专利名称：具有多圈回转位置获取的位置发送器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于获取关于旋转轴线旋转的轴位置的位置发送器。
背景技术：
位置发送器装置通常用于监测和控制机械的运动过程。例如，位置发送器用于转 动速度的获取和电机的控制。在很多实例中，已经使用位置发送器通过非接触的单圈回转 或多圈回转可旋转轴的扫描以确定角位置的发送器。公开文件EP0550794描述了一种用于可旋转轴的绝对值位置获取的位置发送器， 其具有第一传感器布置和第一评估单元，用于在一个完整的回转期间对轴的精确位置(即 单圈回转位置)进行获取和评估，并且具有第二传感器布置和第二评估单元用于对所进行 的全部的轴回转的圈数(即多圈回转位置)进行获取和评估。另外提供第三评估单元用于 由单圈回转和多圈回转位置值形成总的绝对值，并用于将该总的绝对值输出到较高级别的 系统。此处单圈回转位置采用光学方式进行获�。从胫崃拥氖滴锪烤吒萜湮恢糜� 响或改变被LED照射的光电二极管布置的信号。此处多圈回转位置采用磁性方式获�。� 与轴连接的实物量具根据其位置影响或改变磁性开关元件的信号。在关闭至位置发送器的 外部电源或者至位置发送器的外部电源停止的状态，单圈回转位置获取被关闭。由位置发 送器内的电池提供至多圈回转获取的供给继续被保持发送器。为了限制功耗，开关元件之 间采用电线串联连接，具有很高的欧姆电阻，但是连续地供给电流。根据位置打开或者关闭 开关元件。出版物EP 1462771描述了另一种位置发送器。单圈回转通过安装在旋转轴线中 心上的永磁体和旋转地安装的磁性传感器布置磁性地获取单圈回转位置。多圈回转位置也 是磁性地获取的。为了降低功耗，评估单元仅在测量期间周期地给传感器部件提供电流/ 电压。评估是通过微控制器执行的。在时钟频率降低和外围设备关闭的节能模式下进行扫 描之间的暂停期间操作该微控制器。然而，因为现有技术已知的位置发送器装置的多圈回转位置获取的磁学原理，当 此种属性的位置发送器于电磁制动器的附近应用时产生实质性缺陷，并且开关器件中的磁 场耦合时会导致错误的开关脉冲。
发明内容
相对于背景技术，本发明的目的是实现一种对外部磁场不敏感的位置发送器。在 本发明的进一步的发展中，通过传感器布置的优化设计和优化的操作以及通过获取和评估 电子器件，将实现最紧凑的和最经济的结构以及最长可能的服务寿命。上述目的由根据权利要求1的位置发送器实现。所要求保护的测量装置涉及用于获取轴位置的位置发送器，该轴可围绕旋转轴线 旋转，位置发送器包括具有多个传感器元件的光学传感器布置，其中多个传感器元件设置用以获取轴的单圈回转位置，并且，由此多个传感器元件中的部分设置用于获取轴的多圈 回转位置，特别是无齿轮获取轴的多圈回转位置。这里，具有多个传感器元件的光学传感器布置优选包括光敏元件，例如，光电二极 管或光电晶体晶体管。因此可以光学地获取多圈回转位置。这有助于位置获取对磁场完全 不敏感。为了获取单圈回转位置，使用全部多个传感器元件，然而，仅部分的多个传感器元 件用于多圈回转位置的获取。在前述的位置发送器的进一步设计中，全部所述多个传感器元件还可以设置用于 获取轴的多圈回转位置，尤其是无齿轮获取轴的多圈回转位置。在这种方式中，能够提高测 量的准确性和可靠性。在另一个进一步改进中，多个传感器元件的其他部分设置用于获取轴的至少一个 另外的多圈回转位置，并且对比多圈回转位置和至少一个另外的多圈回转位置。在这种方 式中，可实现具有诊断可能性的数据比较。在进一步的改进中，根据本发明的位置发送器还可以包括照射装置，特别是具有 至少一个发光二极管的发光二极管布置，即具有恰好一个发光二极管或具有多个发光二极 管的发光二极管布置。发光二极管布置可以(例如)具有恰好一个发光二极管，其发射的 光可被全部的传感器元件获取。在另一个实施例中，在每一种情形中可以为传感器元件提 供提供一个发光二极管或多个发光二极管。在另一个进一步改进中，位置发送器还可以包括至少一个，特别是恰好一个连接 到轴的实物量具。