DE4123781A1 - Winkelsensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Es gibt in der Technik Anwendungen, bei denen die Winkelposition einer Drehachse über mehrere Umdrehung hinweg überwacht werden muß, (z. B. von einer Nullposition aus bis zu ± zwei Umdrehungen). Die Winkelposition muß dabei absolut gegeben sein, d. h. nach dem Einschalten des Sensors sofort zur Verfügung stehen, ohne daß zuvor eine Referenzpunktsuche stattfinden muß.

Die Aufgabe wird allgemein durch einen 360° Winkelsensor mit zusätzlichem Untersetzungsgetriebe gelöst, wobei ein zusätzlicher Grobsensor die Ge­ triebestellung überwacht, wodurch die Absolutposition innerhalb des Gesamt­ drehbereichs bestimmbar ist.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch ein Untersetzungsgetriebe die Mehrfachdrehung auf weniger als eine Umdrehung zu reduzieren und diese dann absolut zu messen.

Vorteile der Erfindung

Der Aufbau gemäß den Ansprüchen 1, 3 und 5 löst diese Aufgabe ohne zusätz­ liches Getriebe oder Grobsensor.

Figurenbeschreibung

In Fig. 1 sind um eine Welle 1 axial zueinander versetzt zwei streifen­ förmige aufgebaute Kondensatoren (nur einer sichtbar) gegensinnig spiral­ förmig so aufgewickelt und so an der Welle 1 und dem Stator 2 befestigt, daß in je einer Endstellung die eine Spirale fest um die Welle gewickelt und die andere locker ist (Spirale 3). Das Trägermaterial der Kapazi­ täten (in Fig. 1 zwischen den beiden Schichten 3a und 3b) ist flexibel und elastisch, so daß es sich beim Abwickeln immer zu seinem maximal möglichen Umfang ausdehnt.

Dieser Umfang ist dann jeweils von der Winkelposition der Welle abhängig. Ausgehend vom fest aufgewickelten Zustand, bei dem die beiden Platten eines Kondensators, am dichtesten aneinanderliegen und daher die größte Kapazität bilden, nimmt der Wert der einen Kapazität mit zunehmender Ab­ wicklung ständig ab, da der Abstand zwischen den Platten immer größer wird.

Im Gegensatz dazu wird die Kapazität des komplementären Kondensators, der gleichzeitig aufgewickelt wird, immer größer.

Bei differentieller Auswertung (Fig. 2) ergibt sich so ein linearer Zu­ sammenhang zwischen Absolutwinkel und dem Ausgangssignal der Meßschaltung.

In Fig. 1 ist unterstellt, daß ein elastischer Träger (zwischen den Belägen 3a und 3b) vorgesehen ist, der auf seinen Außenflächen mit den Belägen 3a und 3b versehen ist. Die sich verändernde Kapazität bildet sich zwischen dem innen liegenden Belag eines jeden Spiralteils und dem gegenüberliegenden außen liegenden Belag der darunter liegenden Spiral­ teils aus. Diese Beläge müssen auch im aufgewickelten Endstadium gegen­ einander isoliert sein, wozu wenigstens einer der Beläge eine Isolierung aufweisen muß.

Es ist jedoch auch denkbar ein elastisches Metallblech (z. B. aus Kupfer­ beryllium) als Träger und gleichzeitig als eine Seite der Kapazität zu ver­ wenden und hierauf einen dagegen isolierten Belag aufzubringen.

Schließlich ist in Fig. 3 ein Teilschnitt durch eine Spirale gezeigt, bei der die Spirale aus zwei elastischen Trägerteilen 30 und 31 besteht.

Der Träger 30 trägt hier nur einen Belag 32, während der Träger 31 zwei Beläge 32 und 33 trägt. Die Beläge 32 bilden die Erregerseite des kapaziti­ ven Meßsystems und befinden sich auf gleichem Potential. Der Belag 33 ist die Empfängerseite. Die Träger 30 und 31 befinden sich gemeinsam in einer schlauchartigen Schutzhülle 34, welche verhindert, daß in den Innenraum 35 des Kondensators Feuchtigkeit eindringen kann.

Gleichzeitig erlaubt die Hülle jedoch ein ungehindertes Auf- bzw. Abwickeln der Spirale. Im Außenraum 36 stört Feuchtigkeit nicht, da sie sich zwischen Platten gleichen Potentials befindet. Diese Maßnahme macht einen Achsdicht­ ring überflüssig.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausbildung. Hier ist auf einer spiralför­ migen Blattfeder 40 ein Dehnungsmeßstreifen (DMS) 41 einseitig aufgebracht. Die Spiralfeder 40 ist wieder an einer Seite mit einem Stator 42 und an der anderen Seite mit einer Welle 43 verbunden. Bei Drehung der Welle wickelt sich die Spirale auf oder ab, je nach Drehrichtung. Damit verändert sich die Biegung der Spiralfeder und der Dehnungsmeßstreifen verändert seinen elektrischen Widerstand.

