Signal deutlich über den Rauschgrenzen der auswertenden elektronischen Bauteile liegt. Für günstige Koppelverhältnisse zwischen dem Stator und dem Rotor, entsprechend einem großen Nutzsignal, muß der Luftspalt möglichst klein sein. Trotzdem muß eine Berührung der Leiterkarte mit dem Rotor sicher verhindert werden, um eine Beschädigungen von Leiterbahnen zu vermeiden. Besonders bei großem Axialspiel ergibt sich häufig ein Dilemma zwischen Abstand und Empfangssignalstärke. Beim Abstand muß der maximal mögliche Wert, und nicht der Nominalwert für die Abschätzung des Rauschens zugrunde gelegt werden.A important size in this Construction is the air gap between the stator and the rotor. Of the Air gap affects the strenght of the received signal and should be so for a safe evaluation be dimensioned that the receivable signal clearly above the noise limits of the evaluating electronic components. For favorable coupling conditions between the stator and the rotor, corresponding to a large useful signal, must the air gap preferably be small. Nevertheless, a touch of the Printed circuit board with the rotor safely prevents damage to avoid traces. Especially with large axial play results often a dilemma between distance and received signal strength. At the Distance must the maximum possible Value, and not the nominal value used for the estimation of the noise become.

Abhilfe bringt eine Vergrößerung der gesamten Sensorstruktur. Bei einer Verdopplung des Stator- und Rotordurchmessers kann bei gleichen Koppelverhältnissen auch die Dimensionierung des Luftspalts verdoppelt werden. Häufig ist jedoch für einen größeren Sensor nicht der erforderliche Platz vorhanden. Auch verteuert sich der Sensor mit steigenden Abmessungen drastisch. Doppelter Durchmesser bedeutet eine vierfache Fläche, was häufig nicht akzeptabel ist.remedy brings an enlargement of the entire sensor structure. With a doubling of the stator and rotor diameter can at the same coupling ratios also the sizing of the air gap can be doubled. Frequently however for a larger sensor not the required space available. Also, the more expensive Sensor with increasing dimensions drastically. Double the diameter means a fourfold area, which is often not is acceptable.

Aus der DE 42 24 225 A1 ist ein induktiver Drehgeber bekannt, der mittels einer Erregerspule und einer Messspule zur Überwachung der Drehbewegung zweier Körper relativ zueinander verwendet werden kann. Die Erregerspule und die Messspule sind dabei um eine zentrale Achse drehbar, wobei deren gegenseitige Stellung messend überwachbar ist. Die Auswertung erfolgt dabei über eine Schaltungsanordnung.From the DE 42 24 225 A1 an inductive rotary encoder is known, which can be used by means of an exciter coil and a measuring coil for monitoring the rotational movement of two bodies relative to each other. The excitation coil and the measuring coil are rotatable about a central axis, wherein the mutual position can be monitored by measuring. The evaluation takes place via a circuit arrangement.

Aus der DE 197 38 836 A1 ist ein induktiver Winkelsensor bekannt, bei dem ein Rotorelement berührungslos und in einem geringen Abstand gegenüber einem Statorelement relativ zu diesem und bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse drehbar angeordnet ist. Die Auswertung der Winkelposition erfolgt mittels einer Signalauswerteeinheit.From the DE 197 38 836 A1 an inductive angle sensor is known in which a rotor element is arranged without contact and at a small distance relative to a stator relative to this and rotatable relative to a common axis of symmetry. The evaluation of the angular position is carried out by means of a signal evaluation unit.

Aus der DE 44 40 295 A1 ist ein Induktivgeber zur Drehzahlerfassung mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Rotor die Funktion eines Impulsrades übernimmt. Rotor und Stator sind dabei konzentrisch zur einer Drehachse angeordnet und weisen Zähne auf. Stehen die Zähne gegenüber, ergibt sind ein maximaler magnetischer Fluss. Stehen die Zähne hingegen auf Lücke, ist der magnetische Fluss minimal.From the DE 44 40 295 A1 is an Induktivgeber for speed detection with a stator and a rotor known, wherein the rotor assumes the function of a pulse wheel. Rotor and stator are arranged concentrically to a rotation axis and have teeth. If the teeth are facing each other, the result is a maximum magnetic flux. On the other hand, if the teeth are in gap, the magnetic flux is minimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gegebenen Sensordurchmesser die Signalstärke zu erhöhen und den Einfluß des Axialspiels des Rotors auf die Signalstärke zu verringern sowie Schwierigkeiten, die notwendigen Toleranzen für eine feste Verbindung von Doppelrotor und Betätigungswelle einzuhalten, zu überwinden.Of the Invention is based on the object at a given sensor diameter the signal strength to increase and the influence of the Axial play of the rotor to reduce signal strength as well as difficulties the necessary tolerances for one Maintain firm connection of double rotor and operating shaft, overcome.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Umfang des Doppelrotors, der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, vor der Montage mit der Betätigungswelle eine abgerundete Vieleckskontur aufweist, die sich während der Montage an die Umfangskontur der Betätigungswelle anpasst.These Task is inventively characterized solved, that the circumference of the double rotor, with an actuating shaft is connected, before assembly with the actuating shaft a rounded polygonal contour exhibiting itself during the assembly adapts to the circumferential contour of the actuating shaft.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß aufgebauten Winkelsensors anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.in the The following is an embodiment an inventively constructed Angle sensor shown in the drawing and explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 den Doppelrotor eines erfindungsgemäß ausgestalteten induktiven Winkelsensors, 1 the double rotor of an inventively designed inductive angle sensor,