旋转地安装在轴上的实物量具可以包括用于单圈回转获取的装置以及附 加地，用于多圈回转获取的装置。在这种方式中，不需要用于多圈回转获取的独立的实物量 具，这依次减少了部件的数量，并延长了服务寿命和提高了位置发送器的紧凑性。在另一个进一步改进中，该至少一个实物量具具有中断至对应于整个回转的部分 的多个传感器元件的部分的光路的布置。在这种方式中，可获取多圈回转位置，例如，四分 之一、一半或整个周期。另一个进一步的改进在于，位置发送器包括用以评估单圈回转位置的第一评估单 元、用以评估多圈回转位置的第二评估单元以及控制/评估单元，其用以处理单圈回转位 置和多圈回转位置。因此，来自光学传感器布置的信号的预处理可在第一或第二评估单元 中进行，并且随后可在控制/评估单元中进行总的绝对值的评估。在另一个进一步改进中，位置发送器可以具有至少两种操作模式，从而所述至少 两种操作模式包括在提供外部电源供给的正常模式，和当外部电压供给切断或停止时的节 能模式。为了降低功耗，规定多圈回转位置获取的操作模式适用于外部电压供给的切断或 停止，也就是例如仅实施脉冲测量(即，与回转的持续时间相比是短期测量)。另外，可以规 定单圈回转位置获取被部分地或全部停止。有利地，位置发送器可配置为使得在节能模式关闭或停止第一评估单元。在另一个进一步改进中，位置发送器可进一步包括电源，特别是以非可充电或可 充电电池形式的电源。在这方面，首先，传感器布置和/或照射装置可以至少部分地在节能模式下供电。 然而，由于例如光学传感器布置的光电二极管具有可忽略不计的功耗，因此优选地，可以规 定持续地供给电流/电压。
其次，如果提供此属性的电源，当外部电压供给关闭或停止时，可以提供用于监控 外部电压供给和用于将位置发送器的电源供给切换到所述电源的装置。在另一个进一步的改进中，位置发送器可配置为使得在节能模式时，可在至少部 分时间给照射装置供给电压，特别是，在多个发光二极管处于节能模式的情形中，在至少部 分时间给多个发光二极管中的至少部分供给电压。为了有效降低功耗，根据具有变化的接通时间的操作状态，可以例如周期地或以 变化频率的脉冲地操作具有高功耗的实际驱动器，即照射装置(例如LED)的操作。与现有 技术相比，此处是致动器或驱动器周期性地操作，而非传感器周期地操作。另一个进一步的改进在于照射装置，尤其是多个发光二极管的一部分可以被供给 时变电压，尤其是周期地或者以变化频率的脉冲地被供给时变电压。在另一个进一步改进中，位置发送器可进一步包括运动测量装置，利用运动测量 装置可以测量轴的速度和/或加速度，使得根据运动测量装置的测量值，可以实现照射装 置的时变电压，特别是可以实现照射装置的电压供给的频率和/或发生频率和/或持续时 间。另外，可提供多个操作模式或多个操作频率用以控制LED。在这种方式中，可以实现特 别有利的节能模式，因为在外部电压供给关闭或停止的状态下，轴不再旋转或仅以低速和 低加速度旋转。另一个进一步的改进在于，控制和评估单元可配置为执行照射装置的时变电压供
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5 口 ο在另一个进一步改进中，光学传感器布置可集成在传感器部件上，特别是ASIC 上。另一个进一步改进在于，控制和评估单元也可类似地集成进ASIC中。在这种方式 中，可减少位置发送器中的部件数量，且服务寿命大大延长。同时，传感器和电子器件所需 的空间也减少了。本发明的进一步的特性和优点根据下面的附图来描述，其仅仅作为实施例的图 例，而不代表本发明的全部内容。不言而喻的，所描述的特征可在本发明的范围内结合而不 是如实施例中的描述那样使用。
图1示出了根据本发明的位置发送器装置示例的部件。
具体实施例方式光学扫描用于获取单圈回转位置。多圈回转位置也是光学地获取的。相对于出版 物ΕΡ0550794和ΕΡ1462771中描述的现有技术中，这具有新颖性，并且这样有利于位置测量 对磁场的完全不敏感。因为现在单圈回转和多圈回转位置获取都是使用光学传感器布置实现，因此它们 的传感器布置也可以都布置集成在相同的传感器�？樯�。附加地，其它装置，例如评估单 元、接口、输出驱动器以及用于LED的操作、驱动和诊断的单元也可以集成在该传感器�？� 上。这样，位置发送器的部件的数量可极大地减少并且服务寿命或MTTF(失效前平均时间 (mean time to failure))也会大大地增大。同时，传感器和电子器件所需的空间减小。
