DE102013211522A1

DE102013211522A1 - Sensor for detecting a physical property in a drive train of a motor vehicle

Info

Publication number: DE102013211522A1
Application number: DE102013211522.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Doebel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-12-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor (112) zur Erfassung mindestens einer physikalischen Eigenschaft in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei der Sensor (112) mindestens ein Sensorelement (130) zur Erfassung der physikalischen Eigenschaft, insbesondere einer Drehzahl und/oder einer Drehposition und/oder einer Phase aus dem Antriebsstrang, umfasst. Erfindungsgemäß weist der Sensor (112) einen Außenkörper (114) auf, der mit einem Element (110) des Antriebsstrangs verbindbar ist und der über einen Hohlraum (126) verfügt, in welchen ein Innenkörper (128) eingebracht ist. Der Innenkörper (128) umfasst mindestens das Sensorelement (130) und mindestens eine Spule (136) zur Umwandlung einer mechanischen Energie aus dem Antriebsstrang in eine elektrische Energie zur Energieversorgung des Sensors (112).The present invention relates to a sensor (112) for detecting at least one physical property in a drive train of a motor vehicle, the sensor (112) at least one sensor element (130) for detecting the physical property, in particular a speed and / or a rotational position and / or a phase from the drive train. According to the invention, the sensor (112) has an outer body (114) which can be connected to an element (110) of the drive train and which has a cavity (126) into which an inner body (128) is inserted. The inner body (128) comprises at least the sensor element (130) and at least one coil (136) for converting mechanical energy from the drive train into electrical energy for supplying energy to the sensor (112).

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind Sensoren zur Erfassung einer physikalischen Eigenschaft in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Derartige Sensoren weisen insbesondere ein Sensorelement zur Erfassung der gewünschten physikalischen Eigenschaft, insbesondere einer Drehzahl und/oder einer Drehposition und/oder einer Phase aus dem Antriebsstrang, auf. Diese Art von Sensoren werden beispielsweise in Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Aufl., Springer Vieweg, 2012, S. 63–74 und S. 120–133 , im Einzelnen beschrieben. Sensors for detecting a physical property in a drive train of a motor vehicle are known from the prior art. Such sensors have, in particular, a sensor element for detecting the desired physical property, in particular a rotational speed and / or a rotational position and / or a phase from the drive train. These types of sensors are used for example in Konrad Reif, ed., Sensors in motor vehicles, 2nd edition, Springer Vieweg, 2012, pp. 63-74 and pp. 120-133 , described in detail.

Herkömmliche Sensoren zur Drehzahlmessung basieren in der Regel auf großen Messeffekten und sind daher meist elektronisch passiv ausgestaltet, d.h. sie weisen in aller Regel keine Elektronik vor Ort auf. Neuere Sensorentwicklungen beruhen dagegen meist auf sehr geringen Messeffekten und benötigen daher eine integrierte Elektronik zur Signalaufbereitung. Diese so genannten „aktiven Sensoren“ werden insbesondere im Motor- und Getriebebereich eines Otto- bzw. Dieselmotors eingesetzt, um Drehgeschwindigkeiten und Positionen zu ermitteln. Beispielhaft wird auf Drehzahl- und Phasengeber im Motor hingewiesen, die dazu dienen, um den Betrieb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise Einspritzvorgänge, zu regeln. Aufnehmer für absolute Drehgeschwindigkeiten (Drehrate) benötigen darüber hinaus eine vergleichsweise komplexe Elektronik, die direkt am Sensor angebracht sein muss, da die hierfür genutzten Messeffekte nicht nur besonders gering sind, sondern auch eine komplexe Signalaufbereitung erfordern. Conventional sensors for speed measurement are usually based on large measurement effects and are therefore usually made electronically passive, i. they usually have no electronics on site. By contrast, newer sensor developments are usually based on very low measurement effects and therefore require integrated electronics for signal conditioning. These so-called "active sensors" are used in particular in the engine and transmission range of a gasoline or diesel engine to determine rotational speeds and positions. By way of example, attention is drawn to speed and phase encoders in the engine, which serve to regulate the operation of the motor vehicle, for example injection operations. Transducers for absolute rotational speeds (yaw rate) also require a comparatively complex electronics, which must be mounted directly on the sensor, since the measuring effects used for this purpose are not only particularly low, but also require a complex signal conditioning.

Aktive Sensoren benötigen für ihre Funktion eine elektrische Energie, die vom Fahrzeugbordnetz oder vom Steuergerät zur Verfügung gestellt wird. Eine derartige Energieversorgung darf weder gestört noch gar unterbrochen werden, da sonst Funktionsstörungen im Sensorelement zu fehlerhaften Regelungen in den Steuergeräten, die auf physikalische Messwerte aus den Sensorelementen zurückgreifen, führen würden. Active sensors require electrical energy for their function, which is provided by the vehicle electrical system or the control unit. Such a power supply must neither be disturbed nor even interrupted, since otherwise malfunctions in the sensor element would lead to erroneous controls in the control units, which rely on physical measured values from the sensor elements.

Aus http://de.wikipedia.org/wiki/energy_harvesting ist es bekannt, das so genannte "Energy Harvesting" zur Gewinnung geringer Mengen an elektrischer Energie aus Energiequellen, die in der Umgebung des Sensors vorhanden sind, zu gewinnen. Hierzu gehören insbesondere die Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Energy Harvesting wird insbesondere für mobile Geräte mit geringer Leistung, beispielsweise in Armbanduhren oder in Heizkostenverteilern, eingesetzt. Beispiele von Sensoren, die im Kraftfahrzeugbereich auf Energy Harvesting beruhen, sind Regen- oder Lichtsensoren, die direkt an der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs angebracht sind und welche die vorhandenen Karosserieschwingungen zu einer Energiegewinnung ausnutzen. Out http://de.wikipedia.org/wiki/energy_harvesting It is known to obtain the so-called "energy harvesting" for obtaining small amounts of electrical energy from energy sources that are present in the vicinity of the sensor. These include in particular the ambient temperature, vibrations or air currents. Energy Harvesting is used in particular for low power mobile devices such as wristwatches or heat cost allocators. Examples of sensors based on energy harvesting in the motor vehicle field are rain or light sensors which are mounted directly on the windscreen of a motor vehicle and which utilize the existing body vibrations for energy generation.