2 einen Winkelsensor mit einem Rotor nach dem Stand der Technik, 2 an angle sensor with a rotor according to the prior art,

3 einen Doppelrotor mit einem speziell ausgebildeten Stator, 3 a double rotor with a specially designed stator,

4 eine Diagrammdarstellung des Verlaufs der Signalamplituden in Abhängigkeit der Position der Rotoren relativ zum Stator, 4 a diagram of the course of the signal amplitudes as a function of the position of the rotors relative to the stator,

5 die Umfangskontur für eine spezielle Ausgestaltung eines Doppelrotors. 5 the peripheral contour for a special embodiment of a double rotor.

Die 1 zeigt eine mögliche Ausführung des Doppelrotors (8) eines erfindungsgemäßen Winkelsensors, welcher aus zwei identisch aufgebauten Abschnitten (9, 10) besteht. Beide Abschnitte (9, 10) dieses Doppelrotors sind mechanisch fest miteinander verbunden und in gleicher Phase zum gewählten Meßwinkel. Sie sind vorzugsweise identisch strukturiert und parallel zueinander und zum Stator angeordnet.The 1 shows a possible embodiment of the double rotor ( 8th ) of an angle sensor according to the invention, which consists of two identically constructed sections ( 9 . 10 ) consists. Both sections ( 9 . 10 ) of this double rotor are mechanically fixed together and in the same phase to the selected measuring angle. They are preferably identically structured and arranged parallel to one another and to the stator.

Der in der 1 nicht dargestellte Stator kann, entsprechend der in der 2 gezeigten bekannten Ausführung, sich unterhalb und oberhalb der gesamten Flächen der Rotoren erstrecken. Der Stator (6) kann aber auch, wie in der 3 dargestellt, auch nur zwischen Teilabschnitten des Doppelrotors (8) angeordnet sein, wobei die Geometrie der Spulenanordnung (5) auf dem Stator kreissegmentförmig ausgebildet ist.The Indian 1 not shown stator can, according to the in the 2 shown known embodiment, extending below and above the entire surfaces of the rotors. The stator ( 6 But can also, as in the 3 shown, even only between sections of the double rotor ( 8th ), wherein the geometry of the coil arrangement ( 5 ) is formed on the stator circular segment.

Hierdurch überlagern und addieren sich die resultierenden Felder. Bei gleichem Abstand der beiden Abschnitte des Doppelrotors, die im folgenden auch einfach als Rotoren bezeichnet werden, zum Stator verdoppelt sich somit das Nutzsignal. Bei ungleichem Abstand dominiert der Rotor, welcher den geringeren Abstand zum Stator hat.Overlay this and add up the resulting fields. At the same distance the two sections of the double rotor, which in the following also simple are referred to as rotors, thus doubling to the stator the useful signal. At unequal distance dominates the rotor, which has the smaller distance to the stator.

In der 4 ist der Zusammenhang zwischen Signalstärke und Abstand (Luftspalt) prinzipiell dargestellt. Aufgetragen sind die Beiträge der einzelnen Rotoren des Doppelrotors zur Signalamplitude des Winkelsensors, sowie auch das resultierende Summensignal, aufgetragen gegen die axiale Position des Rotors relativ zum Stator. Bei der in der Mitte des Diagramms dargestellten Position sind beide Rotoren gleich weit von der Statorebene entfernt; entsprechend liefern beide Rotoren eine gleichgroße Signalamplitude. Bei Annäherung eines Rotors an den Stator steigt dessen Beitrag zur Signalamplitude an; der Beitrag des anderen Rotors verringert sich entsprechend.In the 4 the relationship between signal strength and distance (air gap) is shown in principle. Plotted are the contributions of the individual rotors of the double rotor to the signal amplitude of the angle sensor, as well as the resulting sum signal plotted against the axial position of the rotor relative to the stator. At the position shown in the middle of the diagram, both rotors are equidistant from the stator plane; Accordingly, both rotors deliver an equal signal amplitude. When a rotor approaches the stator, its contribution to the signal amplitude increases; the contribution of the other rotor decreases accordingly.

