DE102005021300B4

DE102005021300B4 - encoders

Info

Publication number: DE102005021300B4
Application number: DE102005021300A
Authority: DE
Inventors: Armin Nimmrichter
Original assignee: VS SENSORIK GmbH
Current assignee: VS SENSORIK GMBH, DE
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: DE102005021300A1

Abstract

Drehgeber mit mindestens einem drehbaren Objekt (2, 42, 52, 62, 72) und mindestens einem Sensorelement (1), wobei
das Sensorelement (1) ein analoges Signal (S(w)) in Abhängigkeit von der Drehposition (w) des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72) relativ zu dem Sensorelement (1) ausgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich eine Leitfähigkeit, eine Dielektrizitätskonstante, eine Magnetisierbarkeit, ein magnetisches Moment und/oder ein Abstand zwischen dem Sensorelement (1) und einer Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72), über die eine magnetische, induktive und/oder kapazitive Wechselwirkung mit dem Sensorelement (1) erfolgt, winkelabhängig in Bezug auf eine Drehachse (3) des drehbaren Objektes (2, 42, 52, 62, 72) kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert, so dass das Sensorelement (1) das Signal (S(w)) mit einer gewünschten Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt (2, 42, 52, 62, 72) relativ zu dem Sensorelement (1) dreht, wobei
das Sensorelement (1) ein Wandlerelement (25) und...Rotary encoder with at least one rotatable object (2, 42, 52, 62, 72) and at least one sensor element (1), wherein
the sensor element (1) outputs an analog signal (S (w)) as a function of the rotational position (w) of the rotatable object (2, 42, 52, 62, 72) relative to the sensor element (1),
characterized in that
a conductivity, a dielectric constant, a magnetizability, a magnetic moment and / or a distance between the sensor element (1) and a peripheral surface of the rotatable object (2, 42, 52, 62, 72) via which a magnetic, inductive and / or or capacitive interaction with the sensor element (1), angle-dependent with respect to an axis of rotation (3) of the rotatable object (2, 42, 52, 62, 72) continuously changes between 0 ° and 360 °, so that the sensor element (1) outputs the signal (S (w)) having a desired waveform when the rotatable object (2, 42, 52, 62, 72) rotates relative to the sensor element (1),
the sensor element (1) has a transducer element (25) and ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehgeber und insbesondere einen Absolutdrehgeber mit mindestens einem drehbaren Objekt und mindestens einem Sensorelement, wobei das Sensorelement ein analoges Signal in Abhängigkeit von der Drehposition des drehbaren Objekts relativ zu dem Sensorelement ausgibt.The The present invention relates to a rotary encoder and more particularly an absolute rotary encoder with at least one rotatable object and at least one sensor element, wherein the sensor element is an analog Signal in dependence from the rotational position of the rotatable object relative to the sensor element outputs.

Drehgeber dienen als Messwertaufnehmer für Drehbewegungen, d. h., der Drehgeber gibt ein Signal aus, das eine Drehposition eines Objektes widerspiegelt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Drehgeber ist die Drehzahl- und Winkelerfassung in Antriebsspindeln von Werkzeugmaschinen, Antriebsachsen, etc.encoders serve as transducers for Rotational movements, d. h., the encoder outputs a signal, which is a Revolving position of an object reflects. An important application for encoders is the speed and angle detection in drive spindles of machine tools, Drive axles, etc.

Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Arten von Drehgebern: inkrementale Drehgeber und Absolutwertgeber.Basically there there are two different types of encoders: incremental encoders and absolute encoders.

Inkrementale Drehgeber eignen sich zur Messung von Drehzahl und Winkelgeschwindigkeiten. Bei der inkrementalen Bestimmung der Drehposition wird ein sich drehender Maßstab von einem Sensorelement abgetastet, wobei als Maßstab zum Beispiel eine Kreisscheibe mit einem Strichmuster verwendet wird. Die Drehposition bzw. Winkelgeschwindigkeit wird durch einfaches Zählen der Markierungen auf dem Maßstab bestimmt.incremental Rotary encoders are suitable for measuring rotational speed and angular velocities. In the incremental determination of the rotational position becomes a rotating scale scanned by a sensor element, as a scale, for example, a circular disk is used with a bar pattern. The rotational position or angular velocity is by simple counting the marks on the scale certainly.

Bei Absolutwertgebern wird die Absolutwinkelposition auf dem Maßstab als codierte Information in die Markierungen eingearbeitet.at Absolute encoders the absolute angle position on the scale as coded information incorporated in the markers.

Die Abtastung der Markierungen auf dem Maßstab wird bei inkrementalen Drehgebern und Absolutwertdrehgebern in der Regel durch eine optische Abtastung erreicht.The Scanning of the marks on the scale is at incremental Encoders and absolute encoders usually by an optical Scanning achieved.

Ein solcher optischer Drehgeber wird z.B. in der DE 10 2004 019 332 A1 beschrieben.Such an optical encoder is eg in the DE 10 2004 019 332 A1 described.

Alternativ zu den optischen Abtastverfahren sind auch Drehgeber bekannt, die auf einem induktiven Drehwinkelsensorprinzip beruhen. Ein Beispiel für einen Drehgeber vom induktiven Typ wird z.B. in dem US-Patent US 5,150,115 beschrieben. Darin wird ein Muster, das auf einer rotierenden Scheibe aufgebracht ist, induktiv von einem Sensor, der auf einer zweiten feststehenden Scheibe aufgebracht ist, abgetastet.As an alternative to the optical scanning methods, rotary encoders are also known which are based on an inductive rotation angle sensor principle. An example of an inductive type rotary encoder is disclosed, for example, in US Pat US 5,150,115 described. Therein, a pattern applied to a rotating disk is inductively scanned by a sensor mounted on a second stationary disk.

Inkrementale Drehgeber können auch mit magnetischen Sensoren mit einem Zahnrad als Maßstab realisiert werden. Ein magnetischer Sensor, der für einen solchen Zweck geeignet ist, wird z.B. in der WO 98/39621 beschrieben.incremental Rotary encoder can also realized with magnetic sensors with a gear as a scale become. A magnetic sensor suitable for such a purpose is, is e.g. described in WO 98/39621.

Die Drehgeber des Standes der Technik könnten allerdings noch in verschiedener Hinsicht verbessert werden.The However, state-of-the-art encoders may still be available in different versions Be improved.

Den vorher genannten Drehgebern ist gemeinsam, dass sie nur zur Drehpositionsbestimmung von kleineren Achsen mit Achsendurchmessern von einigen mm bis einigen cm geeignet sind, da die Herstellungstechniken für die notwendigen Maßstäbe (Strichcodes) nur eine Herstellung maximal im Zentimetermaßstab erlauben. Weiterhin erfordert die Bestimmung des Absolutwertes des Drehwinkels einen Maßstab, bei dem der Absolutwert des Drehwinkels in codierter Form in die Maßstabsmarkierungen eingebracht ist. Das bedeutet einen erhöhten Fertigungsaufwand für den Maßstab, insbesondere wenn hohe Genauigkeiten gefordert sind. Des weiteren ist auch bei den inkrementalen Drehgebern eine hohe Genauigkeit mit hohen Fertigungskosten verbunden.The previously mentioned encoders have in common that they are only for rotational position determination from smaller axles with axle diameters from a few mm to a few cm because the manufacturing techniques for the necessary scales (barcodes) are allow only a maximum production in the centimeter scale. Furthermore required the determination of the absolute value of the angle of rotation a scale at the absolute value of the angle of rotation in coded form in the scale marks is introduced. This means increased production costs for the scale, in particular if high accuracies are required. Furthermore, it is also included The incremental encoders high accuracy associated with high manufacturing costs.

Bei der Verwendung von Drehgebern in Synchronmotoren sind insbesondere Absolutwert-Drehgeber wünschenswert, die allein wegen der zusätzlichen absoluten Winkelcodierung einen erhöhten Fertigungsaufwand erfordern.at the use of encoders in synchronous motors are particular Absolute value encoder desirable that alone because of the extra absolute angle coding require increased production costs.