Aus der WO 2005/062443 A1 ist ein auf rotierenden Elementen angeordneter Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie bekannt. Dieser Energiewandler umfasst ein Wandlerelement zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie, das eine erste Masse und eine zweite Masse aufweist, wobei die zweite Masse mit dem rotierenden Element verbunden ist. Dabei ist das Wandlerelement zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse derart angeordnet, dass eine mechanische Relativbewegung der beiden Massen auf das Wandlerelement so wirkt, dass hierdurch elektrische Energie erzeugt wird. From the WO 2005/062443 A1 is an arranged on rotating elements energy converter for the conversion of mechanical into electrical energy known. This energy converter comprises a transducer element for converting the mechanical energy into electrical energy, which has a first mass and a second mass, wherein the second mass is connected to the rotating element. In this case, the transducer element between the first mass and the second mass is arranged such that a mechanical relative movement of the two masses acts on the transducer element so that in this way electrical energy is generated.

Die WO 2004/065908 A2 offenbart einen energieautarken Sensor zur Erfassung von physikalischen Umgebungsparametern mit mindestens einem Sensorelement, einem Speicherelement und einer Steuerschaltung. Um den Energieverbrauch des energieautarken Sensors weiter zu verringern, umfasst die Steuerschaltung eine Timerschaltung, die mit dem Erreichen einer vorbestimmten elektrischen Spannung an dem Speicherelement aktiviert wird und in vorbestimmten Zeitintervallen den Sensor und die Steuerschaltung aktiviert und nach einer vorbestimmten Betriebszeit deaktiviert, so dass nach der Deaktivierung des Sensorbetriebs eine Betriebspause entsteht. The WO 2004/065908 A2 discloses an energy self-sufficient sensor for detecting environmental physical parameters with at least one sensor element, a memory element and a control circuit. In order to further reduce the energy consumption of the energy self-sufficient sensor, the control circuit comprises a timer circuit which is activated upon reaching a predetermined voltage at the storage element and at predetermined time intervals activates the sensor and the control circuit and deactivates after a predetermined operating time, so that after Deactivation of the sensor operation a break in operation arises.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt demnach darin, einen aktiven Sensor, der zur Erfassung mindestens einer physikalischen Eigenschaft in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist, mit Mitteln auszustatten, dass er in der Lage ist, sich selbst mit Energie zu versorgen und damit unabhängig von einer externen Spannungsversorgung im Kraftfahrzeug zu arbeiten. Insbesondere soll er hierbei auf die besonderen Gegebenheiten in dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, insbesondere im Motor- und Getriebebereich eines Otto- oder Dieselmotors, zurückgreifen. The object of the present invention is thus to provide an active sensor, which is set up to detect at least one physical property in a drive train of a motor vehicle, with means that it is able to provide itself with energy and thus independent of one External power supply to work in the vehicle. In particular, he should in this case on the special circumstances in the drive train of the motor vehicle, in particular in the engine and transmission range of a gasoline or diesel engine, resort.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ein erfindungsgemäßer Sensor dient zur Erfassung mindestens einer physikalischen Eigenschaft in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, insbesondere im Motor- und/oder Getriebebereich eines Otto- oder Dieselmotors. Der Sensor umfasst hierbei mindestens ein Sensorelement, das zur Erfassung der mindestens einen physikalischen Eigenschaft eingerichtet ist. Bevorzugt ist das Sensorelement hierzu mit Mitteln ausgestattet, die die Erfassung einer Drehzahl und/oder einer Drehposition und/oder einer Phase aus dem Antriebsstrang ermöglichen. Derartige Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren erfassen in der Regel den pro Zeiteinheit zurückgelegten Winkel oder Weg. Sowohl in Bezug auf den zurückgelegten Winkel als auch auf den zurückgelegten Weg handelt es sich im Kraftfahrzeug in der Regel um relative Messgrößen, die zwischen zwei Teilen auftreten oder aber gegenüber einem externen Gegenstand, insbesondere gegenüber einer Fahrbahn oder gegenüber einem anderen Kraftfahrzeug. Darüber hinaus wird auch die absolute Drehgeschwindigkeit im Raum oder die Drehrate um eine Fahrzeugachse erfasst. Beispielsweise ist es für eine Fahrdynamikregelung in einem Kraftfahrzeug erforderlich, die Drehrate des Fahrzeugs um die Hoch- oder Gierachse zu ermitteln. A sensor according to the invention serves to detect at least one physical property in a drive train of a motor vehicle, in particular in the engine and / or transmission area of a gasoline or diesel engine. The sensor in this case comprises at least one sensor element which is set up to detect the at least one physical property. For this purpose, the sensor element is preferably equipped with means for detecting a rotational speed and / or a rotational position and / or a phase from the drive train enable. Such speed and speed sensors usually detect the angle traveled per unit time angle or path. Both in terms of the distance traveled and the distance covered, the motor vehicle is generally a relative measured variable which occurs between two parts or else an external object, in particular with respect to a road surface or with respect to another motor vehicle. In addition, the absolute rotational speed in space or the rate of rotation about a vehicle axle is also recorded. For example, it is necessary for a vehicle dynamics control in a motor vehicle to determine the rate of rotation of the vehicle about the yaw or yaw axis.

