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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.
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Derartige Drehwinkelsensoren sind
in unterschiedlichen Ausführungen,
Meßbereichen,
Auflösungen
und Genauigkeiten, sowohl als Absolut- als auch als Inkrementalgeber
bekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den
Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den rückbezogenen
Ansprüchen
angegeben.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die
dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung des Aufbaus eines Drehwinkelsensors
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2 eine
Darstellung einer Winkelscheibe für
a) einen Absolutgeber
und
b) einen Inkrementalgeber
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3 eine
Darstellung einer Winkelkodierung im Gray-Kode
a) mit getrennten
Spuren und
b) mit randlos benachbarten Spuren
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4 eine
Darstellung einer Winkelkodierung in Bitgruppen
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5 eine
Darstellung einer Pulsbreitenkodierung mit flankensensitiver Auswertung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In einer dritten Ausführungsform
tastet der Lesekopf 9 die Höhenmodulation der elektrisch
leitenden Markierungsschicht mittels eines kapazitiven Verfahrens
ab.
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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.
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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.
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Beim Absolutgeber wird die absolute
Winkelposition auch bei stehender Welle gelesen. Dazu wird der laterale
Kontrast des Musters der konzentrisch angeordneten Zeichenspuren
auswertet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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