Wünschenswert wäre deshalb ein Drehgeber, der auch für Achsen mit großen Achsendurchmessern und insbesondere zur Verwendung in Synchronmotoren geeignet ist. Wünschenswert sind dabei Achsen, deren Durchmesser bis zu mehreren Metern betragen können. Des weiteren soll eine hohe Genauigkeit bei niedrigen Herstellungskosten erreicht werden.Desirable That would be why a rotary that also for Axes with big ones Axis diameters and in particular for use in synchronous motors suitable is. Desirable These are axes whose diameters are up to several meters can. Furthermore, a high accuracy at low production costs be achieved.

Die deutsche Patentanmeldung DE 103 16 126 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Achse drehbaren Körpers gemäß des einleitenden Teils der unabhängigen Ansprüche. Die Vorrichtung ist eine stufenlose Lagerückmeldung einer Nockenwelle vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor, der abhängig von der Position des drehbaren Körpers ein Signal erzeugt, und ein Steuergerät, das das Signal des Sensors auswertet. Das Signal des Sensors ist für jedes vorgegebene Winkelsegment unterschiedlich. Vorteilhafterweise ist der Sensor ein Abstandssensor und der drehbare Körper derart ausgestaltet und zum Abstandssensor ausgerichtet, dass die Distanz zwischen Abstandssensor und drehbarem Körper für jedes vorgegebene Winkelsegment des drehbaren Körpers unterschiedlich ist.The German patent application DE 103 16 126 A1 describes a device for detecting the angular position of an axis rotatable body according to the introductory part of the independent claims. The device is provided a stepless bearing feedback of a camshaft. The device around Holds a sensor that generates a signal depending on the position of the rotatable body, and a controller that evaluates the signal from the sensor. The signal from the sensor is different for each given angle segment. Advantageously, the sensor is a distance sensor and the rotatable body is configured and aligned with the distance sensor such that the distance between the distance sensor and the rotatable body is different for each predetermined angular segment of the rotatable body.

Die deutsche Patentanmeldung DE 198 08 744 A1 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung, die jedoch mit einem Magnetfeldsensor ausgestattet ist.The German patent application DE 198 08 744 A1 describes a similar device, but equipped with a magnetic field sensor.

Die europäische Patentschrift 0 396 200 B1 betrifft eine Pelletpresse, die eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Position eines exzentrischen Lagerzapfens in Bezug auf die Position der Quetschwalze beschreibt. Die Messvorrichtung weist alle Merkmale des Einführungsteils der Ansprüche 1 und 23 auf.The European Patent 0 396 200 B1 relates to a pellet press which has a Measuring device for determining the position of an eccentric Bearing pin with respect to the position of the nip roller describes. The measuring device has all the features of the introduction part of claims 1 and 23 on.

Ein Nachteil von solchen Abstandssensoren, insbesondere von magnetischen, induktiven und kapazitiven Sensoren ist, dass der Zusammenhang zwischen Abstand und Signalstärke des Sensors nichtlinear ist, wodurch sich die Genauigkeit der absoluten Winkelbestimmung verschlechtert.One Disadvantage of such distance sensors, in particular of magnetic, Inductive and capacitive sensors is that the relationship between Distance and signal strength of the sensor is non-linear, which increases the accuracy of the absolute Angle determination deteriorates.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehgeber bereitzustellen, der eine hohe Genauigkeit bei niedrigen Herstellungskosten aufweist und der auch für Achsen mit großen Achsendurchmessern und insbesondere zur Verwendung in Synchronmotoren geeignet ist.It is therefore the object of the present invention, a rotary encoder to provide high accuracy at low cost and also for Axes with big ones Axis diameters and in particular for use in synchronous motors suitable is.

Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Drehgeber der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich eine Leitfähigkeit, eine Dielektrizitätskonstante, eine Magnetisierbarkeit, ein magnetisches Moment und/oder ein Abstand zwischen dem Sensorelement und einer Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes, über die eine magnetische, induktive und/oder kapazitive Wechselwirkung mit dem Sensorele ment erfolgt, winkelabhängig in Bezug auf eine Drehachse des drehbaren Objektes kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert, so dass das Sensorelement das Signal mit einer gewünschte Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt relativ zu dem Sensorelement dreht, wobei das Sensorelement ein Wandlerelement und ein Anregersystem enthält, wobei das von dem Wandlerelement ausgegebene Signal so beeinflusst wird, dass das von dem Sensorelement ausgegebene Signal die gewünschte Signalform aufweist, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.According to one The first aspect of the invention is achieved by a rotary encoder of the type mentioned above, characterized in that a conductivity, a dielectric constant, a magnetizability, a magnetic moment and / or a distance between the sensor element and a peripheral surface of the rotatable object, over which is a magnetic, inductive and / or capacitive interaction takes place with the Sensorele ment, angle-dependent with respect to a rotation axis of the rotatable object continuously changes between 0 ° and 360 °, so that the sensor element the signal with a desired Output waveform when the rotatable object relative to the Sensor element rotates, wherein the sensor element is a transducer element and contains an exciter system, wherein the signal output from the transducer element so influences is that the signal output from the sensor element, the desired waveform which compensates for interference become.

Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass sich aus dem analogen Signal direkt die absolute Winkelposition ableiten lässt. Dazu ist es notwendig, dass die gewünschte Signalform möglichst störungsfrei von dem Sensorelement ausgegeben wird. Dies kann relativ einfach mit geringem technologischen Aufwand realisiert werden, indem eine physikalische Eigenschaft des drehbaren Objektes kontinuierlich winkelabhängig eingeprägt wird.Of the Advantage of such an arrangement is that from the analog Signal directly derives the absolute angular position. To it is necessary that the desired Signal form possible trouble-free from is output to the sensor element. This can be relatively easy with Low technological effort can be realized by a physical Property of the rotatable object is continuously impressed angle-dependent.

Ändert sich zum Beispiel die physikalische Eigenschaft schneckenförmig, erhält man immer für unterschiedliche Winkelpositionen unterschiedliche Signale und aus dem Signal lässt sich eindeutig die Winkelposition bestimmen. Abhängig von kontinuierlichen Winkelverteilung können mehrere Sensorelemente und/oder eine intelligente Signalauswertung notwendig sein, um die Winkelposition eindeutig zu bestimmen. Ist die Winkelverteilung zum Beispiel so gestaltet, dass sich keine eindeutige Zuordnung erreichen lässt, weil zum Beispiel für einen Sensorsignalwert zwei Winkelpositionen möglich sind, kann mit zwei Sensorelementen eine eindeutige absolute Winkelposition bestimmt werden.Changes For example, the physical property snail-shaped, you always get for different Angular positions different signals and out of the signal can be clearly determine the angular position. Dependent on continuous angular distribution can several sensor elements and / or intelligent signal evaluation be necessary to uniquely determine the angular position. is the angular distribution, for example, designed so that no achieve a clear assignment, because for example a sensor signal value two angular positions are possible, can with two sensor elements a unique absolute angular position can be determined.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass in Abhängigkeit von technischen Gegebenheiten ein Sensorelement gewählt werden kann, das möglichst nicht durch Störwechselwirkungen beeinflusst wird. Insbesondere ist man in einer hellen und lauten Umgebung mit störendem Streulicht und Vibrationen nicht auf optische und akustische Sensoren beschränkt und kann auf magnetische, induktive, und kapazitive Wechselwirkungsprinzipien ausweichen.One Another advantage of the invention is that depending be selected by technical factors, a sensor element can, if possible not by interference being affected. In particular, one is in a bright and loud Environment with disturbing Stray light and vibration not on optical and acoustic sensors limited and can be based on magnetic, inductive, and capacitive interaction principles dodge.

Die Auswahl des Wechselwirkungsprinzips, magnetisch, induktiv oder kapazitiv kann je nach konstruktiven Belangen gewählt werden und ein entsprechend dazu geeignetes Sensorelement wird ausgewählt.The Selection of the interaction principle, magnetic, inductive or capacitive can be chosen depending on the constructive concerns and a corresponding suitable sensor element is selected.