Erfindungsgemäß verfügt der Sensor über einen Außenkörper, der, vorzugsweise fest, mit einem Element des Antriebsstrangs, beispielsweise mit dem Motor, verbindbar ist. Hierzu weist der Außenkörper in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung einen Flansch auf, über den er, bevorzugt fest, in eine, vorzugsweise dafür vorgesehene, Aufnahme in dem betreffenden Element des Antriebsstrangs einfügbar ist. Hierzu wird der Außenzylinder des Sensors beispielsweise direkt in eine Motorwandung eingeschraubt, die eine zu diesem Zweck eingerichtete Öffnung umfasst, die beispielsweise in Form einer Bohrung, die ein Gewinde aufweisen kann, ausgestaltet ist. According to the invention, the sensor has an outer body which, preferably fixed, can be connected to an element of the drive train, for example to the engine. For this purpose, the outer body in a particularly preferred embodiment, a flange over which he, preferably fixed, in a, preferably provided, receptacle in the relevant element of the drive train can be inserted. For this purpose, the outer cylinder of the sensor is screwed, for example, directly into a motor wall, which comprises an opening arranged for this purpose, which is configured, for example, in the form of a bore, which may have a thread.

Erfindungsgemäß weist der Außenkörper des Sensors, vorzugsweise in seinem Inneren, einen Hohlraum auf, in welchen ein vom Außenkörper getrennter Innenkörper eingebracht ist. Der Innenkörper umfasst hierbei das oben beschriebene Sensorelement sowie ein separates Wandlerelement, das Mittel zur Umwandlung einer mechanischen Energie, die dem Wandlerelement aus dem Antriebsstrang zur Verfügung gestellt wird, in eine elektrische Energie aufweist, die sich zur Energieversorgung des Sensors einsetzen lässt. Hierbei umfasst die mechanische Energie aus dem Antriebsstrang im Allgemeinen

– einen rotatorischen Anteil aus vorhandenen, rotierenden Bewegungen im Antriebsstrang und
– einen vibratorischen Anteil aus schwingenden Bewegungen im Antriebsstrang.

According to the invention, the outer body of the sensor, preferably in its interior, a cavity, in which a separate from the outer body inner body is introduced. The inner body in this case comprises the sensor element described above and a separate transducer element, the means for converting a mechanical energy, which is provided to the transducer element from the drive train available, in an electrical energy, which can be used to power the sensor. This includes the mechanical energy from the powertrain in general

- A rotational portion of existing, rotating motions in the drive train and
- A vibratory portion of oscillating movements in the drive train.

Je nach gewünschter Ausgestaltung ist hierbei das Wandlerelement dazu eingerichtet, um Energie aus dem rotatorischen Anteil oder aus dem vibratorischen Anteil oder aus beiden Anteilen der Energie im Antriebsstrang zu entnehmen. Depending on the desired configuration, in this case the converter element is set up to take energy from the rotary component or from the vibratory component or from both components of the energy in the drive train.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Wandlerelement mindestens eine elektrisch leitfähige Spule, wobei ein erstes Ende der Spule an dem Innenkörper und ein zweites Ende der Spule an dem Außenkörper befestigt ist. Das Wandlerelement umfasst darüber hinaus vorzugsweise einen Dauermagneten, der von der Spule umgeben ist. Die Spule kann jedoch außer dem Dauermagneten auch das Sensorelement sowie gegebenenfalls weitere gegebenenfalls vorhandene Elemente des Innenkörpers umgeben. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Inneren des Außenkörpers, der dem Innenkörper zugewandt ist, eine entsprechend ausgestaltete Nut vorgesehen, in welche die Spule eingebracht werden kann. In a particularly preferred embodiment, the transducer element comprises at least one electrically conductive coil, wherein a first end of the coil is attached to the inner body and a second end of the coil to the outer body. The transducer element preferably further comprises a permanent magnet surrounded by the coil. However, in addition to the permanent magnet, the coil can also surround the sensor element and, if appropriate, further optionally present elements of the inner body. In a preferred embodiment, a correspondingly shaped groove is provided in the interior of the outer body, which faces the inner body, into which the coil can be introduced.

In einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Innenkörper fest in der Spule gelagert, wobei die Spule beispielsweise in den Hohlraum oder auch in die Nut des Außenkörpers eingefügt sein kann. In dieser Ausgestaltung ist die Spule vorzugsweise dazu eingerichtet, in ihrer Eigenschaft als Wandlerelement Energie aus Änderungen eines rotatorischen Anteils der mechanischen Schwingungsenergie aus dem Antriebsstrang aufzunehmen. Derartige Änderungen des rotatorischen Anteils der mechanischen Schwingungsenergie im Antriebsstrang finden sich vorzugsweise in einer Rotation eines Geberrads, das fest mit dem Antriebsstrang verbunden sein kann. Ein derartiges Geberrad ist meist bereits im Motor vorhanden und liefert Drehgeschwindigkeiten, die üblicherweise im Bereich von 400 Umdrehungen/min (Leerlauf) bis einschließlich 8000 Umdrehungen/min liegen. Soll in diesem Drehzahlbereich das Sensorelement im Sensor mit elektrischer Energie versorgt werden, ist dafür eine entsprechende Auslegung der Spule erforderlich. Das Geberrad verursacht aufgrund seiner Rotation eine regelmäßige Änderung dB(t)/dt eines Magnetfelds B (t) im Inneren der Spule. Aufgrund der Änderung des Magnetfelds wird entsprechend der Induktionsformel U_ind = –n∙A∙dB(t)/dt, wobei die Spule n Windungen und eine Querschnittsfläche A aufweist, eine elektrische Spannung U_ind in der elektrisch leitfähigen Spule induziert, welche sich einerseits zur Spannungsversorgung des Sensorelements und andererseits gleichzeitig zum Nachweis einer Drehzahl und/oder einer Drehposition und/oder einer Phase aus dem Antriebsstrang einsetzen lässt. Die hierdurch bereitgestellte elektrische Spannung kann vorzugsweise durch eine geeignete Aufbereitung, insbesondere durch eine Stabilisierung und/oder eine Filterung und/oder eine Speicherung, als Spannungsversorgung für das Sensorelement eingesetzt werden, das im Sensor vorhanden ist. Somit dient die im Antriebsstrang vorhandene Modulation des Magnetfeldes infolge einer Rotation des Geberrads in Form eines so genannten "Energiepfades" zur Energieversorgung des Sensorelements und wird darüber hinaus gleichzeitig im Rahmen eines so genannten "Signalpfades" zur Erfassung der physikalischen Eigenschaft, d.h. des Rotationswinkels und/oder der Drehgeschwindigkeit einer Welle, auf welcher das zugehörige Geberrad angeordnet ist, eingesetzt. In a first embodiment of the present invention, the inner body is fixedly mounted in the coil, wherein the coil may be inserted, for example, in the cavity or in the groove of the outer body. In this embodiment, the coil is preferably configured to absorb energy in its capacity as a transducer element from changes in a rotational portion of the mechanical vibration energy from the drive train. Such changes in the rotational portion of the mechanical vibration energy in the drive train are preferably found in a rotation of a sensor wheel, which may be firmly connected to the drive train. Such a donor wheel is usually already present in the engine and provides rotational speeds, which are usually in the range of 400 revolutions / min (idle) up to and including 8000 revolutions / min. If the sensor element in the sensor is to be supplied with electrical energy in this speed range, a corresponding design of the coil is required for this purpose. Due to its rotation, the sender wheel causes a regular change dB (t) / dt of a magnetic field B (t) inside the coil. Due to the change of the magnetic field becomes according to the induction formula U _ind = -n ∙ A ∙ dB (t) / dt, wherein the coil has n turns and a cross-sectional area A, induces an electrical voltage U _ind in the electrically conductive coil, which on the one hand for supplying power to the sensor element and on the other hand at the same time for detecting a rotational speed and / or rotational position and / or phase of the drive train can be used. The electrical voltage provided thereby can preferably be used by a suitable conditioning, in particular by a stabilization and / or filtering and / or storage, as a power supply for the sensor element, which is present in the sensor. Thus, the existing in the drive train modulation of the magnetic field due to rotation of the encoder wheel in the form of a so-called "energy path" for powering the sensor element and is also at the same time in the context of a so-called "signal path" for detecting the physical property, ie the rotation angle and / or the rotational speed of a shaft which the associated donor wheel is arranged, used.

In einer weiteren, ebenso bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Außenkörper des Sensors und der Innenkörper des Sensors derart ausgestaltet und auf eine Weise zueinander angeordnet, dass zwischen den beiden Körpern ein Zwischenraum verbleibt, in welchem der Innenkörper schwingend in der Spule gelagert ist. In dieser Ausgestaltung ist die Spule vorzugsweise dazu eingerichtet, um als Wandlerelement Energie aus dem vibratorischen Anteil der mechanischen Schwingungsenergie, die aus dem Antriebsstrang stammt, aufzunehmen. Insbesondere aufgrund einer Vibration des Motors bewegt sich der Innenzylinder relativ gegenüber dem Außenzylinder, solange der Motor läuft. Sind, wie in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, der Innenkörper, der Hohlraum des Außenkörpers, in dem sich der Innenkörper befindet, und der Außenkörper jeweils in Form von zylindrischen Körpern von ineinander eingefügten zylindrischen Körpern ausgestaltet, so erfolgt eine Relativbewegung in axialer Richtung, die auch als z-Richtung bezeichnet wird. Ist dagegen der Motor im Antriebsstrang abgeschaltet, erfolgt zwar keine Versorgung des Sensorelements mit Energie mehr, gleichzeitig wird jedoch in diesem Falle auch keine Information weder über den Drehwinkel noch die Drehgeschwindigkeit insbesondere der Nocken und/oder Kurbelwelle bereitgestellt. Vorzugsweise ist der Sensor so ausgestaltet, dass in einem Ausschwenkfall beim Ausschalten des Motors der Sensor noch in der Lage ist, sich mit Energie zu versorgen um bis zum endgültigen Ausschalten noch Messdaten über die gewünschte physikalische Eigenschaft im Antriebsstrang zu liefern. In another, equally preferred embodiment of the invention, the outer body of the sensor and the inner body of the sensor are configured and arranged in a manner to each other that a gap remains between the two bodies, in which the inner body is mounted swinging in the coil. In this embodiment, the coil is preferably adapted to receive as a transducer element energy from the vibratory portion of the mechanical vibration energy originating from the drive train. In particular, due to a vibration of the engine, the inner cylinder moves relative to the outer cylinder as long as the engine is running. Are, as in a particularly preferred embodiment, the inner body, the cavity of the outer body, in which the inner body is located, and the outer body each configured in the form of cylindrical bodies of cylindrical bodies inserted into one another, so there is a relative movement in the axial direction, which also is referred to as z-direction. If, on the other hand, the motor in the drive train is switched off, no supply of the sensor element with energy takes place any more, but at the same time no information either about the angle of rotation or the rotational speed, in particular of the cams and / or crankshaft, is provided in this case. Preferably, the sensor is designed such that in a Ausschwenkfall when switching off the engine, the sensor is still able to be supplied with energy to deliver up to the final shutdown still measurement data on the desired physical property in the drive train.

