DE10123188A1

DE10123188A1 - Winkelmeßsystem mit integriertem Ferraris-Sensor

Info

Publication number: DE10123188A1
Application number: DE10123188A
Authority: DE
Inventors: Michael Schwabe
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2001-05-12
Filing date: 2001-05-12
Publication date: 2002-11-14
Also published as: US20020180423A1; US6636032B2

Abstract

Ein Winkelmeßsystem mit integriertem Ferraris-Sensor erlaubt neben der Messung der Winkelposition auch die direkte Messung der Winkelgeschwindigkeit oder der Winkelbeschleunigung. Hierzu sind eine Teilscheibe (2) und eine Wirbelstromscheibe (3) konzentrisch in einer Ebene angeordnet. Entlastungselemente (4) sorgen dafür, daß die Verbindung zwischen Teilscheibe (2) und Wirbelstromscheibe (3) bei unterschiedlichen Temperaturen nicht verloren geht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Winkelmeßsystem mit integriertem Ferraris-Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Winkelmeßsysteme mit integriertem Ferraris-Sensor vereinigen den Vorteil der genauen (Winkel-)Positionsmessung mit der direkten Messung der Win kelbeschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit, die aus dem Positionssignal sonst nur durch Ableitung nach der Zeit zu gewinnen ist. Bei diesem Diffe renzieren eines Positionssignales führen kleine Störungen im Positionssig nal aber zu großen Änderungen in den differenzierten Signalen, und damit der berechneten Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung. Bei ei ner direkten Messung der Winkelbeschleunigung mittels eines Ferraris-Sen sors tritt dieser Effekt nicht auf, vielmehr kann nun die Winkelgeschwindig keit aus einer Integration des Winkelbeschleunigungssignales gewonnen werden. Störungen im Winkelbeschleunigungssignal werden dabei sogar geglättet.

Ferraris-Sensoren erfassen die Größe oder die Änderung von Wirbelströ men, die durch relative Bewegung von Magnetfeldern und Wirbelstromkör pern entstehen.

Aus der EP 661 543 B1 ist bereits ein Winkelmeßsystem bekannt, bei dem auch die Winkelbeschleunigung gemessen wird. Hierfür werden zwei Sig nalgeber drehstarr miteinander verbunden und jedem Signalgeber eine Sig nalerfassungseinheit zugeordnet. Ein erster der beiden Signalgeber wird durch eine optische oder induktive Teilung realisiert, die durch eine Signal erfassungseinheit mit einem optischen oder induktiven Abtastkopf abge tastet wird. Ein zweiter Signalgeber besteht aus einer elektrisch leitenden Scheibe, die von einem magnetischen Fluß senkrecht durchströmt wird. Die ser magnetische Fluß kann durch entsprechende Magnete erzeugt werden. Wird die Scheibe relativ zum Magnet bewegt, entstehen Wirbelströme, die wiederum ein magnetisches Feld erzeugen. Die Änderung dieses magneti schen Feldes wird durch eine Signalerfassungseinheit erfaßt, so daß die in der Signalerfassungseinheit ermittelte Meßgröße ein Maß für die Winkelbe schleunigung darstellt. Die beiden Signalgeber werden entweder jeweils in Form einer separaten Scheibe drehstarr mit einer gemeinsamen Welle ver bunden oder es wird der erste Signalgeber unmittelbar am äußeren Rand des zweiten Signalgebers angeordnet, wodurch der Scheibendurchmesser insgesamt vergrößert wird.

Bei der zuletzt geschilderten Ausführungsform mit zwei zu einer Scheibe zusammengesetzten Signalgebern kommt es zu Problemen bei unterschied licher thermischer Ausdehnung der verwendeten Materialien, wenn das Win kelmeßsystem bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten soll. Die Ver bindung der beiden Teilscheiben bzw. Scheibenringe kann sich z. B. durch eine stärkere Ausdehnung des äußeren Ringes lockern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Winkelmeßsystem mit integriertem Ferraris-Sensor anzugeben, bei dem auch bei unterschiedlichen Arbeits temperaturen ein sicherer Zusammenhalt der verwendeten Signalgeber ge währleistet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merk malen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.

Erfindungsgemäß werden zur Verbindung der verwendeten Signalgeber Entlastungselemente vorgesehen, die auch bei unterschiedlicher thermi scher Ausdehnung einen sicheren Zusammenhalt der Signalgeber gewähr leisten. Dabei können die verwendeten Materialien für Signalgeber und Ent lastungselemente so gewählt werden, daß Spannungen zwischen den Sig nalgebern bei unterschiedlichen Temperaturen konstant gehalten werden.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen an hand der Figuren. Dabei zeigt

Fig. 1 die beiden Signalgeber in einer Seitenansicht;

Fig. 2 eine weitere Ausführung der Signalgeber;

Fig. 3 die beiden Signalgeber in einer Daraufsicht.

In Fig. 1 erkennt man einen ersten Signalgeber in Form einer Teilscheibe 2 und auf deren äußerem Rand angeordnet einen zweiten Signalgeber in Form einer Wirbelstromscheibe 3. Die Teilscheibe 2 ist drehstarr mit einer Welle 1 verbunden, deren Winkelposition und Winkelbeschleunigung über wacht werden sollen. Die Teilscheibe 2 kann beispielsweise aus Glas mit einer nicht gezeichneten Teilung aus Chrom bestehen, oder auch aus Stahl mit eingeprägter Teilung. Durch Abtastung der Teilscheibe (2) erhält man ein von der Winkelposition abhängiges Signal. Teilscheiben (2) können mit Tei lungen etwa auf optischer, magnetischer, induktiver oder kapazitiver Basis mit entsprechenden Abtastungen realisiert werden.

