DE10233152A1

DE10233152A1 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE10233152A1
Application number: DE2002133152
Authority: DE
Inventors: Angelika Dr. Abeln; Rolf Dr. Disselnkötter; Andreas Dr. Kahnert
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor (1) mit einer auf einer drehbaren Welle (5) angeordneten Winkelscheibe (2), die mit einer kreisförmigen Informationsspur (8) versehen ist, deren Daten von einem über der Scheibenoberfläche angeordneten, stationären Lesekopf (9) aufgenommen und zur Weiterverarbeitung an eine Auswerteelektronik (10) übergeben werden. Für einen hochgenauen, einfach herstellbaren Drehwinkelsensor (1) wird vorgeschlagen, dass die zur Winkelbestimmung verwendete Winkelscheibe (2) aus einem mittels einer Form strukturierten Grundträger (12) besteht, in das die enthaltene Winkelinformation über einen mechanischen Abformprozess als Oberflächenprofil eingeformt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Drehwinkelmessung. Derartige Sensoren werden regelmäßig in der Fabrikautomation, Instrumentierung oder Prozeßkontrolle für die Steuerungen von Stellantrieben, die automatische Ablesung mechanischer Anzeigegeräte, zur Bestimmung der Wellenposition von Maschinen sowie für Regelungen im Robotik-Bereich eingesetzt.

Derartige Drehwinkelsensoren sind in unterschiedlichen Ausführungen, Meßbereichen, Auflösungen und Genauigkeiten, sowohl als Absolut- als auch als Inkrementalgeber bekannt.

In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich werden unterschiedliche Prinzipien der Drehwinkelmessung eingesetzt. Ein bekanntes analoges Verfahren ist beispielsweise die Resolver-Methode, bei der das von einem magnetischen Dipol oder einem mehrpoligen, wechselstromerregten Rotor erzeugte Magnetfeld von zwei orthogonal angeordneten Magnetfeldsensoren oder Statorwicklungen nach der Sinus-Kosinus-Methode ausgewertet wird. Andere analoge Verfahren verwenden kapazitive oder potentiometrische Prinzipien.

Nach analogen Verfahren arbeitende Drehwinkelsensoren sind regelmäßig von einfachem Aufbau und robust und damit unempfindlich gegenüber industriellen Umgebungseinflüssen wie Verschmutzungen oder Temperaturänderung. Nachteilig ist jedoch deren begrenzte Meßgenauigkeit. Soweit überhaupt eine ausreichend hohe Genauigkeit erreichbar ist, erfordert diese einen aufwendigen Abgleich und/oder manuelle Justage. Darüber hinaus ist der Meßbereich regelmäßig auf weniger als den Vollkreis eingeschränkt.

Bekannte digitale Sensoren weisen üblicherweise eine auf einer Achse befestigte, drehbare Kodescheibe auf, auf der die Winkelinformation längs des Umfangs in radial angeordneten Bitmustern, die typischerweise dem Gray-Kode folgen, oder im Fall der Inkrementalgeber als radiales Streifenmuster kodiert ist. Die Winkelinformation wird stellungsabhängig von einem feststehenden, optischen Lesekopf, der aus einer Anordnung von mehreren Sensoren bestehen kann, gelesen, und von einer Elektronik in ein winkelproportionales, digitales oder analoges Ausgangssignal umgewandelt. Zur Erzielung einer hohen mechanischen Genauigkeit werden die Winkelscheiben aus Glas oder einem formbeständigen, transparenten Kunststoff hergestellt. Als Informationsträger wird eine auf die Oberfläche aufgebrachte, intransparente Schicht verwendet, die entweder lithographisch, durch Belichten und Entwickeln einer Photolackschicht und anschließendes chemisches Ätzen, strukturiert oder aufgedruckt wird. Die Information wird unter Verwendung gebündelten, sichtbaren oder infraroten Lichtes in Transmission gelesen.