In dieser Ausgestaltung ist der Innenkörper somit nur über die Spule mit dem Außenkörper verbunden und wird kann innerhalb der Spule schwingen, um den vibratorischen Anteil der mechanischen Schwingungsenergie aufzunehmen. Dadurch dass, wie bereits oben beschrieben, das erste Ende der Spule an dem Innenkörper und das zweite Ende der Spule an dem Außenkörper befestigt ist, wird auf diese Weise sichergestellt, dass sich der Innenkörper nicht vom Außenkörper lösen kann, während er gleichzeitig, vorzugsweise harmonisch, schwingt.In this embodiment, the inner body is thus connected only via the coil with the outer body and is able to oscillate within the coil to absorb the vibratory portion of the mechanical vibration energy. The fact that, as already described above, the first end of the coil on the inner body and the second end of the coil is attached to the outer body, in this way it is ensured that the inner body can not detach from the outer body, while at the same time, preferably harmoniously , swinging.

In einer ebenfalls besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Außenkörper einen ersten Kunststoffkörper auf, während vorzugsweise der Innenkörper ebenfalls einen zweiten Kunststoffkörper aufweist, der bevorzugt ebenfalls von der Spule mit umgeben ist. Hierbei sind der erste Kunststoffkörper des Außenkörpers und der zweite Kunststoffkörper des Innenkörpers derart ausgelegt, dass sich eine möglichst hohe Trägheitsdifferenz zwischen der Masse des Außenkörpers und der Masse des Innenkörpers ausbildet. Auf diese Weise soll eine möglichst hohe Trägheitsdifferenz zwischen den beiden Körpern erzeugt werden, die bei einer definierten Vibrationsfrequenz zu einer maximalen Bewegungsenergie und damit zu einer maximalen Energieversorgung des Sensorelements führt. In besonders einfacher Weise erfolgt die Auslegung dieser Trägheitsdifferenz durch eine Festlegung des Kunststoffanteils im Außenzylinder, bezüglich dessen Ausgestaltung in der Regel ein größerer Freiraum im Vergleich zur Ausgestaltung des Kunststoffkörpers im Innenzylinder besteht. In a likewise particularly preferred embodiment, the outer body has a first plastic body, while preferably the inner body also has a second plastic body, which is preferably also surrounded by the coil. Here, the first plastic body of the outer body and the second plastic body of the inner body are designed such that the highest possible difference in inertia between the mass of the outer body and the mass of the inner body is formed. In this way, the highest possible inertia difference between the two bodies is to be generated, which leads at a defined vibration frequency to a maximum kinetic energy and thus to a maximum power supply of the sensor element. In a particularly simple manner, the interpretation of this difference in inertia is done by a determination of the plastic content in the outer cylinder, with respect to the design usually a larger clearance compared to the design of the plastic body in the inner cylinder.

In einem Kraftfahrzeug sind insbesondere aufgrund der Umdrehung der Nocken und/oder der Kurbelwelle Frequenzen des Motors vorhanden, die sich in einem Bereich von 10 Hz bis einschließlich 440 Hz bei einem Vierzylindermotor bzw. in einem Bereich von 10 Hz bis einschließlich 880 Hz bei einem Achtzylindermotor bewegen. Vorzugsweise wird hierzu die Schwingungsfrequenz des Sensors und des Sensorelements auf dieses Frequenzband ausgelegt, wodurch bei jeder Drehzahl ein Maximum an Schwingungsamplitude und damit an induzierter Spannung zur Verfügung steht. Diese an der Spule anliegende Spannung wird dem Sensorelement zur Verfügung gestellt, so dass das Sensorelement mit elektrischer Energie versorgt wird. In a motor vehicle, in particular due to the rotation of the cams and / or the crankshaft frequencies of the engine present in a range of 10 Hz to 440 Hz inclusive for a four-cylinder engine or in a range of 10 Hz to 880 Hz inclusive in an eight-cylinder engine move. Preferably, for this purpose, the oscillation frequency of the sensor and the sensor element is designed for this frequency band, whereby a maximum of oscillation amplitude and thus of induced voltage is available at each rotational speed. This voltage applied to the coil is provided to the sensor element, so that the sensor element is supplied with electrical energy.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erste Kunststoffkörper im Außenkörper derart ausgestaltet ist, dass er sowohl den Innenkörper und das darin befindliche Sensorelement als auch den Raum außerhalb des Elements des Antriebsstrangs dicht vom Raum innerhalb des Elements des Antriebsstrangs trennt. Auf diese Weise ist insbesondere sichergestellt, dass keine Stoffe, wie beispielsweise Motoröl, aus dem Raum im Inneren des Elements des Antriebsstrangs austreten können. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Außenkörper zumindest teilweise, insbesondere zumindest außerhalb des Bereiches, in welchem er in das Element des Antriebsstrangs eingefügt wird, von einem Gehäuse umgeben ist. Bei dem Gehäuse kann es sich um eine feste, beispielsweise aus einem Metall oder einem Kunststoff gefertigte Hülle handeln, die den Außenkörper und welche den Außenkörper des Sensors umgeben. Alternativ kann der Außenkörper auch nur mit einer Beschichtung, etwa einer Umspritzung beispielsweise in Form einer Endumspritzung, umgeben sein. Diese Art der Ausgestaltung bietet einen zusätzlichen Schutz für den Innenkörper des Sensors und insbesondere das darin sich befindliche Sensorelement. Furthermore, it is advantageous if the first plastic body in the outer body is designed such that it separates both the inner body and the sensor element therein and the space outside the element of the drive train tightly from the space within the element of the drive train. In this way it is particularly ensured that no substances, such as engine oil, can escape from the space inside the element of the drive train. It is also advantageous if the outer body is at least partially, in particular at least outside the area in which it is inserted into the element of the drive train, surrounded by a housing. The housing can be a solid shell, for example made of a metal or a plastic, which surrounds the outer body and which surrounds the outer body of the sensor. Alternatively, the outer body may also be surrounded only with a coating, for example an encapsulation, for example in the form of a final encapsulation. This type of embodiment provides additional protection for the inner body of the sensor and in particular the sensor element located therein.

In einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor eine entsprechend angepasste Membran auf, die an der dem Element des Antriebsstrangs abgewandten Seite des Innenkörpers derart am Außenkörper angebracht ist, dass die Membran unmittelbar oder auch mittelbar, z.B. über eine Beschichtung oder ein weiteres Element, an dem Sensorelement des Innenkörpers anliegt. Auf diese Weise dient die Membran als Schwingungselement zur besseren Aufnahme von Schwingungen bzw. Vibrationen aus der mechanischen Energie aus dem Antriebsstrang. In a further embodiment, the sensor has a correspondingly adapted membrane, which is attached to the side facing away from the element of the drive train side of the inner body on the outer body, that the membrane directly or indirectly, for example via a coating or another element on the sensor element of Inner body rests. In this way, the membrane serves as a vibration element for better absorption of vibrations or vibrations from the mechanical energy from the drive train.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Sensorelement derart ausgestaltet, dass es nur dann die mindestens eine physikalische Eigenschaft in dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs erfasst, wenn eine entsprechende Voraussetzung erfüllt ist. Im Falle eines Geberrades wird das Sensorelement beispielsweise nur dann aktiv, wenn ein Zahn oder eine Lücke im Geberrad erkannt wurde, während das Sensorelement in der übrigen Zeit vorzugsweise in einen Energiesparmodus versetzt wird. Die insbesondere in dieser Zeit, während der sich das Sensorelement im Energiesparmodus befindet, durch das Sensorelement nicht benötigte elektrische Energie wird bevorzugt in einer dafür geeigneten Vorrichtung gespeichert. Hierzu dient insbesondere ein Kondensator zur Ladungsspeicherung, der in der Lage ist, elektrische Energie in seinem elektrischen Feld zu speichern. Die darin gespeicherte Energie kann anschließend, sobald das Sensorelement wiederum in seinen aktiven Zustand übergeht, von diesem zur Energieversorgung eingesetzt werden. Auf diese Weise wird es möglich, den Energieverbrauch, der derzeit für einen aktiven Drehzahlgeber ca. 40 mW beträgt, deutlich zu reduzieren. In a further embodiment of the present invention, the sensor element is designed such that it only detects the at least one physical property in the drive train of the motor vehicle when a corresponding requirement is met. In the case of a sensor wheel, the sensor element is, for example, only active when a tooth or a gap has been detected in the encoder wheel, while the sensor element is preferably placed in the remaining time in a power saving mode. The electrical energy which is not required by the sensor element, in particular during this time during which the sensor element is in the energy-saving mode, is preferably stored in a device suitable for this purpose. For this purpose, in particular a capacitor for charge storage, which is able to store electrical energy in its electric field. The energy stored therein can then, as soon as the sensor element transitions into its active state, are used by the latter for the energy supply. In this way, it is possible to significantly reduce the energy consumption that is currently about 40 mW for an active speed sensor.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Während die elektrische Energie, welche für die Versorgung eines Sensors zur Erfassung mindestens einer physikalischen Eigenschaft in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht, derzeit von einem externen Steuergerät aufwändig zur Verfügung gestellt werden muss, da sie insbesondere eine bestimmte Qualität, beispielsweise ein konstantes Spannungsniveau, aufweisen muss, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, diese elektrische Energie dem Antriebsstrang als Bewegungsenergie zu entziehen, wo sie ohnehin zur Verfügung steht. Damit wird die Energie dort genutzt, wo sie auch erzeugt wird, und nicht erst über eine Zuleitung an die benötigte Stelle befördert. Diese Art der Ausgestaltung führt zum einen zu einer Materialersparnis, indem auf eine elektrische Verbindung vom Steuergerät zum Sensor verzichtet werden kann. Damit verbunden ist auch eine Verringerung des Erprobungsaufwandes, da die Bestimmung einer klimatischen und/oder elektromagnetischen Verträglichkeit für diese Zuleitung entfällt. Im Betrieb verringert sich die Störanfälligkeit, da z.B. die Einkopplung eines starken Spannungsimpulses auf die Versorgungsspannung, welche zum funktionalen Ausfall des Sensors führen kann, erheblich verringert ist. Ebenso werden Störungen der Umwelt durch elektromagnetische Belastungen (EMV) reduziert. While the electrical energy which is available for the supply of a sensor for detecting at least one physical property in a drive train of a motor vehicle, currently has to be provided by an external control unit consuming available, since they in particular a certain quality, such as a constant voltage level, must, the present invention allows to withdraw this electrical energy to the drive train as kinetic energy, where it is available anyway. Thus, the energy is used where it is generated, and not transported via a supply line to the required location. On the one hand, this type of configuration leads to a saving of material by eliminating the need for an electrical connection from the control unit to the sensor. This is associated with a reduction of the testing effort, since the determination of a climatic and / or electromagnetic compatibility for this supply is eliminated. In operation, the susceptibility decreases because, for example, the coupling of a strong voltage pulse to the supply voltage, which can lead to functional failure of the sensor, is considerably reduced. Likewise, environmental disturbances are reduced by electromagnetic pollution (EMC).