Ab einem gewissen Abstand wird dabei der Amplitudenbeitrag des abstandsgrößeren Rotors so gering, daß er die Auswertegrenze unterschreitet, unterhalb derer eine Signalauswertung nicht mehr möglich ist. Diese Auswertegrenze wird insbesondere durch die Rauschgrenzen der auswertenden elektronischen Bauteilen bestimmt. Ein Winkelsensor, der einen Rotor entsprechend dem Stand der Technik aufweist, wie er in der 2 dargestellt ist, liefert somit bei einem Luftspalt dieser Größe keine auswertbaren Signale mehr.At a certain distance, the amplitude contribution of the larger-pitched rotor becomes so small that it falls below the evaluation limit below which signal evaluation is no longer possible. This evaluation limit is determined in particular by the noise limits of the evaluating electronic components. An angle sensor comprising a rotor according to the prior art, as shown in the 2 is shown, thus no longer evaluable signals at an air gap of this size.

Die durch den Doppelrotor bewirkte Signalamplitude ergibt sich demgegenüber als ein Summensignal aus den Beiträgen beider Rotoren. Dieses Summensignal zeichnet sich gegenüber den Einzelbeiträgen durch einen größeren Betrag aus, der vorteilhafterweise in keiner axialen Position relativ zum Stator die Auswertegrenze unterschreitet. Im Gegenteil ist gerade in den für einen Winkelsensor mit Einfachrotor kritischen Bereichen die resultierende Signalamplitude bei einem Doppelrotor besonders groß. Besonders vorteilhaft ist zudem, daß die Signalamplitude insgesamt weniger in Abhängigkeit von der axialen Rotorposition variiert.The By contrast, the signal amplitude caused by the double rotor results as a sum signal from the contributions both rotors. This sum signal is distinguished from the individual contributions by a larger amount advantageously not in any axial position relative to the stator the evaluation limit falls below. On the contrary, it is precisely in the for one Angle sensor with single rotor critical areas the resulting Signal amplitude particularly large for a double rotor. Especially It is also advantageous that the Signal amplitude less in total as a function of the axial rotor position varied.

Für die kostengünstige Herstellung des Doppelrotors gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann der Doppelrotor aus zwei identischen Einzelrotoren aufgebaut sein. Diese sind kostengünstig zum Beispiel als Tiefziehteile herzustellen. Vorteilhaft an einer solchen Ausführung ist, daß hierdurch eine sogenannte aufbauende Montage des Winkelsensors möglich ist, indem die Rotoren von den beiden Seiten der Statorleiterplatte aus zusammengefügt werden.For the cost-effective production of the double rotor there are different possibilities. So can the double rotor be constructed of two identical single rotors. These are inexpensive for example to produce as deep-drawn parts. An advantage of such an embodiment is that thereby a so-called constructive mounting of the angle sensor is possible by removing the rotors from the two sides of the stator PCB together become.

Alternativ dazu kann der Doppelrotor als ein ebenes Stanzteil ausgebildet sein. Nach dem Stanzen ist durch einen Biegevorgang die endgültige Form herzustellen. Dabei ist eine Struktur zur Anpassung an das zu sensierende Element durch eine formschlüssige Verbindung von zwei verschiedenen Bereichen des Stanzteiles herzustellen. Bei Bedarf sind eine oder mehrere zusätzliche Punktschweißungen an der Verbindungsstelle durchzuführen, um optimale Sicherheit vor vorzeitiger Trennung der Verbindung zu erzielen.alternative For this purpose, the double rotor can be designed as a flat punched part. After punching is by a bending process, the final shape manufacture. Here is a structure to adapt to the sensed Element by a form-fitting Establish connection of two different areas of the stamped part. If necessary, one or more additional spot welds are on to carry out the connection, for optimum safety against premature disconnection of the connection achieve.

Der Doppelrotor wird üblicherweise mittels einer Übergangs- oder Preßpassung auf einer Betätigungswelle aufgebracht. Bei Stanzbiegeteilen oder bei Tiefziehteilen ergeben sich hierbei Schwierigkeiten, die notwendigen Toleranzen für eine feste Verbindung einzuhalten. Eine wesentliche Erleichterung ergibt sich hierbei, wenn der Umfang des Doppelrotors, der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, eine abgerundete Vieleckskontur (12) aufweist.The double rotor is usually applied by means of a transition or interference fit on an actuating shaft. In stamped bent parts or deep-drawn parts difficulties arise here to comply with the necessary tolerances for a solid connection. An essential relief arises here if the circumference of the double rotor, which is connected to an actuating shaft, a rounded polygonal contour ( 12 ) having.

