CN101722986B - 特别是用于机动车辆的转向轴的转角确定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定旋转运动的轴(10)的转角位置的转角确定装置(1)，该装置具有：一与所述旋转运动的轴(10)联接的主转子(11)，在所述主转子上设置第一传感器单元(12)，用于确定主转子(11)的转角位置；一与主转子(11)旋转联接的附加转子(13)，在该附加转子上设置第二传感器单元(14)，用于确定附加转子(13)的转角位置。根据本发明设定，各所述传感器单元(12、14)具有至少一个感应作用的传感器和至少一个磁作用的传感器。

Description

特别是用于机动车辆的转向轴的转角确定装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定旋转运动的轴的转角位置的转角确定装置。该装置具有一与所述旋转运动的轴联接的主转子，在所述主转子上设置第一传感器单元，用于确定主转子的转角位置。此外，所述装置还具有一与主转子旋转联接的附加转子，在该附加转子上设置第二传感器单元，用于确定附加转子的转角位置。
背景技术
所述种类的转角确定装置由EP 0 389 669 A1已知。该文件中描述的装置用于确定一旋转运动的轴的转角位置，所述轴设计成机动车辆中的转向轴。第一传感器单元和第二传感器单元分别构成为电位计。第一电位计直接与旋转运动的轴相联接，其中该电位计具有一滑块和一滑轨，从而滑块与主转子一起旋转。滑轨静止地设置在所述装置中，从而在所述轴旋转运动期间滑块在滑轨上运动。附加转子通过一齿形带与主转子相联接。在主转子旋转时，附加转子同样进行旋转，其中，与附加转子一起运行的第二电位计同样具有一滑块，该滑块在一静止设置的滑轨上运动。
由DE 10 2004 011 125 A1已知另一种用于确定旋转运动的轴的转角位置的转角确定装置。该装置同样包括一主转子和一与主转子旋转联接的附加转子。在主转子上设有一第一传感器单元，该传感器单元具有一用n个极对形成的磁道。其中，第二传感器单元设置在带有具有k个极对的磁道的附加转子上。此外，还设有数字式的磁场开关，所述磁场开关用于扫描第一磁道，其中，还有线性的磁场传感器用于扫描第二磁道，从而可以通过一分析单元由磁场传感器和磁场开关的输出信号确定转角位置。
具有设计成电位计的传感器单元的转角确定装置会受到磨损并易于发生故障。此外测量精度限于几度的角度。基于磁的测量原理的各传感器单元可能发生相互影响，这可能导致测量结果的错误。磁作用的传感器单元可以设计成各向异性磁阻传感器(AMR)或设计成巨磁阻传感器(GMR)，其中还已知基于霍尔技术的传感器。对于至少一个驱动齿轮和至少两个从动齿轮的测量，这种测量技术是必需的，以便实现大于360°的测量范围。这里可以相互耦接地使用两个AMR传感器和两个GMR传感器。所获得的两个信号然后借助于Vernier-(Nonius)算法计算得到唯一一个角度信号。通过在传动装置中存在的传动间隙，所述角度传感器具有较粗的在约2°至2.5°的范围内的精度。此外，使用两个齿轮还导致很响的运行噪声，从而通常必须使用润滑剂，其中，由此限制了可能的最大使用温度。此外，这种磁作用的传感器单元由于所使用的磁体会导致磁滞现象。还必须采用附加的温度补偿来补偿热影响。此外，外部的磁场对利用磁性传感器单元进行的测量导致程度很明显的干扰作用。
此外，还已知光学传感器，这种传感器的测量精度同样受到限制，并且为了提高测量精度而精确地制造必要的编码轨道需要复杂的并由此昂贵的制造方法。
此外，这种传感器对于污物以及还对于温度是极为敏感的，这特别是可以在磨损现象和老化中观察到。此外光学传感器还具有较大的直径，从而必然使整个装置所需的结构空间变大。与此相对，纯感应式测量的传感器目前只能覆盖最大360°的测量范围。同样只能有条件地实现两个按照磁性传感器的样式的感应测量的系统的组合，因为这两个系统同样可能相互影响或者不能避免相互影响。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种用于确定旋转运动的轴的转角位置的转角确定装置，通过该转角确定装置可以克服前面所述的现有技术的缺点，并且转角确定装置设计得简单并使得可以在＞360°的角度范围上实现精确的测量。