Um eine möglichst genaue Winkelangabe zu erhalten, ist es vorteilhaft, dass die Signalform des von dem Sensorelement ausgegebenen Signals möglichst genau die gewünschte Signalform aufweist. Ist z.B. die gewünschte Signalform sinusförmig und erhält man statt dessen durch Nichtlinearitäten der Sensorcharakteristik oder Wechselwirkungscharakteristik ein Sinussignal, das durch Oberwellen gestört ist, beeinträchtigt dies die Genauigkeit der Bestimmung des absoluten Drehwinkels.Around one possible To obtain accurate angle indication, it is advantageous that the waveform the signal output from the sensor element as closely as possible the desired waveform having. Is e.g. the desired Waveform sinusoidal and receives one instead by nonlinearities of the sensor characteristic or interaction characteristic a sinusoidal signal caused by harmonics disturbed is impaired this is the accuracy of determining the absolute angle of rotation.

Solche Ungenauigkeiten lassen sich in einer Ausführungsform durch Modifikation des von dem Wandlerelement ausgegebene Signals durch eine nachgeschaltete Elektronik erreichen.Such Inaccuracies can be modified in one embodiment by modification of the output from the transducer element signal by a downstream Reach electronics.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird das von dem Wandlerelement ausgegebene Signal durch Anpassen einer Wechselwirkungscharakteristik, die den Zusammenhang zwischen dem von dem Wandlerelement ausgegebene Signal und einer Drehposition beschreibt, modifiziert.at a further embodiment the signal output from the transducer element is adjusted by adjusting an interaction characteristic that determines the relationship between the signal output from the transducer element and a rotational position describes, modified.

Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform, in der eine induktive Wechselwirkung verwendet wird, die Wechselwirkungscharakteristik durch eine Form und/oder eine Anordnung von mindestens einer Erregerspule, und/oder einen Anregungsstrom, und/oder einen Abstand modifiziert werden.To the Example, in an embodiment, in which an inductive interaction is used, the interaction characteristic by a shape and / or arrangement of at least one exciting coil, and / or an excitation current, and / or a distance modified become.

In einer anderen Ausführungsform, bei der eine magnetische Wechselwirkung verwendet wird, kann die Wechselwirkungscharakteristik durch eine Vormagnetisierung oder ein Bias-Magnetsystem und/oder einen Abstand modifiziert werden.In another embodiment, in which a magnetic interaction is used, the Interaction characteristic by a bias or a bias magnet system and / or a distance are modified.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die gewünschte Signalform eine Sinusform, eine Dreiecksform, eine Sägezahnform oder eine beliebige andere vordefinierte Form haben.In various embodiments can the desired Waveform is a sinusoid, triangular, sawtooth or any other predefined shape.

Im Falle eines sinusförmigen Signals ist es wünschenswert, den Oberwellenanteil möglichst gering zu halten. Als Maß für den Anteil der Oberwellen bzw. der nicht linearen Verzerrungen kann der Klirrfaktor k verwendet werden, der durch folgende Formel definiert ist:

In the case of a sinusoidal signal, it is desirable to keep the harmonic content as low as possible. As a measure of the proportion of harmonics or non-linear distortions, the harmonic distortion k can be used, which is defined by the following formula:

In einer Ausführungsform ist es wünschenswert, dass der Klirrfaktor kleiner als 0,25% ist. In jedem Fall soll eine Absolutwinkelbestimmung von besser als 1° erreichbar sein.In an embodiment it is desirable that the harmonic distortion is less than 0.25%. In any case, one should Absolute angle determination of better than 1 ° can be achieved.

Eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung von Störeinflüssen besteht darin, mindestens zwei Sensorelemente an zwei verschiedenen Winkelpositionen bezüglich des drehbaren Objektes anzuordnen.A another possibility to eliminate disturbing influences therein, at least two sensor elements at two different angular positions in terms of to arrange the rotatable object.

Alternativ oder in Kombination dazu können in einer Ausführungsform mindestens zwei Sensorelemente mit mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungscharakteristiken und/oder mindestens zwei verschiedenen Wechselwirkungsarten angeordnet werden.alternative or in combination with it in one embodiment at least two sensor elements with at least two different ones Interaction characteristics and / or at least two different ones Interaction types are arranged.

Zusätzlich oder alternativ können zur Verbesserung der Winkelbestimmung folgen Maßnahmen vorgesehen werden:

• Mindestens zwei Sensorelemente können so angeordnet werden, dass der Drehgeber zwei unabhängige Signale mit einer Phasenverschiebung ausgibt.
• Mindestens eine zweite Einheit bestehend aus mindestens einem drehbaren Objekt und mindestens einem Sensorelement können verwendet werden.
• Die mindestens zwei Einheiten können mindestens zwei unabhängige Signale mit der gewünschten Signalform liefern.

Additionally or alternatively, measures may be taken to improve the angle determination:

• At least two sensor elements can be arranged so that the encoder outputs two independent signals with a phase shift.
At least one second unit consisting of at least one rotatable object and at least one sensor element can be used.
• The minimum of two units can provide at least two independent signals of the desired waveform.

Bei entsprechender Verrechnung bzw. Kombination der Signale der beiden Sensorelemente können Störeinflüsse, die beide Sensorelemente gleichermaßen betreffen, und oder Nichtlinearitäten eliminiert werden.at appropriate offsetting or combination of the signals of the two Sensor elements can interfere with the both sensor elements alike relate, and or nonlinearities are eliminated.

Dies kann in einer Ausführungsform erreicht werden z.B. durch die Bildung der Differenz von mindestens zwei Sensorsignalen.This can in one embodiment can be achieved e.g. by forming the difference of at least two sensor signals.

In einer anderen Ausführungsform kann der Drehgeber mindestens zwei drehbare Objekte aufweisen, die unterschiedliche Wechselwirkungscharakteristiken hinsichtlich mindestens einem Sensorelement aufweisen. Die mindestens zwei drehbaren Objekte können dann so ausgelegt werden, dass sich die Wechselwirkungscharakteristiken so überlagern, dass sich die gewünschte Signalform ergibt, wobei Störeinflüsse kompensiert werden. Ein Sensorelement kann dann eine Signalform ausgeben, die der Überlagerung der beiden Wechselcharakteristiken entspricht. Dadurch können wieder Störeinflüsse eliminiert werden.In another embodiment the rotary encoder can have at least two rotatable objects, the different interaction characteristics in terms of at least have a sensor element. The at least two rotatable objects can then be designed so that the interaction characteristics superimpose, that is the desired Signal form results, with interference compensated become. A sensor element may then output a waveform that the overlay corresponds to the two alternating characteristics. This can be done again Noises are eliminated become.

In einer Ausführungsform, bei der sich der Abstand zwischen Sensorelement und Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert, kann dies in verschiedenen Ausführungsformen durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Durch Formgebung und Anordnung des drehbaren Objektes kann dabei ein gewünschtes Ausgangssignal erreicht werden.In an embodiment in which the distance between the sensor element and peripheral surface of the rotatable object changes continuously between 0 ° and 360 °, this can be done in various embodiments can be achieved through various measures. By shaping and arrangement of the rotatable object while a desired output signal can be achieved.

Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das drehbare Objekt eine exzentrisch gelagerte Kreisscheibe sein.To the Example may be in one embodiment the rotatable object is an eccentrically mounted circular disk.

In einer alternativen Ausführungsform kann das drehbare Objekt eine ellipsenförmige Scheibe sein.In an alternative embodiment For example, the rotatable object may be an elliptical disk.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das drehbare Objekt eine zur Drehachse geneigt gelagerte Kreisscheibe sein.In a further alternative embodiment the rotatable object may be a circular disk inclined to the axis of rotation be.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes ein gewindeförmiges Profil aufweisen.In a further alternative embodiment can the circumferential surface of the rotatable object have a thread-shaped profile.