这样，旋转地安装在轴上的用于单圈回转获取的实物量具也可包括用于多圈回转 获取的装置。在这种方式中，不再需要单独的实物量具用于多圈回转获�。庖来渭跎倭瞬� 件的数量且延长了服务寿命和提高了紧凑性。为了降低功耗，设置成或规定使得当外部电源供给被关闭或停止时，多圈回转位 置获取仅实施脉冲测量。然而，由于光学传感器布置的光电二极管，其是用作EP1462771中 的用途的传感器，具有可忽略的功耗，优选地，设置成或规定使得持续地供给电流/电压。 为了有效地降低功耗，根据具有可变的接通时间的操作状态，例如间隔地或以变化频率脉 冲地操作的状态，操作具有高功耗的实际驱动器，即LED的操作，是可行的。与EP1462771 相比，此处是驱动器的周期或间隔的操作而非传感器的周期或间隔的操作。如果打算在专用集成电路(ASIC)中进行完全的评估，回转获取还可以限制在没 有外部电源供给的时间内，并且还可以通过一个回转内的位置获取在具有外部电源的时间 内执行回转获取。在外部电源供给切断或停止的状态时，回转计数器的操作的电源可以例如为内部 或外部非可再充电电池或外部、或内部可充电电池。在图1中，示出了根据本发明一个示例的位置发送器装置。单圈回转在这里通过具有光敏元件，例如具有光电二极管或光电晶体管的传感器 布置12实现在一个回转内的单圈回转位置的获�。饷粼杀环⒐舛懿贾�9通过实 物量具10照射。附加地，部分光电二极管或光电晶体管还用于多圈回转位置的获取。例如，在此实施例中，设置用于评估单圈回转位置的第一评估单元14，用于评估多 圈回转位置(测量信号的预处理)的第二评估单元15，以及控制和评估单元16，例如用以 确定轴位置的总绝对值(来自第一和第二评估单元14，15的信号的进一步处理)。通过控制和评估单元16 (例如微控制器)根据需要依赖于位置发送器的操作情况 由恒流源驱动发光二极管布置9。此外，单圈回转通过控制和评估单元16根据需要依赖于 位置发送器的操作情况驱动单圈回转位置的评估和进一步处理。类似地，通过控制和评估单元16根据需要根据位置发送器的操作情况执行单圈 回转位置的评估和进一步处理。在施加外部电压供给的情况下，即在正常条件下，可以获取 单圈回转位置和多圈回转位置。多圈回转位置和/或旋转方向的获�。匆桓龌刈牟糠值幕袢�(例如四分 之一，一半，或整个回转)，可通过实物量具10的具体实施例来实现，该实物量具适当地中 断二极管和光接收器之间的光路。在此连接中可使用实物量具10，其也可用于单圈回转位 置的获取。在施加外部电压供给的情况下，即，在正常操作条件下，发光二极管布置9可以例 如被持续通电。然而，其也可以以变化的接通时间间隔操作，例如周期地或以变化频率的脉 冲地操作。具体地，该时间间隔还可以是时间的未通电部分。当外部电压供给被关闭或停止时，即在节能模式，发光二极管布置9以比正常操 作少的变化的接通时间操作，例如周期地或以变化的频率脉冲地操作。发生频率和通电的 持续时间可以随着第一检测信号变化而增加。特别有利的实施方式是，对于获取回转必要的结构也布置在实物量具10上，由此 避免需要附加的实物量具或中断盘(参见图2)的实施方式。
在外部电源被切断或停止的状态下，回转计数系统由电源供电。该电源17可以是 非可充电电池或可充电电池。电源17可集成到位置发送器或布置在位置发送器的壳体外。LED的驱动，例如，频率、发生频率或接通的持续时间可以依赖于位置发送器的操 作参数，例如依赖于轴运动的速度和/或加速度。为了实现此目的，可以设置一种装置，其 还便于确定在节能模式中的速度和/或加速度。另外，可提供多个操作模式，例如多个操作 频率用以控制LED。在这种方式中，可实现特别有利的节能模式，因为在外部电源关闭或停 止的状态下，轴不再旋转或仅仅以低速和低加速度旋转。通过将光接收器集成进光电-ASIC中，可实现本系统的其他的、优化的扩展。通过 光电-ASIC中较高的、可实现的处理速度，电池模式中的功耗可进一步降低，并且扫描系统 的容限频率可增大。