所述目的基于一种用于确定旋转运动的轴的转角位置的转角确定装置来实现，该转角确定装置具有：一与所述旋转运动的轴联接的主转子，在所述主转子上设置第一传感器单元，用于确定主转子的转角位置；一与主转子旋转联接的附加转子，在该附加转子上设置第二传感器单元，用于确定附加转子的转角位置，其中，各所述传感器单元具有至少一个感应作用的传感器和至少一个磁作用的传感器。
本发明包括这样的技术教导，即传感器单元具有至少一个感应作用的传感器和至少一个磁作用的传感器。
本发明这里由设计得不同的、不会相互影响的传感器单元的组合出发。这种带有感应作用的传感器的、磁性作用的传感器的组合的优点是利用了两种完全相互独立工作的测量原理。由此，可以实现最高程度的可靠性，因为提供了多个相互独立的用于信号分析的通道并且所述通道可以按不同的相互组合进行分析。特别有利的是，通过游标(Vernier-(Nonius))算法对信号进行分析处理，这里必须提供两个用于信号分析的通道。另一个优点由在高温下采用感应式传感器作为游标算法的精细轨道(Feinspur)而实现，而不必进行温度补偿。此外，磁性作用的传感器和感应作用的传感器都是对污物不敏感的。相对于纯磁作用的传感器，所建议的传感器组合提供了非常精确地测量的优点。
根据本发明的一个有利的实施形式包括一感应作用的传感器，该传感器与主转子共同作用。所述感应作用的传感器可以按一种CIPOS(无接触感应位置传感器)构成，例如由本申请人的专利申请DE 19738 836 A1中已知的那样。这里所考察的感应传感器的原理基于，将能量的感应地耦合输出到一可移动元件中，所述元件又感应地反向作用到具有特殊的几何形状的接收导体线圈上。所述接收导体线圈的几何形状这里这样来选择，即，在接收导体线圈中感应产生的电压取决于可移动的元件的位置。为此，感应作用的第一传感器单元包括一与主转子共同旋转的感应转子和一定子，该感应转子形成所述可移动的元件，并所述定子承载接收导体线圈。所述定子优选可以设置在一载体上，该载体同时形成整个装置的一个壳体部分，其中感应转子设置在主转子的一碟形的凸缘上并平行地隔开在定子上方旋转。
磁作用的第二传感器单元有利地具有一传感器元件和一磁体，其中，所述传感器元件设计成用于识别磁体的运动。所述传感器元件可以设计成霍尔传感器、AMR传感器、GMR传感器，并设置在载体上。相反，磁体设置在附加转子内和/或上。
一种有利的实施形式由一种旋转对称的磁体得到，该磁体与附加转子的旋转轴线同心地设置在附加转子内和/或上。这里磁体可以沿直径方向磁化，从而可以通过霍尔传感器感知旋转对称的磁体的旋转。主转子和附加转子都可以设计成由塑料注塑件构成，其中所述磁体有利由附加转子的材料包绕注塑。磁体可以由硬铁磁体、稀土磁性体或与塑料结合的硬铁磁体或稀土磁性体组成。除了将磁体包绕注塑地设置在附加转子中之外，磁体还可以粘结装入附加转子中的一个几何形状相对应的凹部内。磁体此外可以具有不同于旋转对称形状的矩形或正方形的形状。
根据另一个有利的实施形式，主转子和附加转子之间的旋转联接具有一带有一在主转子上的第一齿轮和一在附加转子上的第二齿轮的传动装置，其中各所述齿轮优选具有不同的齿数。主转子和附加转子都可以通过齿轮的体部形成，其中主转子上的、用于接纳感应作用的第一传感器单元的感应转子的凸缘形成形部平面地设置在第一齿轮的侧面上。磁体可以在毂侧容纳在第二齿轮中，从而第二齿轮通过附加转子的体部形成。齿轮具有不同齿数的构型是必要的，以便可以采用游标原理来确定绝对转角，其中，为了实现恰好360°的测量可以设定相同的齿数。
所建议的转角确定装置可以用于确定机动车辆的转向装置的转向角，从而旋转运动的轴是机动车辆的转向轴或者与所述转向轴至少旋转联接地设置。