Ein Vorteil des gewindeförmigen Profils liegt darin, dass inhomogene magnetische Störfelder, die z.B. bei Elektromotoren insbesondere beim Anlaufen vorhanden sind, einen geringeren Einfluss auf eine Differenzmessung einer magnetischen Abstandsmessung aufweisen. Elektromotoren erzeugen stark inhomogene magnetische Streufelder, die die Genauigkeit der Differenzmessung umso stärker beeinträchtigen, je größer der Abstand zwischen zwei Sensorelementen ist. Benötigt man z.B. zwei Sensorsignale, die um 180° phasenverschoben sind, kann man zwei Sensorelemente auf gegenüberliegenden Seiten einer exzentrisch gelagerten Kreisscheibe anordnen (siehe z.B. 6 mit w2 = 180°). Durch den großen Abstand zwischen den beiden Sensorelementen bewirkt ein inhomogenes magnetisches Störfeld, dass die Phasenbeziehung nicht mehr klar definiert ist. In einem gewindeförmigen Profil kann der Abstand zwischen den zwei Sensorelementen so klein gehalten werden, dass die Feldinhomogenitäten, die durch den Elektromotor erzeugt werden, vernachlässigbar werden (modellhaftes Beispiel in 7). Beträgt z.B. die Steigung des Gewindes 8 mm, kann man zwei Sensorelemente an der selben Winkelposition in einem Abstand von 4 mm in paralleler Richtung zur Gewindesteigung anordnen, um zwei zueinander um 180° phasenverschobene Signale zu erhalten.An advantage of the thread-shaped profile is that inhomogeneous magnetic interference fields, which are present, for example, in electric motors, especially during start-up, have a smaller influence on a differential measurement of a magnetic distance measurement. Electric motors generate highly inhomogeneous magnetic stray fields, which affect the accuracy of the differential measurement more strongly, the greater the distance between two sensor elements. If, for example, two sensor signals are required, which are phase-shifted by 180 °, two sensor elements can be arranged on opposite sides of an eccentrically mounted circular disk (see, for example, FIG 6 with w2 = 180 °). Due to the large distance between the two sensor elements causes an inhomogeneous magnetic interference field that the phase relationship is no longer clearly defined. In a thread-like profile, the distance between the two sensor elements can be kept so small that the field inhomogeneities generated by the electric motor become negligible (model example in FIG 7 ). If, for example, the pitch of the thread is 8 mm, two sensor elements can be arranged at the same angular position at a distance of 4 mm in a direction parallel to the thread pitch in order to obtain two signals which are phase-shifted relative to one another by 180 °.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Drehspindeln von z.B. Synchronmotoren häufig bereits in Teilabschnitten Gewinde aufweisen, die vorteilhaft für eine Abstandsmessung und damit für eine Absolutwinkelbestimmung ohne zusätzlichen Aufwand für ein separates drehbares Objekt verwendet werden können.One Another advantage is that rotary spindles of e.g. synchronous motors often already have threads in sections, which are advantageous for a distance measurement and for that Absolute angle determination without additional effort for a separate rotatable object can be used.

In einer Ausführungsform ist das Gewinde auf die Mantelfläche einer zentrisch gelagerten Kreisscheibe, die als drehbares Objekt dient, aufgebracht. Dadurch ist es möglich, die Abstandsmessung an einen Ort zu verlagern, z.B. durch geeignete Wahl eines Scheibenradiuses, an dem geringe Inhomogenitäten von magnetischen Störfeldern vorhanden sind.In an embodiment is the thread on the lateral surface a centrically mounted circular disc, as a rotatable object serves, upset. This makes it possible to measure the distance to relocate to a place, e.g. by a suitable choice of a disk radius, at the low inhomogeneities of magnetic interference fields available.

Des weiteren kann das drehbare Objekt so gestaltet werden, dass Nichtlinearitäten des Sensorelements zumindest teilweise kompensiert werden um die gewünschte Signalform zu erhalten. Zum Beispiel könnte die Umfangsoberflächen der oben genannten Kreisscheibe so abgeändert werden, dass Nichtlinearitäten der Sensorcharakteristik (Abstandscharakteristik) ausgeglichen werden.Of Furthermore, the rotatable object can be designed so that nonlinearities of the Sensor element are at least partially compensated for the desired waveform to obtain. For example, could the peripheral surfaces the above circular disc are modified so that nonlinearities of Sensor characteristic (distance characteristic) are compensated.

Gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Drehgeber der Eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, das Sensorelement ein Abstandssensor, der auf induktiven, magnetischen und/oder kapazitiven Wirkprinzipien beruht, ist, und dass die Geometrie des drehbaren Objektes so ausgebildet ist, dass sich der Abstand zwischen dem Sensorelement und der Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes winkelabhängig zwischen 0° und 360° ändert, so dass das Sensorelement das Signal mit einer gewünschte Signalform ausgibt, wenn sich das drehbare Objekt relativ zu dem Sensorelement dreht, wobei das Sensorelement ein Wandlerelement und ein Anregersystem enthält, wobei das von einem Wandlerelement ausgegebene Signal so beeinflusst wird, dass das von dem Sensorelement ausgegebene Signal die gewünschte Signalform aufweist, wobei Störeinflüsse kompensiert werden.According to one second aspect of the invention, the object is achieved by a rotary encoder solved the type mentioned at the beginning, characterized in that the sensor element is a distance sensor, on inductive, magnetic and / or capacitive principles of action is based, and that the geometry of the rotatable object is formed is that the distance between the sensor element and the peripheral surface of the rotatable object dependent on angle between 0 ° and 360 ° changes, so that the sensor element outputs the signal with a desired signal shape, when the rotatable object rotates relative to the sensor element, wherein the sensor element includes a transducer element and an exciter system, wherein the signal output by a transducer element is influenced so the signal output by the sensor element is the desired signal shape which compensates for interference become.

Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass sich aus dem analogen Abstandssignal direkt die absolute Winkelposition ableiten lässt. Weiterhin können bekannte Abstandssensoren verwendet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass in Abhängigkeit der technischen Gegebenheiten ein Abstandssensor gewählt werden kann, der möglichst nicht durch Störwechselwirkungen beeinflusst wird. Zum Beispiel kann man in einer hellen und lauten Umgebung mit störendem Streulicht und Vibrationen nicht auf optische und akustische Sensoren beschränkt und kann auf magnetische, induktive oder kapazitive Wechselwirkungsprinzipien ausweichen.Of the Advantage of such an arrangement is that from the analog Distance signal directly derive the absolute angular position. Farther can known distance sensors are used. Another advantage is that in dependence the technical conditions a distance sensor can be selected can, if possible not by interference being affected. For example, you can be in a bright and loud Environment with disturbing Stray light and vibration are not limited to optical and acoustic sensors and can be based on magnetic, inductive or capacitive interaction principles dodge.

In verschiedenen Ausführungsformen wird erreicht, dass sich der Abstand zwischen Sensorelement und Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes kontinuierlich zwischen 0° und 360° ändert. Durch Formgebung und Anordnung des drehbaren Objektes kann dabei ein gewünschtes Ausgangssignal erreicht werden.In various embodiments is achieved that the distance between the sensor element and circumferential surface of the rotatable object continuously changes between 0 ° and 360 °. By shaping and Arrangement of the rotatable object can be a desired Output signal can be achieved.

Das drehbare Objekt kann z.B. als eine exzentrisch gelagerte Kreisscheibe, als ellipsenförmige Scheibe, als eine zur Drehachse geneigt gelagerten Kreisscheibe oder mit einer Umfangsoberfläche mit gewindeförmigem Profil ausgebildet sein.The rotatable object can e.g. as an eccentrically mounted disc, as elliptical Disc, as an inclined to the rotation axis mounted disc or with a peripheral surface with thread-shaped Profile be trained.

Im übrigen sind alle Maßnahmen zur Modifizierung des Sensorsignals, wie sie in Verbindung mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden, auch auf den zweiten Aspekt der Erfindung anwendbar. Die dort erwähnten Vorteile treffen auch auf den zweiten Aspekt der Erfindung zu.Otherwise are all measures for modifying the sensor signal as used in conjunction with the first Aspect of the invention have been described, also to the second aspect of the invention applicable. The advantages mentioned there also apply to the second aspect of the invention.

Im folgenden werden einige konkrete Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobeiin the Following are some concrete embodiments with reference to accompanying drawings closer explains in which

1 das Prinzip der Erfindung anhand einer Ausführungsform mit einer Drehwinkelbestimmung mit einem Abstandssensor und einer exzentrisch gelagerten Scheibe als drehbares Objekt veranschaulicht; 1 illustrates the principle of the invention with reference to an embodiment with a rotation angle determination with a distance sensor and an eccentrically mounted disc as a rotatable object;

2 einen magnetischen Abstandssensor veranschaulicht; 2 illustrates a magnetic distance sensor;

3 Beispiele von Abstandscharakteristiken s(x) veranschaulicht; 3 Examples of distance characteristics s (x) illustrated;

4 eine weitere Ausführungsform eines Drehgebers mit einem Abstandssensor und einer ellipsenförmigen Scheibe als drehbares Objekt veranschaulicht; 4 illustrates another embodiment of a rotary encoder with a distance sensor and an elliptical disk as a rotatable object;

5 noch eine Ausführungsform eines Drehgebers mit einem Abstandssensor und einer zur Drehachse geneigten kreisförmigen Scheibe veranschaulicht; 5 FIG. 5 illustrates another embodiment of a rotary encoder with a distance sensor and a circular disk inclined to the axis of rotation; FIG.