权利要求
1.用于获取能够围绕旋转轴线C3)旋转的轴的位置的位置发送器，包括具有多个传感器元件的光学传感器布置(12)，其中所述多个传感器元件设置用以获取 所述轴的单圈回转位置，并且其中，所述多个传感器元件的一部分设置用以获取所述轴的多圈回转位置，特别是用 以无齿轮获取所述轴的多圈回转位置。
2.根据权利要求1的位置发送器，其中所述多个传感器元件的全部设置用以获取多圈 回转位置，或者其中所述多个传感器元件的另外一部分设置用以获取所述轴的至少一个另 外的多圈回转位置，并且对比所述多圈回转位置和所述至少一个另外的多圈回转位置。
3.根据权利要求1或2的位置发送器，其还包括照射装置(9)，特别是具有发光二极管 或具有多个发光二极管的发光二极管布置(9)。
4.根据权利要求1至3中任一项的位置发送器，其还包括至少一个连接到所述轴的实 物量具(10)，特别是恰好一个连接到所述轴的实物量具(10)。
5.根据权利要求4的位置发送器，其中所述至少一个实物量具具有中断至与整个回转 的一部分相对应的所述多个传感器元件的所述一部分的光路的布置。
6.根据权利要求1至5中任一项的位置发送器，其包括用以评估单圈回转位置的第一 评估单元(14)、用以评估多圈回转位置的第二评估单元(1 以及控制/评估单元(16)，特 别地是微控制器，其用以处理单圈回转位置和多圈回转位置。
7.根据权利要求1至6中任一项的位置发送器，其具有至少两种操作模式，其中，所述 至少两种操作模式包括提供外部电压供给的正常模式和所述外部电压供给被切断或停止 的节能模式。
8.根据权利要求7的位置发送器，其中，所述位置发送器配置为使得在节能模式下关 闭所述第一评估单元。
9.根据权利要求7或8的位置发送器，其中还包括电源(17)，特别是非可充电电池或 可充电电池形式的电源，以及用于监测外部供给电压和用于在外部电源被切断或停止时将 位置发送器的电源供给转换至电源(17)的装置。
10.根据权利要求9并结合权利要求3的位置发送器，其配置为使得在节能模式中，能 够在至少一部分时间给照射装置供给电压，特别是，在多个发光二极管处于节能模式中的 情况下，在至少一部分时间给所述多个发光二极管的至少一部分供给电压。
11.根据权利要求10的位置发送器，其中，所述照射装置，特别是所述多个发光二极管 的所述一部分，能够被供给时变的电压，特别是能够被供给周期的或具有变化频率的脉冲 的电压。
12.根据权利要求10或11的位置发送器，其中还包括运动测量装置，利用所述运动测 量装置能够测量所述轴的速度和/或加速度，使得依据所述运动测量装置的测量值，能够 实现照射装置的时变电压供给，特别是实现电压供给的频率和/或发生频率和/或持续时 间。
13.根据权利要求10至12中任一项且结合权利要求6的位置发送器，其中，所述控制 和评估单元配置用以实现所述照射装置的时变电压供给，特别是所述多个发光二极管的所 述一部分的时变电压供给。
14.根据前述权利要求中任一项的位置发送器，其中，所述光学传感器布置集成在传感器部件上，特别是集成在ASIC上。
15.根据权利要求14且结合权利要求6的位置发送器，其中，所述控制和评估单元也集 成进ASIC中。
全文摘要
本发明涉及获取围绕旋转轴线旋转的轴位置的位置发送器，包括具有多个传感器元件的光学传感器布置，其中，多个传感器元件用以获取轴的单圈回转位置，且通过部分多个传感器元件用以获取特别是无齿轮获取轴的多圈回转位置。
文档编号G01D5/36GK102147267SQ201010621728
公开日2011年8月10日 申请日期2010年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者冈特·拉普, 迈克尔·施奈德, 齐格弗里德·扬克 申请人:博美创新科技股份公司
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