Mit digitalen Sensoren sind hohe Meßgenauigkeiten erreichbar. Nachteiligerweise ist jedoch die Herstellung der Kode- und Teilerscheiben sehr aufwendig und für eine Massenfertigung wenig geeignet. Glasscheiben haben darüber hinaus den Nachteil, daß sie empfindlich gegenüber starken Erschütterungen, und aufgrund ihrer großen Wärmekapazität auch gegen Betauung sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelsensor anzugeben, der die hohe Genauigkeit digitaler Drehwinkelsensoren aufweist, für eine digitale Signalverarbeitung geeignet ist und gleichzeitig eine preiswerte Massenfertigung des Informationsträgers erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung geht aus von einem Drehwinkelsensor, der über eine drehbare Welle mit einer externen Vorrichtung verbunden ist, deren Winkelposition bestimmt werden soll. Das Sensorgehäuse ist fest montiert. Kernstück des Drehwinkelsensors ist eine kreisrunde Winkelscheibe, die über ein zentrisch angeordnetes Mittenloch mit einer an der Welle befindlichen Aufnahme verbunden ist. Die Winkelscheibe ist in der Nähe ihres Außenrandes mit einer kreisförmigen Informationsspur versehen, deren Daten von einem über der Scheibenoberfläche angeordneten, stationären Lesekopf aufgenommen und zur Weiterverarbeitung an eine Auswerteelektronik übergeben werden. Die Elektronik erzeugt eines oder mehrere Ausgangssignale, die an externe Anzeige- oder Auswertegeräte übermittelt werden können.

Erfindungsgemäß besteht die zur Winkelbestimmung verwendete Winkelscheibe aus einem mittels einer Form strukturierten Trägermaterial, in das die enthaltene Winkelinformation über einen mechanischen Abformprozeß als Oberflächenprofil eingeprägt ist.