所建议的转角确定装置还可以构成转矩确定装置的组成部件，如按已知的方式在电子转向系统(EPS转向系统)中使用的转矩确定装置。为了将转角确定装置设计成转矩确定装置的组成部件，只需要使用另一个感应作用的传感器单元，该传感器单元通过一扭转元件与该装置的旋转运动的轴相联接。转角确定装置的所述的优点因此也适用于具有第一传感器单元和第二传感器单元的转矩确定装置，其中至少一个另外的传感器单元通过一扭转联接件与前面所述的转角确定装置(相联接地)设置。
附图说明
在下面根据附图连同对本发明的一个优选实施例的说明对另外的、改进本发明的措施进行详细说明。其中
图1用横向剖切的侧视图示出根据本发明的转角确定装置的一个实施例，以及
图2示出根据图1的根据本发明的转角确定装置的俯视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的转角确定装置1的一个实施例。该装置1用于确定一旋转运动的轴10的转角位置，该轴可以是机动车辆的转向系的组成部件并可旋转运动地与一转向轴相连。在所述旋转运动的轴10上安装有一主转子11，该主转子随着旋转运动的轴10一起旋转。主转子11具有一凸缘区域23，其中，在凸缘区域的端平面上安装有一感应转子15。凸缘区域23连同感应转子15平行地与一载体17隔开地延伸，在所述载体上安装有一定子16。感应转子15和定子16形成一第一传感器单元12，该第一传感器单元按一种感应作用的传感器构成。感应作用的传感器的原理基于，使感应地耦合输出的能量流入感应转子15，所述感应转子又感应地与定子16共同作用，该定子具有带有特殊几何形状的接收导体线圈。各接收导体线圈安装在载体17的表面上以形成所述定子16，并径向地绕主转子11的旋转轴线延伸。接收导体线圈的几何形状这样来选择，即，在接收导体线圈中感应产生的电压取决于感应转子15的旋转位置。由此感应作用的第一传感器单元12可以直接测量旋转运动的轴10的转角。
所述转角确定装置1还包括一与主转子11旋转联接的附加转子13。为了确定附加转子13的转角，设有一第二传感器单元14，该传感器单元构成为磁作用的传感器。磁作用的第二传感器单元14具有一传感器元件18和一磁体19，其中，所述传感器单元18设计成用于识别磁体19的运动。所述传感器元件18可以构成为霍尔、AMR或GMR传感器18并可以设置在载体19上。这里磁体19可以设置在附加转子13中，其中附加转子13具有以容纳凹部，磁体19粘结到该容纳凹部中。磁体19可以由硬铁磁体、稀土磁性体或与塑料结合的磁性体组成并根据已知的注塑方法与附加转子13的材料注塑连接。
主转子11和附加转子13之间的旋转联接包括一具有主转子11上的第一齿轮21和附加转子13上的第二齿轮22的传动装置，其中齿轮21和22具有不同的齿数。对于当前情况，第二齿轮22设计成具有比第一齿轮21大的直径，从而附加转子13比用旋转运动的轴10驱动的主转子11旋转得慢。附加转子13的旋转运动绕以旋转轴线20进行，其中，磁体19设计成旋转对称的，并与旋转轴线20同心地安装在附加转子13中。与磁体19隔开地在载体17上设置设计成霍尔、AMR或GMR传感器18的传感器元件18。磁体19沿直径方向磁化，从而设计成圆柱形的磁体的旋转运动可以通过霍尔、AMR或GMR传感器18测量。
图2示出根据图1的转角确定装置1的俯视图。如在该俯视图中所示，主转子11绕旋转运动的轴10延伸，其中，主转子11具有一第一齿轮21，该第一齿轮与一第二齿轮22啮合。第二齿轮22安装在附加转子13上或通过附加转子形成，所述附加转子能够绕一旋转轴线20旋转。附加转子13按没有详细示出的方式例如通过滚针支承可旋转地接纳在载体17上。
根据示意性的视图，转角确定装置1还包括一分析单元24，该分析单元同样可以容纳在载体17上。分析单元24接收第一传感器单元和第二传感器单元的信号，并以游标(Vernier)原理为基础提供关于旋转运动的轴10的转角的信息。这里，测量范围大于360°，从而提供这样的测量范围，该测量范围超过旋转运动的轴10的一整圈旋转。通过给感应作用的传感器单元补充另一个感应的测量轨道(Messspur)，可以进一步提高转角确定装置的精度。这里，转角确定装置的可达到的可靠性水平可以通过多个感应作用的传感器单元的附加设置的冗余得到提高。