Am äußeren Umfang der Teilscheibe 2 ist ebenfalls drehstarr die Wirbel stromscheibe 3 befestigt. Dies kann etwa durch aufschrumpfen oder verkle ben erreicht werden. Wirbelstromscheiben 3 bestehen aus nicht magneti schem, aber elektrisch leitendem Material wie beispielsweise Kupfer, Alumi nium, Chrom oder Silber. Vorteilhafterweise wird an einem der beiden Ele mente Teilscheibe 2 und Wirbelstromscheibe 3 eine erste Nut 5 vorgesehen, in die das jeweils andere Element eingreift, um so ein gegenseitiges Verrut schen in axialer Richtung zu verhindern.

Da die Teilscheibe 2 und die Wirbelstromscheibe 3 unterschiedliche Aus dehnungskoeffizienten aufweisen, kann die Verbindung zwischen beiden verloren gehen, wenn sich bei Erwärmung die Wirbelstromscheibe 3 stärker ausdehnt als die Teilscheibe 2. Um dem entgegenzuwirken, wird erfin dungsgemäß wenigstens ein Entlastungselement 4 vorgesehen, das die Wirbelstromscheibe 3 an die Teilscheibe 2 preßt. Der Ausdehnungskoeffi zient des Entlastungselementes 4 muß so gewählt sein, daß er kleiner ist als der der Wirbelstromscheibe 3, vorzugsweise ist er sogar kleiner als der Aus dehnungskoeffizient von Wirbelstromscheibe 3 und Teilscheibe 2.

Stähle sind mit verschiedensten Ausdehnungskoeffizienten erhältlich und eignen sich daher in Form von Ringen oder gewickelten Drähten besonders als Material für die Entlastungselemente 4.

Bei geeigneter Wahl der Ausdehnungskoeffizienten kann sogar erreicht werden, daß die Spannung zwischen der Teilscheibe 2 und der Wirbel stromscheibe 3 für einen ausgewählten Temperaturbereich konstant bleibt. Es muß dazu die Summe der bei der Montage erzeugten Spannung von Wirbelstromscheibe 3 und Entlastungselement 4 konstant im ausgewählten Temperaturbereich sein.

Vorteilhafterweise wird an der Wirbelstromscheibe 3 eine zweite Nut 6 an gebracht, in die das Entlastungselement 4 eingelegt wird. So wird ein Ver rutschen des Entlastungselementes 4 in axialer Richtung verhindert.

Eine etwas andere Ausgestaltung der Verbindung zwischen Teilscheibe 2 und Wirbelstromscheibe 3 zeigt Fig. 2. Hier wird eine dritte Nut 7 an der Teilscheibe 2 gezeigt, in die die Wirbelstromscheibe 3 eingesetzt und so gegen radiales und axiales Verrutschen gesichert wird. In diesem Beispiel wird die Anwendung von nur einem Entlastungselement 4 gezeigt. Die ein zelnen Elemente 2, 3,4 können beispielsweise miteinander verklebt werden, um eine höhere Festigkeit zu erzielen.

Fig. 3 zeigt die beschriebene Anordnung gemäß Fig. 2 in einer Darauf sicht. Es ist eine vorteilhafte vierte Nut 8 an der Wirbelstromscheibe 3 zu erkennen, in die die Teilscheibe 2 eingreift. Die beiden Elemente sind so auch gegen tangentiales Verrutschen (also ein Verdrehen der beiden Sig nalgeber gegeneinander) gesichert.

Ein Entlastungselement 4 kann neben den durch thermische Ausdehnung verursachten Spannungen auch Spannungen aufnehmen, die bei der Rota tion der Welle 1 durch Fliehkräfte auftreten. Dazu kann es nützlich sein, ein Entlastungselement 4 um den äußersten Umfang der Wirbelstromscheibe 3 zu führen.

Entlastungselemente 4 können auch eingesetzt werden, wenn der innen liegende Signalgeber die Wirbelstromscheibe 3 ist an deren äußerem Um fang die Teilscheibe 2 befestigt ist.

Die Entlastungselemente 4 können auch Deformationen oder die Zerstörung des jeweils äußeren Signalgebers verringern bzw. vermeiden, wenn sich der innere Signalgeber stärker ausdehnt als der äußere.

Claims

1. Winkelmeßsystem mit integriertem Ferraris-Sensor, mit einer Teil scheibe (2) und einer Wirbelstromscheibe (3), die konzentrisch in einer Ebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Entlastungselement (4) die Wirbelstromscheibe (3) und die Teilscheibe (2) aneinander preßt.

2. Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Nut (5) axiales Verrutschen von Wirbelstromscheibe (3) und Teil scheibe (2) verhindert.

3. Winkelmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Entlastungselement (4) durch eine zweite Nut (6) an der Wir belstromscheibe (3) gegen axiales Verrutschen gesichert ist.

4. Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilscheibe (2) aus Glas besteht.

5. Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilscheibe (2) aus Stahl besteht.

6. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wirbelstromscheibe (3) wahlweise aus Kupfer oder Aluminium besteht.

7. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Entlastungselement (4) aus Stahl besteht.

8. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ausdehnungskoeffizient des Entlastungselementes (4) kleiner als der Ausdehnungskoeffizient der Wirbelstromscheibe (3) ist.

9. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ausdehnungskoeffizient des Entlastungselementes (4) kleiner als der Ausdehnungskoeffizient der Wirbelstromscheibe (3) und kleiner als der Ausdehnungskoeffizient der Teilscheibe (2) ist.