Da die elektrische Verbindung vom Steuergerät zum Sensor eingespart werden kann, entfallen auch bisher auftretende Ohmsche Leitungsverluste durch diese Verbindung, die bisher das Steuergerät zusätzlich zur Verfügung stellen muss. Die geringeren Ohmschen Leitungsverluste führen auch zu einer geringeren Erwärmung im Motorraum im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, insbesondere im Motorraum. Der durch den erfindungsgemäßen Sensor mögliche Verzicht auf eine elektrische Verbindung vom Steuergerät zum Sensor wirkt sich zum einen positiv auf das Ausbleiben von Kabelbruch und zum anderen auf das Ausbleiben eines Kriechens von Motoröl in das Steuergerät aus, da ein derartiges Kriechen in aller Regel entlang einer elektrischen Verbindung auftritt.Since the electrical connection can be saved from the control unit to the sensor, also previously occurring Ohmic line losses due to this connection, which previously had to provide the control unit additionally available. The lower ohmic line losses also lead to less heating in the engine compartment in the drive train of the motor vehicle, especially in the engine compartment. The possible absence of an electrical connection from the control unit to the sensor by the sensor according to the invention has a positive effect on the absence of cable break and on the absence of creep of engine oil in the controller, since such a creep usually along an electrical Connection occurs.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen: Show it:

1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in Form einer Schnittzeichnung, der insbesondere dazu eingerichtet ist, um Energie aus dem vibratorischen Anteil der mechanischen Schwingungsenergie aus dem Antriebsstrang aufzunehmen; 1 a first embodiment of a sensor according to the invention in the form of a sectional drawing, which is in particular adapted to receive energy from the vibratory portion of the mechanical vibration energy from the drive train;

2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in Form einer Schnittzeichnung, der insbesondere dazu eingerichtet ist, um Energie aus Änderungen eines rotatorischen Anteils der mechanischen Schwingungsenergie aus dem Anteil der mechanischen Schwingungsenergie aus dem Antriebsstrang aufzunehmen. 2 a second embodiment of a sensor according to the invention in the form of a sectional drawing, which is in particular adapted to absorb energy from changes in a rotational portion of the mechanical vibration energy from the proportion of mechanical vibration energy from the drive train.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In einer Motorwandung 110, die einen Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs darstellt, ist ein Sensor 112 zur Erfassung mindestens einer physikalischen Eigenschaft des Antriebsstrangs eingefügt. Der Sensor 112 weist einen Außenkörper 114 auf, der außerhalb der Motorwandung 110 von einem Gehäuse 116 umgeben ist. Der Außenkörper 114 ist mittels eines Flansches 118 in eine dafür vorgesehene Aufnahme 120 in der Motorwand des Antriebsstrangs eingefügt. Der Außenkörper 114 ist in diesem Falle darüber hinaus im Bereich des Flansches 118 mit einem Stecker 122 versehen. In a motor wall 110 , which is part of a powertrain of a motor vehicle, is a sensor 112 inserted to capture at least one physical property of the powertrain. The sensor 112 has an outer body 114 on, outside the engine wall 110 from a housing 116 is surrounded. The outer body 114 is by means of a flange 118 in a dedicated recording 120 inserted in the engine wall of the drive train. The outer body 114 is in this case beyond the range of the flange 118 with a plug 122 Mistake.

Der Außenkörper 114 verfügt über einen ersten Kunststoffkörper 124, der in seinem Inneren einen Hohlraum 126 aufweist, in den, vom Außenkörper 114 getrennt, ein Innenkörper 128 eingebracht ist. Der Innenkörper 128 umfasst einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), in dem sich das Sensorelement 130 befindet, einen Dauermagneten 132 und einen zweiten Kunststoffkörper 134. Sowohl der erste Kunststoffkörper 124 als auch der zweite Kunststoffkörper 134 dienen zum einen als Schutz für das Sensorelement 130 und den Dauermagneten 132 und sind zum anderen derart ausgelegt, dass sich eine möglichst hohe Trägheitsdifferenz zwischen dem Außenkörper 114 und dem Innenkörper 128 ausbildet. The outer body 114 has a first plastic body 124 which has a cavity in its interior 126 in, from, the outer body 114 separated, an inner body 128 is introduced. The inner body 128 includes one user-specific integrated circuit (ASIC), in which the sensor element 130 is a permanent magnet 132 and a second plastic body 134 , Both the first plastic body 124 as well as the second plastic body 134 serve as a protection for the sensor element 130 and the permanent magnet 132 and on the other hand designed such that the highest possible inertia difference between the outer body 114 and the inner body 128 formed.

Der Innenkörper 128 ist in Form eines zylindrischen Körpers ausgebildet, dessen Mantel, mit Ausnahme des Bereiches, in dem sich das Sensorelement 130 befindet, von einer Spule 136, die ein leitfähiges Material aufweist und in Form einer Federspule ausgestaltet ist, umgeben ist. Hierbei ist ein erstes Ende 138 der Spule 136 an dem Innenkörper 128 und ein zweites Ende 140 der Spule 136 an dem Außenkörper 114 befestigt. Schließlich weist der Sensor 112 an der der Motorwandung 110 abgewandten Seite des Sensorelements 130 eine Membran 142 auf, die als Schwingungselement zur Aufnahme von Schwingungen aus der mechanischen Energie aus dem Antriebsstrang dient.The inner body 128 is formed in the form of a cylindrical body, the jacket, except for the area in which the sensor element 130 is located, from a coil 136 , which has a conductive material and is designed in the form of a coil spring, is surrounded. This is a first end 138 the coil 136 on the inner body 128 and a second end 140 the coil 136 on the outer body 114 attached. Finally, the sensor points 112 at the engine wall 110 remote side of the sensor element 130 a membrane 142 on, which serves as a vibration element for receiving vibrations from the mechanical energy from the drive train.