本发明的在其构型上并不限制在前面所述的优选实施例。相反可以设想一定数量的变型方案，在原则上不同类型的构型中也可以使用所述解决方案的这些变型方案。所有由各权利要求、说明书或附图中得到的特征和/或优点，包括结构上的细节、空间上的布置和方法步骤，本身并且按各种不同的组合都对于本发明是重要的。特别是设置在主转子11上的第一传感器单元12可以设计成磁作用的传感器，设置在附加转子13上的第二传感器单元可以设计成感应作用的传感器。此外，第一齿轮21可以设计得比第二齿轮22大，从而，附加转子13具有比主转子11大的旋转速度。此外还存在这样的可能性，与第一传感器单元12相关地将感应转子15位置固定地设置在载体17上，其中，定子16随着主转子11旋转。此外，霍尔、AMR或GMR传感器18可以安装在附加转子13中，从而磁体19静止地设置在载体17上。此外，由齿轮21和22形成的传动装置可以设计成齿形带传动装置。
附图标记列表
1    转角确定装置
10    旋转运动的轴
11    主转子
12    第一传感器单元
13    附件转子
14    第二传感器单元
15    感应转子
16    定子
17    载体
18    传感器单元，霍尔、AMR或GMR传感器
19    磁体
20    旋转轴线
21    第一齿轮
22    第二齿轮
23    凸缘区域
24    分析单元

Claims (10)

1.用于确定旋转运动的轴(10)的转角位置的转角确定装置(1)，该转角确定装置具有：一与所述旋转运动的轴(10)联接的主转子(11)，在所述主转子上设置第一传感器单元(12)，用于确定主转子(11)的转角位置；一与主转子(11)旋转联接的附加转子(13)，在该附加转子上设置第二传感器单元(14)，用于确定附加转子(13)的转角位置，其特征在于，各所述传感器单元(12、14)具有至少一个感应作用的传感器和至少一个磁作用的传感器，转角确定装置还包括一分析单元(24)，该分析单元(24)接收第一传感器单元和第二传感器单元的信号，并以游标原理为基础提供关于旋转运动的轴(10)的转角的信息。
2.根据权利要求1所述的转角确定装置(1)，其特征在于，设置在主转子(11)上的第一传感器单元(12)构成为感应作用的传感器，而设置在附加转子(13)的第二传感器单元(14)构成为磁作用的传感器。
3.根据权利要求1或2所述的转角确定装置(1)，其特征在于，感应作用的第一传感器单元(12)具有一与主转子(11)一起旋转的感应转子(15)和一静止的定子(16)。
4.根据权利要求3所述的转角确定装置(1)，其特征在于，设有一载体(17)，定子(16)基本上平行地与感应转子(15)隔开地接纳在该载体上。
5.根据权利要求4所述的转角确定装置(1)，其特征在于，磁作用的第二传感器单元(14)具有一传感器元件(18)和一磁体(19)，其中传感器元件(18)构成为用于识别磁体(19)的运动。
6.根据权利要求5所述的转角确定装置(1)，其特征在于，传感器元件(18)构成为霍尔传感器、GMR传感器或AMR传感器(18)并设置在载体(17)上。
7.根据权利要求5或6所述的转角确定装置(1)，其特征在于，磁体(19)设置在附加转子(13)内和/或上。
8.根据权利要求5或6所述的转角确定装置(1)，其特征在于，磁体(19)是旋转对称的磁体(19)并与附加转子(13)的旋转轴线(20)同心地设置在附加转子内和/或上。
9.根据权利要求1或2所述的转角确定装置(1)，其特征在于，主转子(11)和附加转子(13)之间的旋转联接具有一传动装置，该传动装置具有一在主转子(11)上的第一齿轮(21)和一在附加转子(13)上的第二齿轮(22)，其中，各所述齿轮(21、22)具有不同的齿数。
10.根据权利要求1或2所述的转角确定装置(1)，其特征在于，所述旋转运动的轴(10)是机动车辆的转向轴或与所述转向轴至少旋转联接。
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