Dazu werden unter Rückgriff auf für sich bekannte Verfahren zur Herstellung von Compact Disks über lithographische, chemische und galvanische Prozesse zunächst sogenannte Masterscheiben hergestellt, mit deren Hilfe schließlich die Werkzeuge zur Herstellung der Winkelscheibe gefertigt werden. Die Masterscheiben bestehen dabei üblicherweise aus Glas oder Metall. Mittels eines mechanischen Abformprozesses werden anschließend die Winkelscheiben aus Rohformen oder Gußmassen gemäß dem Muster der Masterscheibe hergestellt. Vorteilhafterweise erlaubt dieses Verfahren, hochauflösende Winkelscheiben für Drehwinkelsensoren schnell, preisgünstig und in hohen Stückzahlen herzustellen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des Aufbaus eines Drehwinkelsensors
2 eine Darstellung einer Winkelscheibe für
a) einen Absolutgeber und
b) einen Inkrementalgeber
3 eine Darstellung einer Winkelkodierung im Gray-Kode
a) mit getrennten Spuren und
b) mit randlos benachbarten Spuren
4 eine Darstellung einer Winkelkodierung in Bitgruppen
5 eine Darstellung einer Pulsbreitenkodierung mit flankensensitiver Auswertung
In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Drehwinkelsensors 1 dargestellt. Der Drehwinkelsensors 1 ist über eine drehbare Welle 5 mit einer nicht dargestellten, externen Einrichtung verbunden, deren Winkelposition bestimmt werden soll. Der Drehwinkelsensor 1 weist ein Sensorgehäuse 7 auf, das bezüglich der externen Einrichtung feststehend angeordnet ist. Zur Messung der Winkelposition ist der Drehwinkelsensor 1 mit einer kreisrunden Winkelscheibe 2 mit einer Zentralöffnung 3 ausgestattet. Die Zentralöffnung 3 ist mit einer an der Welle 5 befindlichen Aufnahme 4 verbunden.
Die Winkelscheibe 2 trägt in der Nähe ihres Außenrandes mindestens eine kreisförmige Datenspur 8, deren Daten von einem über der Scheibenoberfläche angeordneten, stationären Lesekopf 9 abgetastet und zur Weiterverarbeitung an eine Auswerteelektronik 10 übergeben werden. Die Auswerteelektronik 10 erzeugt eines oder mehrere Ausgangssignale, die über ein Anschlußkabel 11 an nicht dargestellte, externe Anzeige- und/oder Auswerteeinrichtungen übermittelbar sind.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 2a eine Winkelscheibe 2 für einen Absolutgeber und in 2b eine Winkelscheibe 2 für einen Inkrementalgeber sowie jeweils eine vergrößerte Schnittdarstellung gezeigt. Erfindungsgemäß besteht die zur Winkelbestimmung verwendete Winkelscheibe 2 gebertypunabhängig aus einem mittels einer Form strukturierten Grundträger 12. Dabei ist eine abtastbare Winkelinformation der Datenspur 8 als Oberflächenprofil über einen mechanischen Abformprozeß in die dem Lesekopf 9 abgewandte Oberfläche des Grundträgers 12 eingeformt.
Dazu werden über lithographische, chemische und galvanische Prozesse zunächst sogenannte Masterscheiben hergestellt, mit deren Hilfe schließlich die Werkzeuge zur Herstellung der Winkelscheibe gefertigt werden. Die Masterscheiben bestehen dabei üblicherweise aus Glas oder Metall. Mittels eines mechanischen Abformprozesses werden anschließend die Winkelscheiben aus Rohformen oder Gußmassen gemäß dem Muster der Masterscheibe hergestellt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, einen aus thermoplastischen Substrat bestehenden Rohling durch Heißpressen zu einem Grundträger 12 zu prägen. Alternativ kann vorgesehen sein, einen Grundträger 12 durch Spritzgießen zu urformen. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, einen Grundträger 12 durch Vergießen eines mehrkomponentigen Harzes über eine Masterscheibe zu erzeugen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Substrat des Grundträgers 12 ein Faserwerkstoff beigemengt. Alternativ kann vorgesehen sein, dem Substrat des Grundträgers 12 einen Kunststoff geringer Wärmeausdehnung beizumengen. Vorteilhafterweise wird dadurch die Form- und Temperaturstabilität der Winkelscheibe 2 erhöht.
Die strukturierte Oberfläche des Grundträgers 12 ist mit einer Markierungsschicht 13 überzogen. Die Markierungsschicht 13 ist durch eine Schutzschicht 14 abgedeckt. Optional kann vorgesehen sein, die Schutzschicht 14 mit einer Stützschicht 15 zur mechanischen Stabilisierung zu überziehen.
Die Datenspur 8 besteht aus einem Muster aufeinanderfolgender Erhebungen 16 und Vertiefungen 17. Die Datenspur 8 des Absolutgebers besteht gemäß 2a aus einem Muster mehrerer, konzentrisch angeordneter Zeichenspuren. Jede Zeichenspur ist durch aufeinanderfolgende Erhebungen 16 und Vertiefungen 17 gemäß der vergrößerten Darstellung des Teilschnittes A-A' gebildet. Die Winkelposition ist durch die radiale Folge von Erhebungen 16 und Vertiefungen 17 benachbarter Zeichenspuren kodiert.