6 eine Ausführungsform eines Drehgebers mit einer exzentrisch gelagerten kreisförmigen Scheibe als drehbares Objekt und drei Abstandssensoren, die an verschiedenen Winkelpositionen und Abstandspositionen angeordnet sind, veranschaulicht; und 6 an embodiment of a rotary encoder with an eccentrically mounted circular disc as a rotatable object and three distance sensors, which are arranged at different angular positions and distance positions, illustrates; and

7 eine Ausführungsform eines Drehgebers mit einer zur Drehachse geneigten kreisförmigen Scheibe als drehbares Objekt und zwei Abstandssensoren an derselben Winkelposition jedoch mit unterschiedlichen radialen und axialen Positionen zeigt. 7 shows an embodiment of a rotary encoder with a circular disk inclined to the axis of rotation as a rotatable object and two distance sensors at the same angular position but with different radial and axial positions.

Zur Verdeutlichung des erfinderischen Gedankens wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel ein Drehgeber mit einem drehbaren Objekt und einem Abstandssensorelement beschrieben.to Clarification of the inventive idea is hereinafter as embodiment a rotary encoder with a rotatable object and a distance sensor element described.

1 zeigt beispielhaft einen Drehgeber mit einem Abstandssensor 1 und einem drehbaren Objekt, das als exzentrisch gelagerte kreisförmige Scheibe 2 ausgebildet ist. Die Drehachse 3 der kreisförmigen Scheibe 2 läuft nicht durch den Mittelpunkt 4 der kreisförmigen Scheibe 2. Das Sensorelement 1 ist in einem Abstand R0 von der Drehachse 3 angeordnet. Der Abstand R0 ist größer als der maximale Abstand zwischen der Drehachse 3 und dem äußeren Rand der kreisförmigen Scheibe 2. Das Abstandssensorelement 1 gibt ein Signal S(w) in Abhängigkeit von Drehwinkel w ab. 1 shows an example of a rotary encoder with a distance sensor 1 and a rotatable object acting as an eccentrically mounted circular disk 2 is trained. The rotation axis 3 the circular disc 2 does not run through the center 4 the circular disc 2 , The sensor element 1 is at a distance R0 from the axis of rotation 3 arranged. The distance R0 is greater than the maximum distance between the axis of rotation 3 and the outer edge of the circular disc 2 , The distance sensor element 1 outputs a signal S (w) as a function of angle of rotation w.

Bei einem bestimmten Drehwinkel w1 befindet sich das Sensorelement 1 im Abstand x1 vom Rand der kreisförmigen Scheibe 2 und gibt ein entsprechendes Signal S1 ab. Bei einem anderen Drehwinkel w2 weist das Sensorelement 1 einen Abstand x2 von dem Rand der kreisförmigen Scheibe 2 auf. Da die Drehachse 3 nicht im Mittelpunkt der kreisförmigen Scheibe 2 liegt ist der Abstand x1 unterschiedlich zum Abstand x2. Damit lässt sich ein winkelabhängiger Abstand x(w) zwischen dem Rand der kreisförmigen Scheibe 2 und dem Sensorelement 1 zuordnen. Da das Sensorelement 1 abstandsabhängige Signale S(x) ausgibt, lässt sich über die Winkel-Abstandsabhängigkeit x(w) ein winkelabhängiges Signal S(w) = S(x(w)) bestimmen.At a certain angle of rotation w1 is the sensor element 1 at a distance x1 from the edge of the circular disk 2 and outputs a corresponding signal S1. At a different angle of rotation w2, the sensor element 1 a distance x2 from the edge of the circular disc 2 on. Because the rotation axis 3 not in the center of the circular disk 2 is the distance x1 different from the distance x2. This allows an angle-dependent distance x (w) between the edge of the circular disc 2 and the sensor element 1 assign. Because the sensor element 1 outputs distance-dependent signals S (x), an angle-dependent signal S (w) = S (x (w)) can be determined via the angular distance dependence x (w).

2 zeigt ein Beispiel für einen Abstandssensor. Das Sensorelement 1 des Abstandssensors enthält ein Wandlerelement 25, ein Anregersystem 26 und eine Sensorelektronik. Das Wandlerelement 25 kann ein magnetischer Sensor (z.B. ein Hall-Element), eine Fotodiode, ein Mikrofon, etc. sein. Das Anregersystem 26 kann z.B. ein Biasmagnetsystem für magnetische Abstandssensoren, eine Induktionsspule für induktive Abstandssensoren, eine Schallquelle für Ultraschallabstandssensoren, eine Lichtquelle für optische Abstandssensoren, etc. sein. Die Signalelektronik 27 ist mit dem Wandlerelement 25 gekoppelt und dient der Verstärkung, Stromspannungswandlung, Signalformung, etc. des Signals Sa vom Wandlerelement 25. Das Anregersystem 26 erzeugt eine Wechselwirkung zwischen einem Objekt 22 und dem Wandlerelement 25 in Abhängigkeit des Abstandes x zwischen dem Objekt 22 und dem Wandlerelement 25. Die Sensorelektronik gibt ein entsprechendes Signal S(x) in Abhängigkeit des Abstandes x aus. 2 shows an example of a distance sensor. The sensor element 1 of the distance sensor a transducer element 25 , an exciter system 26 and a sensor electronics. The transducer element 25 may be a magnetic sensor (eg, a Hall element), a photodiode, a microphone, etc. The exciter system 26 For example, a bias magnetic system for magnetic distance sensors, an induction coil for inductive distance sensors, a sound source for ultrasonic distance sensors, a light source for optical distance sensors, etc. may be. The signal electronics 27 is with the transducer element 25 coupled and serves the gain, current voltage conversion, signal shaping, etc. of the signal Sa from the transducer element 25 , The exciter system 26 creates an interaction between an object 22 and the transducer element 25 depending on the distance x between the object 22 and the transducer element 25 , The sensor electronics outputs a corresponding signal S (x) as a function of the distance x.

Verwendet man z.B. magnetische Abstandssensoren, kann das Wandlerelement 25 einen Magnetfeldsensor und das Anregersystem 26 ein Biasmagnetsystem umfassen. Ist das Objekt 22 ferromagnetisch, verändert sich das am Wandlerelement 25 wirkende Magnetfeld in Abhängigkeit von dem Abstand x des ferromagnetischen Objektes 22. Entsprechend wird ein abstandsabhängiges Signal S(x) ausgegeben.For example, using magnetic distance sensors, the transducer element 25 a magnetic field sensor and the exciter system 26 include a bias magnet system. Is the object 22 ferromagnetic, this changes at the transducer element 25 acting magnetic field as a function of the distance x of the ferromagnetic object 22 , Accordingly, a distance-dependent signal S (x) is output.

Verwendet man in einer anderen Ausführungsform induktive Abstandssensoren, kann als Wandlerelement 25 ebenfalls ein Magnetfeldsensor verwendet werden. Als Anregersystem 26 kann z.B. eine Induktionsspule dienen, die in einem leitfähigen Objekt 22 einen Induktionsstrom erzeugt. Dieser induzierte Strom verändert wiederum das Magnetfeld am Wandlerelement 25 in Abhängigkeit vom Abstand x.If, in another embodiment, inductive distance sensors can be used as the transducer element 25 also a magnetic field sensor can be used. As an incentive system 26 For example, an induction coil can serve in a conductive object 22 generates an induction current. This induced current in turn alters the magnetic field at the transducer element 25 depending on the distance x.