Die Vieleckskontur (12) eines Stanz-Biegerotors, hier beispielhaft mit einer Dreieckskontur, und die Umfangskontur (11) der Betätigungswelle zeigt schematisch die 5. Damit ist eine Preßpassung mit geringen Fügekräften realisierbar, denn auch schon bei geringeren Durchmessern als dem endgültigen Fügemaß ist eine Preßpassung an den drei Berührstellen realisierbar. Die endgültige Form wird durch den Umfang der Welle und die innere Länge des zu montierenden Teiles festgelegt. Toleranzen der Wellendurchmesser führen nur zu Abweichungen der Rundheit des montierten Rotors.The polygon contour ( 12 ) of a punch-bending motor, here by way of example with a triangular contour, and the peripheral contour ( 11 ) of the actuating shaft schematically shows the 5 , This is an interference fit with low joining forces feasible, because even at smaller diameters than the final Fügemaß an interference fit at the three contact points can be realized. The final shape is determined by the circumference of the shaft and the inner length of the part to be mounted. Tolerances of the shaft diameter only lead to deviations of the roundness of the mounted rotor.

Bei einem Stanzbiegeteil ist die Verbindungsstelle idealerweise in der Nähe der "Rundung des Dreiecks" anzubringen, weil hier durch eine Wahl der Radien die spätere Verbiegung einstellbar und damit minimierbar ist. Dieses Verfahren ist prinzipiell auch bei einer nichtkreisförmigen Umfangskontur (11) der Betätigungswelle anwendbar.In a stamped and bent part, the connection point should ideally be placed close to the "rounding of the triangle", because here the choice of the radii makes the subsequent bending adjustable and thus minimizable. This method is in principle also in a non-circular peripheral contour ( 11 ) of the actuating shaft applicable.

1, 61, 6
Statorstator
22
Erregerspuleexcitation coil
33
Empfangsspulenreceiver coil
44
Rotorrotor
55
Spulenanordnungcoil assembly
77
Ausnehmungrecess
88th
Doppelrotordouble rotor
99
Erster Abschnittfirst section
1010
Zweiter Abschnittsecond section
1111
Umfangskontur (der Betätigungswelle)peripheral contour (the actuating shaft)
1212
VieleckskonturVieleckskontur

Claims (4)

Induktiver planar aufgebauter Winkelsensor – mit einem Stator (1, 6), der eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule (2), sowie mehrere Empfangsspulen (3) aufweist, – und einem Rotor (4), der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule (2) und Empfangsspulen (3) in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Stator (1) vorgibt, – und einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors (4) relativ zum Stator (1, 6) aus den in den Empfangsspulen (3) induzierten Spannungssignalen, – wobei der Rotor als ein aus zwei Abschnitten (9, 10) bestehender Doppelrotor (8) ausgebildet ist, von denen jeweils ein Abschnitt gegenüber jeweils einer Seite des Stators (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des Doppelrotors (8), der mit einer Betätigungswelle verbunden ist, vor der Montage mit der Betätigungswelle eine abgerundete Vieleckskontur (12) aufweist, die sich während der Montage an die Umfangskontur (11) der Betätigungswelle anpasst.Inductive planar built-angle sensor - with a stator ( 1 . 6 ), which is acted upon by a periodic alternating voltage exciting coil ( 2 ), as well as several receiving coils ( 3 ), - and a rotor ( 4 ), the strength of the inductive coupling between exciting coil ( 2 ) and receiving coils ( 3 ) as a function of its angular position relative to the stator ( 1 ), and - an evaluation circuit for determining the angular position of the rotor ( 4 ) relative to the stator ( 1 . 6 ) from the in the receiving coils ( 3 ) induced voltage signals, - wherein the rotor as one of two sections ( 9 . 10 ) existing double rotor ( 8th ) is formed, of which in each case one section opposite to one side of the stator ( 6 ), characterized in that the circumference of the double rotor ( 8th ), which is connected to an actuating shaft, prior to assembly with the actuating shaft a rounded polygonal contour ( 12 ), which during assembly to the peripheral contour ( 11 ) of the actuating shaft adapts. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (5), bestehend aus Erregerspule (2) und Empfangsspulen (3), auf dem der Stator (6) kreissegmentförmig ausgebildet ist.Angle sensor according to claim 1, characterized in that the coil arrangement ( 5 ), consisting of exciting coil ( 2 ) and receiving coils ( 3 ) on which the stator ( 6 ) is formed circular segment-shaped. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelrotor (8) als Stanz-Biegeteil hergestellt ist.Angle sensor according to claim 1, characterized in that the double rotor ( 8th ) is produced as a stamped and bent part. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelrotor (8) aus zwei identischen Einzelrotoren zusammengefügt ist, die als Tiefziehteile hergestellt sind.Angle sensor according to claim 1, characterized in that the double rotor ( 8th ) is assembled from two identical single rotors, which are manufactured as deep-drawn parts.
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