Die Datenspur 8 des Inkrementalgebers besteht gemäß 2b aus einem Muster radial angeordneter Teilstriche, die gemäß der vergrößerten Darstellung des Teilschnittes B-B' durch aufeinanderfolgende Erhebungen 16 und Vertiefungen 17 gebildet sind und mittels derer während der Drehung der Winkelscheibe 2 Zählimpulse abgeleitet werden.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Drehwinkelsensor 1 mit einem optischen Lesekopf 9 ausgestattet. Der Grundträger 12 ist zumindest im Arbeitswellenlängenbereich des Lesekopfes 9 optisch transparent. Die Markierungsschicht 13 ist optisch reflektierend ausgebildet. Vorteilhafterweise wird dadurch der Auslesekontrast bei der Bestimmung der Winkelposition erhöht. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist eine metallische Markierungsschicht 13 vorgesehen. Dabei ist Aluminium besonders geeignet, das durch für sich bekannte Verfahren wie Sputtern, Aufdampfen oder chemische Abscheidung auftragbar ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung dieser Ausführungsform weist die Eingangsoptik des Lesekopfes 9 einen großen Aperturwinkel auf. Bei Fokussierung auf die Markierungsschicht 13 wird dadurch der Einfluß von Verschmutzungen auf der dem Lesekopf 9 zugewandten Oberfläche der Winkelscheibe 2 gering gehalten.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundträger 12 elektrisch isolierend ist und dass die Markierungsschicht 13 elektrisch leitfähig ist. Der induktive Lesekopf 9 ist mit einer Spule zur Erzeugung und Messung von Wirbelströmen ausgestattet.
In einer dritten Ausführungsform tastet der Lesekopf 9 die Höhenmodulation der elektrisch leitenden Markierungsschicht mittels eines kapazitiven Verfahrens ab.
In einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist der Grundträger 12 unmagnetisch und die Markierungsschicht 13 magnetisch permeabel. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Markierungsschicht 13 permanentmagnetisch ist. Der Lesekopf 9 ist mit einem Magnetfeld-Sensor ausgestattet.
Unabhängig von der Ausführungsform wird bei der Winkelmessung die Höhenmodulation der Markierungsschicht 13 durch einen geeigneten stationären Lesekopf 9 von einer der beiden Scheibenflächen aus als Abstandsänderung registriert. Beim Inkrementalgeber genügt dazu ein ausschließlich dynamisches Verfahren, das die zeitliche Änderung während der Drehung der Welle 5 registriert, wobei entsprechende Impulse generiert werden.
Beim Absolutgeber wird die absolute Winkelposition auch bei stehender Welle gelesen. Dazu wird der laterale Kontrast des Musters der konzentrisch angeordneten Zeichenspuren auswertet.
In 3a ist ein Ausschnitt einer absoluten Winkelkodierung im Gray-Kode mit getrennten Spuren und in 3b mit randlos benachbarten Spuren entsprechend Detail "1" in 2a dargestellt, wobei der Spurverlauf begradigt dargestellt ist. Auf konzentrischen Zeichenspuren sind Bitmuster basierend auf einer ganzzahligen Zweierpotenz aufgetragen. Dabei kann vorgesehen sein, dass jede logische "1" des Gray-Kodes als Erhebung 18 und jede logische "0" des Gray-Kodes als Vertiefung 19 in die Oberfläche der Winkelscheibe 2 eingeformt ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass jede logische "0" des Gray-Kodes als Erhebung 18 und jede logische "1" des Gray-Kodes als Vertiefung 19 in die Oberfläche der Winkelscheibe 2 eingeformt ist. Vorteilhafterweise ist dabei der Lesefehler bei Zwischenstellungen der Winkelscheibe 2 auf ein Bit begrenzt.
In 4 ist ein Ausschnitt einer absoluten Winkelkodierung entsprechend Detail "11" in 2a dargestellt. In dieser weiteren Ausführungsform der Winkelscheibe 2 eines Absolutgebers ist vorgesehen, den Drehwinkel durch entlang des Umfangs platzierte, voneinander isolierte, in Form eines Rechtecks angeordnete Bitgruppen von Erhebungen 18 und Vertiefungen 19 gemäß der Darstellung in 4 zu kodieren. Dabei kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Erhebungen 18 und Vertiefungen 19 sich an den Ecken schneidende Seitenbegrenzungen aufweisen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Erhebungen 18 und Vertiefungen 19 oval geformt sind.
Unabhängig davon, ob beim Absolutgeber ein Graykode oder ein anderer Schlüssel zur Aufzeichnung der Winkelinformation verwendet wird, kann diese Aufzeichnung sowohl, wie vorstehend beschrieben, als auch flankenkodiert erfolgen. Bei Flankenkodierung wird eine Binärziffer durch den räumlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Flanken dargestellt. Dieser erscheint bei einem abtastenden Ausleseverfahren als Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen im Ausgangssignal. Eine flankensensitive Auswertung hat in Verbindung mit einer geeigneten Filterung des Ausgangssignals den Vorteil, dass eine höhere Empfindlichkeit und dadurch ein höheres Signal-zu-Rauschverhältnis erzielt wird. Eine flankensensitive Auswertung kann mit jedem der zuvor beschriebenen Lesekopftypen kombiniert werden.
Dazu sind in 5 ein Höhenprofil der Markierungsschicht 13 und der zugehörige Impulszug 21 eines flankensensitiven Lesekopfes für eine pulsbreitenkodierte Winkelinformation gezeigt. Innerhalb eines Bitrasters 20 sind die Wertigkeiten der einzelnen Bit 22 durch ihre Breite definiert. Jedes einzelne Bit 22 ist durch ein Flankenpaar bestehend aus einer steigenden und einer fallenden Flanke begrenzt. In dem gezeigten Höhenprofil ist eine logische "0" durch eine schmale Bitbreite und eine logische "1" durch eine breite Bitbreite gekennzeichnet.
Bei der flankensensitiven Auswertung wird bei jeder Flanke ein Impuls erzeugt. Aus dem Abstand der Impulse an einem Rasterpunkt des Bitrasters 20 wird die Wertigkeit jedes einzelnen Bit 22 ermittelt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass aufeinanderfolgende Bit 22 durch eine gemeinsame Flanke begrenzt sind. Bei der flankensensitiven Auswertung wird aus dem Abstand der Impulse die Wertigkeit jedes einzelnen Bit 22 ermittelt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine einfachere Struktur auf der Oberfläche des Informationsträgers erreicht.