Anstatt eines Magnetfeldsensors kann bei Verwendung induktiver Abstandssensoren in weiteren Ausführungsformen auch ein Strommesser, Spannungsmesser, oder Leistungsmesser als Wandlerelement 25 verwendet werden, der den Strom, die Spannung oder die Leistung durch die Induktionsspule des Anregersystems 26 misst. Je nach Abstand x des leitfähigen Objekts 22 von der Induktionsspule des Anregersystems 26 wird ein unterschiedlich starker Strom in dem leitfähigen Objekt 22 induziert und entzieht dem Anregersystem 26 unterschiedlich stark Energie. Dies äußert sich in einer Veränderung des Spulenstroms, der Spulenspannung und Leistung.Instead of a magnetic field sensor using inductive distance sensors in other embodiments, an ammeter, voltmeter, or power meter as a transducer element 25 used, the current, the voltage or the power through the induction coil of the exciter system 26 measures. Depending on the distance x of the conductive object 22 from the induction coil of the exciter system 26 becomes a different current in the conductive object 22 induces and deprives the exciter system 26 different levels of energy. This manifests itself in a change in coil current, coil voltage and power.

Der Vorteil davon ist, dass das Wandlerelement nicht in der Nähe des leitfähigen Objekts 22 oder des Anregungssystems 26 angeordnet werden muss. Eine solche Anordnung kann deshalb bei bestimmten räumlichen Gegebenheiten eingesetzt werden, wo wenig Platz zur Verfügung steht.The advantage of this is that the transducer element is not near the conductive object 22 or the excitation system 26 must be arranged. Such an arrangement can therefore be used in certain spatial conditions where little space is available.

Im Falle eines akustischen Wandlerprinzips in einer weiteren Ausführungsform kann das Wandlerelement 25 ein Mikrofon und das Anregersystem 26 ein Lautsprecher sein. Der Lautsprecher erzeugt ein akustisches Signal, das an dem Objekt 22 reflektiert wird. Das Mikrofon 25 nimmt den am Objekt 22 reflektierten Schall auf. Je nach Abstand x verändert sich die Schallintensität am Mikrofon 25. Der Vorteil des akustischen Systems liegt darin, dass das Objekt 22 weder ferromagnetisch noch leitfähig sein muss wie bei den magnetischen bzw. induktiven Abstandssensoren. Zum Beispiel kann beim akustischen Prinzip das Objekt 22 auch aus Keramik oder Kunststoff bestehen.In the case of an acoustic transducer principle in a further embodiment, the transducer element 25 a microphone and the exciter system 26 to be a speaker. The loudspeaker generates an audible signal, which is attached to the object 22 is reflected. The microphone 25 takes that on the object 22 reflected sound. Depending on the distance x, the sound intensity on the microphone changes 25 , The advantage of the acoustic system is that the object 22 neither ferromagnetic nor conductive must be like the magnetic or inductive distance sensors. For example, in the acoustic principle, the object 22 also made of ceramic or plastic.

Im Fall eines optischen Sensorelementes enthält das Sensorelement 1 als Wandlerelement 25 z.B. eine Fotodiode und als Anregersystem 26 eine Lichtquelle wie z.B. eine Leuchtdiode oder einen Laser. Die Fotodiode 25 misst die Intensität des von dem Objekt 22 reflektierten Lichtes aus dem Anregersystem 26. Bei diffus reflektiertem Licht nimmt die Intensität mit dem Abstand x des Objektes 22 ab.In the case of an optical sensor element, the sensor element contains 1 as a transducer element 25 eg a photodiode and as an exciter system 26 a light source such as a light emitting diode or a laser. The photodiode 25 measures the intensity of the object 22 reflected light from the exciter system 26 , With diffuse reflected light, the intensity increases with the distance x of the object 22 from.

Im Fall von Laserlicht können bei entsprechender Überlagerung des reflektierten Laserstrahls und des emittierten Laserstrahls Interferenzen hervorgerufen werden, wodurch eine abstandsabhängige Modulation der Lichtintensität an der Fotodiode 25 erreicht werden kann. Somit wird ein abstandsabhängiges Signal S (X) erzeugt. Der Vorteil von optischen Abstandssensoren ist, dass optische Elemente leicht verfügbar und preiswert sind.In the case of laser light interference can be caused with a corresponding superposition of the reflected laser beam and the emitted laser beam, whereby a distance-dependent modulation of the light intensity at the photodiode 25 can be achieved. Thus, a distance-dependent signal S (X) is generated. The advantage of optical proximity sensors is that optical elements are readily available and inexpensive.

3 zeigt typische Beispiele für Abstandscharakteristiken S(x) von Abstandssensorelementen (1). Je nach Wandlerelement (25) können die Abstandscharakteristiken S(x) von einer linearen Abstandscharakteristik 100 abweichen. Weicht die Abstandscharakteristik S(x) von einer linearen Abstandscharakteristik 100 ab, wird eine gewünschte Signalform verformt. Wird der Abstand x zum Beispiel sinusförmig variiert, erhält man bei Sensorelementen (1) mit einer nichtlinearen Abstandscharakteristik 101, 102 oder 103 kein reines sinusförmiges Signal S(x) sondern ein sinusförmiges Signal mit sogenannten Oberwellen. Dadurch verschlechtert sich die Genauigkeit bei der Bestimmung des absoluten Drehwinkels. 3 shows typical examples of distance characteristics S (x) of distance sensor elements ( 1 ). Depending on the transducer element ( 25 ), the distance characteristics S (x) of a linear distance characteristic 100 differ. The distance characteristic S (x) deviates from a linear distance characteristic 100 from, a desired waveform is deformed. If the distance x is varied sinusoidally, for example, 1 ) with a non-linear distance characteristic 101 . 102 or 103 no pure sinusoidal signal S (x) but a sinusoidal signal with so-called harmonics. This deteriorates the accuracy in determining the absolute rotation angle.

Die unterschiedlichen Abstandscharakteristiken bergen jedoch auch die Möglichkeit, durch geeignete Kombination von Sensorelementen nichtlineare Effekte und/oder andere Signalstörungen zu kompensieren.However, the different distance characteristics also entail the possibility of using suitable Combining sensor elements to compensate for non-linear effects and / or other signal disturbances.

Soll der Drehgeber z.B. als gewünschte Signalform ein sinusförmiges Signal ausgeben, kann z.B. eine Sensoranordnung gemäß 1 verwendet werden. Bei einer nicht zentrisch gelagerten drehbaren Scheibe und einem Abstandssensor mit einer linearen Sensorcharakteristik ist im Idealfall ein sinusförmiges Ausgangssignal zu erwarten. Ist die Abstandscharakteristik S(x) jedoch nicht linear, wie z.B. die Abstandscharakteristiken 101, 102 oder 103 in 3, treten sogenannte Oberwellen im Ausgangssignal auf. Um diese Oberwellen zu vermindern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

(a) die Geometrie des rotierenden Objektes wird derart angepasst, so dass S(x(w)) der gewünschten Signalform entspricht.
(b) die Abstandscharakteristik S(X) des Abstandssensors wird derart modifiziert (z.B. mittels nachfolgender Elektronik, durch Auswahl entsprechender Sensorelemente, durch Anpassen der im Abstandssensor befindlichen Wechselwirkungsquelle, wie z.B. Anregerspule bei induktiven Sensoren oder Biasmagnetsystem bei magnetischen Sensoren, und/oder durch unterschiedliche Abstände der Abstandssensoren), so dass das Signal S(w) der gewünschten Signalform entspricht.
(c) es werden insgesamt n Abstandssensoren bei den Winkeln Wi, den radialen Abständen Ri zu der Drehachse 3 bzw. den axialen Abständen Zi zum Drehmittelpunkt des drehbaren Objekts 62, 72 mit i = 0, 1, ... n derart angeordnet (6 und 7), dass durch Kombinieren der Signale in einer nachgeschalteten Elektronik das Gesamtsignal der gewünschten Signalform entspricht.
(d) durch gezieltes Anordnen zusätzlicher Maßstäbe (drehbare Objekte, nicht gezeigt), welche in ihrer Ausprägung nicht unbedingt identisch zum ersten Maßstab oder untereinander sein müssen, kann durch die kombinierte Wechselwirkung der Abstandssensoren mit den verschiedenen, zum Teil sich gegenseitig beeinflussenden Maßstäben die gewünschte Signalform erreicht werden.