Der Absolutwiderstand ist somit ein Maß für den Absolutwinkel. Zur besseren Linearisierung wird auch hier eine zweite Spiralfeder gegensinnig angeord­ net und die Widerstände der beiden Dehnungsmeßstreifen zur Auswertung in eine Brückenschaltung eingeschaltet.

Bei der weiteren, induktiven Alternative werden zwei gegensinnig gewickelte, spiralfederförmige Spulen in einer Brückenschaltung diffe­ rentiell miteinander verknüpft. Bei einer Drehung der Achse aus der Nullposition wird auch hier eine der Spiralfedern auf, und die andere abgewickelt, was gegensinnig sich ändernde Windungszahlen und damit Induk­ tivitäten zur Folge hat. Die Spiralfedern können z. B. aus ummantelten Fe­ derstahlband oder Kupferberylliumband bestehen. Um das Problem der achssei­ tigen Kontaktierung der beiden Spulen, z. B. durch Schleifringe, zu vermei­ den kann jede Spule aus zwei, räumlich getrennten, gleichsinnig gewickelten Spiralfedern bestehen, welche an der Achsseite miteinander elektrisch lei­ tend verbunden sind.

Die räumliche Trennung ist nötig, damit die gegenseitigen Induktionen die Induktivität nicht eliminieren (entsprechend einer bifilaren Wicklung).

Den prinzipiellen Ausbau des Sensors zeigt Fig. 5. Fig. 5b zeigt einen halbseitigen Schnitt durch die zwei Wicklungen L₁ und L₂, wobei jede Spule aus zwei mit gleichem Wicklungssinn gewickelte Teilspulen (entspre­ chend Fig. 5a und 5c), die jeweils an ihren inneren Enden miteinander verbunden werden, besteht.

Die induktive Lösung hat folgende Vorteile

• - Die Herstellung der Spiralfedern erfordert keine hohe Präzision und ist daher äußerst kostengünstig.
• - Der Zusammenbau kann in sehr kurzer Zeit erfolgen.
• - Es besteht keine Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Schmutz.
• - Die Anordnung ist robust gegenüber Vibration, Temperatur u.ä.

Claims (8)

1. Winkelsensor mit einem größeren Bereich als 360° für ein drehbares Teil, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Stator und dem drehbaren Teil eine flexible, die Drehachse umgebende Spirale aus elastischem Material vorgesehen und mit ihren Enden mit diesen Teilen verbunden ist und daß auf der Spirale aufgebrachte Beläge oder die Spirale selbst und ein aufgebrachter Belag eine bei Dre­ hung des Teils um die Drehachse veränderbaren Kondensator bilden.

2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Richtung der Drehachse versetzte Spiralen mit unterschiedlichem Wickelsinn vorgesehen sind und daß die Kapazitäten mittels eines Differenzverstärkers ausgewertet werden.

3. Winkelsensor mit einem größeren Bereich als 360° für ein drehbares Teil, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Stator und dem drehbaren Teil eine flexible, die Drehachse umgebende Spirale aus elastischem Material vorgesehen und mit ihren Enden mit diesen Teilen verbunden ist und daß auf der Spirale ein Dehnungsmeßstreifen aufgebracht ist, dessen Widerstand sich bei der Drehung des Teils um die Drehachse verändert.

4. Winkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Richtung der Drehachse gegeneinander versetzte Spiralen mit unter­ schiedlichem Wickelsinn vorgesehen sind und daß die sich verändern­ den Widerstände der Spiralen zur Auswertung in eine Auswertebrücke eingeschaltet sind.

5. Winkelsensor mit einem größeren Bereich als 360° für ein drehbares Teil, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Stator und dem drehbaren Teil eine flexible, die Drehachse umgebende Spirale aus elastischem Material vorgesehen und mit ihren Enden mit diesen Teilen verbunden ist und daß die Spirale als durch die Drehung ver­ änderbare Induktivität benutzt wird.

6. Winkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Richtung der Drehachse versetzte Spiralen mit unterschiedlichem Wickelsinn vorgesehen sind, und daß die beiden Induktivitäten differentiell ausgewertet werden.

7. Winkelsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale(n) aus zwei in Achsrichtung gegeneinander versetzte Spiralen mit gleichem Wicklungssinn besteht (bestehen) und daß die inneren Enden der beiden Spiralen miteinander leitend verbunden sind.

8. Winkelsensor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sein Meßbereich kleiner als 360° ist.