1: Drehwinkelsensor
2: Winkelscheibe
3: Zentralöffnung
4: Aufnahme
5: Welle
6: Lager
7: Sensorgehäuse
8: Datenspur
9: Lesekopf
10: Auswerteelektronik
11: Anschlußkabel
12: Grundträger
13: Markierungsschicht
14: Schutzschicht
15: Stützschicht
16, 18: Erhebung
17, 19: Vertiefung
20: Bitraster
21: Impulszug
22: Bit

Claims

Drehwinkelsensor mit einer auf einer drehbaren Welle angeordneten Winkelscheibe, die mit einer kreisförmigen Informationsspur versehen ist, deren Daten von einem über der Scheibenoberfläche angeordneten, stationären Lesekopf aufgenommen und zur Weiterverarbeitung an eine Auswerteelektronik übergeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Winkelbestimmung verwendete Winkelscheibe (2) aus einem mittels einer Form strukturierten Grundträger (12) besteht, in das die enthaltene Winkelinformation über einen mechanischen Abformprozeß als Oberflächenprofil eingeformt ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das die Winkelinformation tragende Oberflächenprofil auf der dem Lesekopf (9) abgewandten Seite des Grundträgers (12) eingeformt ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil des Grundträgers (12) mit einer Markierungsschicht (13) überzogen ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungsschicht (13) durch eine Schutzschicht (14) abgedeckt ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (14) mit einer Stützschicht (15) überzogen ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) optisch transparent ist und dass die Markierungsschicht (13) optisch reflektierend ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) elektrisch isolierend ist und dass die Markierungsschicht (13) elektrisch leitfähig ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) unmagnetisch ist und dass die Markierungsschicht (13) magnetisch permeabel ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungsschicht (13) permanentmagnetisch ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) aus einem thermoplastischen Material besteht.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) heißgepreßt ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) spritzgegossen ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) aus einem mehrkomponentigen Harz besteht.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) Beimengungen von Faserwerkstoffen aufweist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundträger (12) Beimengungen von Kunststoffen geringer Wärmeausdehnung aufweist.