2 zeigt eine weitere Ausführung eines Sensors 112, der mittels eines Flansches 118 in eine Ausnehmung 120 einer Motorwandung 110 eingebracht ist. Der Sensor 112 verfügt auch hier über einen Außenkörper 114, der einen ersten Kunststoffkörper 124 aufweist, in dessen Innerem sich ein Hohlraum (nicht dargestellt) befindet, in dem ein Innenkörper 128 eingebracht ist. Der Innenkörper 128 umfasst ein Sensorelement 130 zur Erfassung mindestens einer physikalischen Eigenschaft im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs und einen Dauermagneten 132, der zusammen mit einer elektrisch leitenden Spule 136, die hier fest zwischen dem Außenkörper 114 und dem Innenkörper 128 eingefügt ist und die zur Umwandlung einer mechanischen Energie aus dem Antriebsstrang, insbesondere aus Änderungen des rotatorischen Anteils aus rotierenden Bewegungen im Antriebsstrang, dient. Das erste Ende 138 der Spule 136 ist an dem Innenkörper 128 und das zweite Ende 140 der Spule 136 ist an dem Außenkörper 114 befestigt. 2 shows a further embodiment of a sensor 112 that by means of a flange 118 in a recess 120 a motor wall 110 is introduced. The sensor 112 also has an outer body here 114 , the first plastic body 124 has inside which a cavity (not shown) is located, in which an inner body 128 is introduced. The inner body 128 includes a sensor element 130 for detecting at least one physical property in the drive train of the motor vehicle and a permanent magnet 132 that comes together with an electrically conductive coil 136 that stuck between the outer body here 114 and the inner body 128 is inserted and which serves for the conversion of a mechanical energy from the drive train, in particular from changes in the rotational component of rotating movements in the drive train. The first end 138 the coil 136 is on the inner body 128 and the second end 140 the coil 136 is on the outer body 114 attached.

Über dem Sensor 112 ist schematisch die Funktionsweise eines Geberrads dargestellt, das sich in Drehrichtung 144 bewegt. Durch die Drehung des Geberrads gelangen abwechselnd ein Geberradzahn 146 und eine Geberradlücke 148 in die Nähe des Sensorelements 130, das auf diese Weise die Drehrichtung erfasst, und gleichzeitig in die Nähe der Spule 136, wodurch eine durch die Bewegung des Geberrads verursachte Änderung eines Magnetfelds eine Induktionsspannung in der elektrisch leitenden Spule 136 induziert, die als Energieversorgung für das Sensorelement 130 des Sensors 112 dient. Above the sensor 112 is schematically illustrated the operation of a sensor wheel, which is in the direction of rotation 144 emotional. By the rotation of the encoder wheel get a Geberradzahn alternately 146 and a donor wheel gap 148 near the sensor element 130 , which detects the direction of rotation in this way, and at the same time in the vicinity of the coil 136 whereby a change in a magnetic field caused by the movement of the sender wheel causes an induction voltage in the electrically conductive coil 136 induced as the power supply to the sensor element 130 of the sensor 112 serves.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2005/062443 A1 [0005]
WO 2004/065908 A2 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Konrad Reif, ed., Sensors in motor vehicles, 2nd edition, Springer Vieweg, 2012, pp. 63-74 and pp. 120-133 [0001]
http://en.wikipedia.org/wiki/energy_harvesting [0004]

Claims

Sensor ( 112 ) for detecting at least one physical property in a drive train of a motor vehicle, wherein the sensor ( 112 ) at least one sensor element ( 130 ) for detecting the physical property, in particular a rotational speed and / or a rotational position and / or a phase from the drive train, characterized in that the sensor ( 112 ) an outer body ( 114 ) connected to an element ( 110 ) of the drive train is connectable and via a cavity ( 126 ), wherein an inner body ( 128 ) is introduced, the sensor element ( 130 ) and at least one coil ( 136 ) for converting a mechanical energy from the drive train into an electrical energy for powering the sensor ( 112 ).

Sensor ( 112 ) according to the preceding claim, characterized in that the outer body ( 114 ) via a flange ( 118 ) into a recording ( 120 ) in the element ( 110 ) of the drive train can be inserted.

Sensor ( 112 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer body ( 114 ) a first plastic body ( 124 ), which at least partially from a housing ( 116 ) can be surrounded.

Sensor ( 112 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a first end ( 138 ) of the coil ( 136 ) on the inner body ( 128 ) and a second end ( 140 ) of the coil ( 136 ) on the outer body ( 114 ) is attached.

Sensor ( 112 ) according to the preceding claim, characterized in that the inner body ( 128 ) further comprises a second plastic body ( 134 ), preferably from the coil ( 136 ) is surrounded.

Sensor ( 112 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coil ( 136 ) is adapted to receive energy from changes in a rotational portion of the mechanical vibration energy from the powertrain, preferably from a rotation of a donor gear connected to the driveline, preferably at rotational speeds in the range up to and including 8000 rpm.

Sensor ( 112 ) according to one of the preceding claims, characterized in that between the outer body ( 114 ) and the inner body ( 128 ) a part of the cavity ( 126 ) remains, in which the inner body ( 128 ) swinging in the coil ( 136 ) is stored.

Sensor ( 112 ) according to the preceding claim, characterized in that the coil ( 136 ) is adapted to receive energy from a vibratory portion of the mechanical vibration energy from the drive train, preferably at a frequency in a range of 10 Hz to 800 Hz inclusive.

Sensor ( 112 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor element ( 130 ) at the element ( 110 ) of the drive train facing away from a membrane ( 142 ) is present.

Sensor ( 112 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the inner body ( 128 ) further comprises a device for storing energy, in particular a capacitor for charge storage.