If, for example, the rotary encoder is to output a sinusoidal signal as the desired signal shape, then a sensor arrangement according to FIG 1 be used. In the case of a non-centrically mounted rotatable disc and a distance sensor with a linear sensor characteristic, a sinusoidal output signal is to be expected in the ideal case. However, the distance characteristic S (x) is not linear, such as the distance characteristics 101 . 102 or 103 in 3 , so-called harmonics occur in the output signal. To reduce these harmonics, the following measures can be taken:

(a) the geometry of the rotating object is adjusted so that S (x (w)) corresponds to the desired waveform.
(B) the distance characteristic S (X) of the distance sensor is modified (eg by means of subsequent electronics, by selecting corresponding sensor elements, by adjusting the proximity sensor located in the distance sensor, such as exciter coil for inductive sensors or magnetic magnet system in magnetic sensors, and / or by different Distances of the distance sensors), so that the signal S (w) corresponds to the desired waveform.
(c) there are a total of n distance sensors at the angles Wi, the radial distances Ri to the axis of rotation 3 or the axial distances Zi to the center of rotation of the rotatable object 62 . 72 with i = 0, 1, ... n arranged in such a way ( 6 and 7 ) that by combining the signals in a downstream electronics the total signal corresponds to the desired waveform.
(d) by deliberately arranging additional scales (rotatable objects, not shown), which in their expression need not necessarily be identical to the first scale or with each other, can by the combined interaction of the distance sensors with the various, sometimes mutually interacting scales the desired Signal form can be achieved.

Die 4 und 5 zeigen alternative Ausführungsformen für drehbare Objekte 42, 52 eines Drehgebers im Vergleich zur Ausführungsform von 1. In 4 ist das drehbare Objekt 42 als Ellipse ausgebildet. In 5 ist das drehbare Objekt 52 als zentrisch gelagerte Kreisscheibe ausgebildet, wobei die Kreisscheibe jedoch zur Drehachse 3 geneigt ist.The 4 and 5 show alternative embodiments for rotatable objects 42 . 52 a rotary encoder compared to the embodiment of 1 , In 4 is the rotatable object 42 designed as an ellipse. In 5 is the rotatable object 52 formed as a centrally mounted disc, but the circular disc to the axis of rotation 3 is inclined.

Die zur Drehachse 3 geneigte Kreisscheibe veranschaulicht auch in vereinfachter Weise eine Abstandscharakteristik eines Gewindeprofils. Ist nämlich ein Teil einer Achse als Gewinde ausgebildet, kann die Gewindestruktur zur drehwinkelabhängigen Abstandsmodulation verwendet werden, ohne dem zusätzlichen Aufwand eines besonders geformten drehbaren Objekts. Die Abstandscharakteristik eines Gewindes wäre dann ähnlich zu der in 5 gezeigten Kreisscheibe, die zur Drehachse geneigt ist.The to the rotation axis 3 inclined circular disc illustrated in a simplified manner a distance characteristic of a thread profile. Namely, if a part of an axis formed as a thread, the thread structure for the rotation angle-dependent distance modulation can be used without the additional expense of a specially shaped rotatable object. The distance characteristic of a thread would then be similar to that in 5 shown circular disc which is inclined to the axis of rotation.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen Drehgeber, bei dem das drehbare Objekt 62 als nicht zentrisch gelagerte Kreisscheibe 62 ausgebildet ist. Drei verschiedene Sensorelemente 1a, 1b und 1c sind an drei verschiedenen Winkelpositionen mit einem Winkelabstand w1 zwischen den Sensorelementen 1a und 1b und einem Winkel w2 zwischen den Sensorelementen 1a und 1c um das drehbare Objekt 62 angeordnet. Weiterhin sind die Sensorelemente 1a, 1b und 1c in unterschiedlichen Abständen R0, R1 und R2 von der Drehachse 3 angeordnet. Durch Veränderung der Abstände R0, R1 und R2 bzw. der Winkelpositionen w1 und w2 lässt sich die Signalform in weiten Bereichen verändern, so dass eine gewünschte Signalform eingestellt werden kann. 6 shows a further embodiment for a rotary encoder in which the rotatable object 62 as non-centric circular disk 62 is trained. Three different sensor elements 1a . 1b and 1c are at three different angular positions with an angular distance w1 between the sensor elements 1a and 1b and an angle w2 between the sensor elements 1a and 1c around the rotatable object 62 arranged. Furthermore, the sensor elements 1a . 1b and 1c at different distances R0, R1 and R2 from the axis of rotation 3 arranged. By varying the distances R0, R1 and R2 or the angular positions w1 and w2, the signal shape can be varied within wide ranges, so that a desired signal shape can be set.

7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drehgebers, bei dem zwei Sensorelemente 1d und 1e an einer geneigt zur Drehachse 3 gelagerten Kreisscheibe 72 so angeordnet sind, dass sie unterschiedliche Abstände R0 und R1 bzw. mit unterschiedlichen axialen Abständen Z0 und Z1 vom Drehmittelpunkt der Kreisscheibe 72. Auch durch Variation dieser Abstände kann die Signalform weitreichend verändert werden, so dass eine gewünschte Signalform eingestellt werden kann. 7 shows a further embodiment of a rotary encoder, in which two sensor elements 1d and 1e at an angle to the axis of rotation 3 stored circular disk 72 are arranged so that they have different distances R0 and R1 or with different axial distances Z0 and Z1 from the center of rotation of the circular disc 72 , Even by varying these distances, the signal shape can be changed far, so that a desired waveform can be set.

Die Ausführungsform von 7 dient auch als modellhafte Veranschaulichung dafür, wie man sich eine Differenzmessung an einem gewindeähnlichen Profil vorzustellen hat. Beträgt z.B. die Steigung des Gewindes 8 mm, kann man zwei Sensorelemente an der selben Winkelposition in einem Abstand von 4 mm in paralleler Richtung zur Gewindesteigung anordnen (veranschaulicht durch geneigte Achse der Scheibe), um zwei zueinander um 180° phasenverschobene Signale zu erhalten. In einem gewindeförmigen Profil ist der Abstand zwischen den zwei Sensorelementen so klein, dass die Feldinhomogenitäten, die durch einen Elektromotor erzeugt werden, vernachlässigbar werden.The embodiment of 7 Also serves as a model illustration of how to imagine a differential measurement on a thread-like profile. For example, if the pitch of the thread is 8 mm, two sensor elements can be arranged at the same angular position at a distance of 4 mm in a direction parallel to the pitch (illustrated by the inclined axis of the disk) to obtain two 180 ° out of phase signals. In a thread-like profile, the distance between the two sensor elements is so small that the field inhomogeneities generated by an electric motor become negligible.

Durch Anordnen von weiteren Maßstäben (nicht gezeigt) bzw. Maßstabsensorelementgruppen kann die Präzision der absoluten Winkelbestimmung weiter verbessert werden.By Arranging further scales (not shown) or scale sensor element groups can the precision the absolute angle determination can be further improved.

Hervorzuheben ist, dass das winkelabhängige Ausgangssignal S(w) nicht unbedingt durch eine Veränderung des Abstandes zwischen dem Sensorelement und dem Rand des drehbaren Objektes erfolgen muss, sondern auch durch eine winkelabhängige Modulation der physikalischen Eigenschaften des drehbaren Objektes erreicht werden kann, z.B. indem die Leitfähigkeit, die Magnetisierbarkeit, die Reflektivität etc. entlang des Randes des drehbaren Objektes erreicht werden kann.highlight is that angle dependent Output signal S (w) not necessarily by a change the distance between the sensor element and the edge of the rotatable Object must be made, but also by an angle-dependent modulation achieved the physical properties of the rotatable object can be, e.g. by the conductivity, the magnetizability, the reflectivity etc. can be achieved along the edge of the rotatable object.

Alles was in Bezug auf Abstandscharakteristiken von Sensorelementen und entsprechende Einflüsse auf deren Signale in den besprochenen Ausführungsformen gesagt wurde, ist in allgemeiner Form auf Wechselwirkungscharakteristiken zwischen einem Sensorelement und einem drehbaren Objekt übertragbar, und sollte deshalb nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt werden.Everything what in terms of distance characteristics of sensor elements and corresponding influences whose signals were said in the discussed embodiments, is in general terms on interaction characteristics between a sensor element and a rotatable object transferable, and should therefore not to the described embodiments limited become.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform mit einem Abstandssensor als Sensorelement beispielhaft beschrieben. Fachleute auf diesem Gebiet werden in Kenntnis der vorliegenden Erfindung und Beschreibung zusätzliche Abänderungen, Anwendungen und Ausführungsformen erkennen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird deshalb allein durch den Inhalt der Patentansprü che definiert und soll nicht auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt werden.The The present invention has been described with reference to an embodiment described by way of example with a distance sensor as a sensor element. Those skilled in the art will be aware of the present Invention and description additional amendments Applications and embodiments recognize, which are within the scope of the present invention. The scope The present invention is therefore solely by the content of the claims does not and should not be limited to the specific embodiments described limited become.

Claims

Rotary encoder with at least one rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) and at least one sensor element ( 1 ), wherein the sensor element ( 1 ) an analog signal (S (w)) in dependence on the rotational position (w) of the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) relative to the sensor element ( 1 ), characterized in that a conductivity, a dielectric constant, a magnetizability, a magnetic moment and / or a distance between the sensor element ( 1 ) and a peripheral surface of the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ), via which a magnetic, inductive and / or capacitive interaction with the sensor element ( 1 ) is angularly dependent with respect to a rotation axis ( 3 ) of the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) continuously changes between 0 ° and 360 ° so that the sensor element ( 1 ) outputs the signal (S (w)) with a desired waveform when the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) relative to the sensor element ( 1 ), wherein the sensor element ( 1 ) a transducer element ( 25 ) and an exciter system ( 26 ) contains.

A rotary encoder according to claim 1, wherein the signal from the transducer element ( 25 ) output signal (Sa) by a downstream electronics ( 27 ) is modified.

A rotary encoder according to claim 1 or 2, wherein the signal from the transducer element ( 25 ) output signal (Sa) by adapting an interaction characteristic which determines the relationship between that of the transducer element ( 25 ) output signal (Sa) and the rotational position (w) describes, is modified.

A rotary encoder according to claim 3, wherein the interaction characteristic with inductive interaction by a mold and / or an arrangement at least one exciter coil, and / or an excitation current, and / or a distance is modified.

A rotary encoder according to claim 3, wherein the interaction characteristic in magnetic interaction by a bias or a bias magnet system and / or a distance is modified.

A rotary encoder according to any one of claims 1-5, wherein the desired waveform a sinusoidal, a triangular or sawtooth course having.

Rotary encoder according to claim 6, wherein the signal (S (w)) for a desired sinusoidal Signal has a harmonic distortion less than 0.25%.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, wherein at least two sensor elements ( 1a . 1b . 1c . 1d . 1e ) at at least two different angular positions (w1, w2) with respect to the rotatable object ( 62 . 72 ) are arranged.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, wherein at least two sensor elements ( 1d . 1e ) having at least two different interaction characteristics and / or at least two different ones Interaction types are arranged.

Rotary encoder according to one of claims 8 or 9, wherein the at least two sensor elements ( 1a . 1b . 1c . 1d . 1e ) are arranged so that the rotary encoder outputs two independent signals with a phase shift.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, the at least one second unit consisting of at least one rotatable Has object and at least one sensor element.

Encoder according to claim 11, wherein the at least two units at least two independent signals with the desired Deliver waveform.

Encoder according to one of Claims 8 to 12, in which the signals of the sensor elements ( 1a . 1b . 1c . 1d . 1e ) are combined in such a way that the desired signal shape results, whereby disturbing influences are compensated.

A rotary encoder according to claim 13, wherein the combination done by subtraction.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, wherein the rotary encoder has at least two rotatable objects, the different Interaction characteristics with respect to at least one sensor element exhibit.

Encoder according to claim 15, wherein the at least two rotatable objects are designed so that the interaction characteristics superimpose, that is the desired Signal form results, with interference compensated become.

A rotary encoder according to any one of claims 1-16, wherein the rotatable object ( 2 . 62 ) is an eccentrically mounted disc.

A rotary encoder according to any one of claims 1-16, wherein the rotatable object ( 42 ) is an elliptical disk.

A rotary encoder according to any one of claims 1-16, wherein the rotatable object ( 52 . 72 ) one to the axis of rotation ( 3 ) inclined mounted circular disc is.

A rotary encoder according to any one of claims 1-16, wherein the peripheral surface of the rotatable object a thread-shaped Profile.

Encoder according to claim 20, wherein the thread-shaped profile on the lateral surface a centrally mounted disc is located.

Rotary encoder according to one of the preceding claims, wherein the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) is designed so that nonlinearities of the sensor element ( 1 ) are at least partially compensated to obtain the desired waveform.

Rotary encoder with at least one rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) and at least one sensor element ( 1 ), wherein the sensor element ( 1 ) an analog signal in dependence on the rotational position (w) of the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) relative to the sensor element ( 1 ), characterized in that the sensor element ( 1 ) is a distance sensor, which is based on inductive, magnetic and / or capacitive principles of action is, and that the geometry of the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) is formed so that the distance (x) between the sensor element ( 1 ) and the peripheral surface of the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 angle-dependent changes between 0 ° and 360 °, so that the sensor element ( 1 ) outputs the signal (S (w)) with a desired waveform when the rotatable object (FIG. 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) relative to the sensor element ( 1 ), wherein the sensor element ( 1 ) a transducer element ( 25 ) and an exciter system ( 26 ) contains.

A rotary encoder according to claim 23, wherein the signal from the transducer element ( 25 ) output signal (Sa) through downstream electronics ( 27 ) is modified.

A rotary encoder according to claim 23 or 24, wherein the signal from the transducer element ( 25 ) output signal (Sa) by adapting an interaction characteristic which determines the relationship between that of the transducer element ( 25 ) output signal (Sa) and the rotational position (w) describes, is modified.

A rotary encoder according to claim 25, wherein the interaction characteristic with inductive interaction by a mold and / or an arrangement at least one exciter coil, and / or an excitation current, and / or a distance is modified.

A rotary encoder according to claim 25, wherein the interaction characteristic in magnetic interaction by a bias or a bias magnet system and / or a distance is modified.

A rotary encoder according to any of claims 23-27, wherein the desired waveform a sinusoidal one triangular or sawtooth course having.

Rotary encoder according to claim 28, wherein the signal (S (w)) for a desired sinusoidal Signal has a harmonic distortion less than 0.25%.

Rotary encoder according to one of claims 23-29, wherein at least two sensor elements ( 1a . 1b . 1c . 1d . 1e ) at at least two different angular positions (w1, w2) with respect to the rotatable object ( 62 . 72 ) are arranged.

Rotary encoder according to one of claims 23-30, wherein at least two sensor elements ( 1d . 1e ) are arranged with at least two different interaction characteristics and / or at least two different types of interaction.

Rotary encoder according to one of claims 30 or 31, wherein the at least two sensor elements ( 1a . 1b . 1c . 1d . 1e ) are arranged so that the rotary encoder outputs two independent signals with a phase shift.

Rotary encoder according to one of claims 23-32, the at least one second Unit consisting of at least one rotatable object and at least having a sensor element.

Rotary encoder according to claim 33, wherein the at least two units at least two independent signals with the desired Deliver waveform.

Rotary encoder according to one of Claims 30 to 34, in which the signals of the sensor elements ( 1a . 1b . 1c . 1d . 1e ) are combined in such a way that the desired signal shape results, whereby disturbing influences are compensated.

A rotary encoder according to claim 35, wherein the combination done by subtraction.

A rotary encoder according to any of claims 23-36, wherein the rotatable object ( 2 . 62 ) is an eccentrically mounted disc.

A rotary encoder according to any of claims 23-36, wherein the rotatable object ( 42 ) is an elliptical disk.

A rotary encoder according to any of claims 23-36, wherein the rotatable object ( 52 . 72 ) is a circular disk inclined to the axis of rotation.

A rotary encoder according to any of claims 23-36, wherein the peripheral surface of the rotatable object a thread-shaped Profile.

Encoder according to claim 40, wherein the thread-shaped profile on the lateral surface a centrally mounted disc is located.

A rotary encoder according to any of claims 23-41, wherein the rotatable object ( 2 . 42 . 52 . 62 . 72 ) is designed so that nonlinearities of the sensor element ( 1 ) At least partially compensated for the ge wanted to get signal shape.