CN103256884A - 用于检测旋转部件上的旋转角的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测例如汽车中的旋转部件(10)上的旋转角的装置(1)，该旋转部件与测量值传送器(5)联接，该测量值传送器包括运动转换器(20)和具有至少一个电感(32)和至少一个电容(34)的振荡电路(30)，所述运动转换器将所述旋转部件(10)的旋转(12)转换成平移(22)，所述振荡电路根据所述旋转部件(10)的旋转角改变其谐振频率，其中，评价和控制单元(36)确定所述振荡电路(30)的谐振频率并且提供表示所述旋转部件(10)的旋转角的输出信号。根据本发明，所述运动转换器(20)具有至少一个移动元件(24)，所述移动元件执行所述平移(22)并且基于所述平移设定所述振荡电路(30)的谐振频率。

Description

用于检测旋转部件上的旋转角的装置

技术领域

本发明涉及一种按照独立权利要求1的前序部分所述的用于检测旋转部件上的旋转角的装置。

背景技术

在已知的转向角传感器中，通过磁场传感器无接触地对用于确定方向盘的转动圈数的计数轮进行扫描。这种转向角传感器可以基于磁性游标原理，该原理使用两个带齿圈的齿轮，这些齿轮的齿数相差一个齿。这样的系统的缺点是，在点火系统关闭的情况下必须提供静电流，以在点火系统关闭的情况下能够识别方向盘的转动。在汽车长时间不使用的情况下，这会导致不希望的汽车电池耗尽。如果不提供这样的静电流，则当方向盘在点火系统关闭的情况下或者电池断开的情况下转动时，不再能够明确地确定转向角。

在公开文献DE4409892A1中描述了一种用于检测转向角的传感器。所描述的传感器包括第一代码盘，该代码盘被多个接收器扫描并且以与方向盘相同的速度转动。第二代码盘与第一代码盘的四分之一速度转动并且具有三条代码道，这三条代码道被相应的接收器扫描。通过将由此产生的精密和粗略信号适当地结合可以进行明确的角度确定。作为接收器，例如可以使用霍尔磁传感器。

在公开文献DE102007052162A1中例如描述了一种用于无接触地对旋转角或者线性位移进行检测的测量装置以及一种具有这种测量装置的踏板模块。检测到的旋转角或者检测到的线性位移是根据至少两个物体之间的相对运动而得到，这两个物体通过弹簧装置相互抵靠地被预紧在它们的初始位置上。弹簧装置具有由导电材料制成的多个圈并且这两个物体的相对运动引起弹簧装置的长度变化。规定，弹簧装置的多个圈中的至少一部分被包括在磁性线圈中，该磁性线圈与至少一个电容器一起被包括在振荡电路中。此外，设有评价装置，该评价装置根据振荡电路的谐振频率的变化发出可被评价以识别和计算相对运动的信号，其中谐振频率的变化是基于由于两个物体的相对运动而引起的弹簧装置的长度变化。为了将加速踏板杠杆相对于支座的旋转运动转换成在测量原理方面更加简单的线性运动，弹簧元件的一端支撑在构造在支座上的支撑面上而另一端支撑在加速踏板杠杆的相对于摆动轴线位于加速踏板杠杆与支座之间的构成杠杆臂的支撑臂上。

发明内容

与此相比，根据本发明的具有独立权利要求1所述特征的用于检测例如汽车中的旋转部件上的旋转角的装置具有以下优点：通过将旋转运动转化成机械位移变化，即使在旋转部件旋转多圈的情况下也总是能提供明确的旋转位置。有利地，在电子装置失灵时，旋转运动仍保留在已改变的机械位移位置中。基于机械位移变化，即使在点火系统关闭或者电池断开的情况下也可提供正确的绝对旋转角，其中，同时可实现特别可靠的操作或更确切地说可借助于频率检测实现对旋转角的特别可靠的识别。通过测量谐振频率，可以以这种方式确定旋转部件的位置。另一优点可能是机械简化，这可节省成本。优选地，根据本发明的装置可以被用于在汽车中确定转向角锁止角或者踏板位置。在这里，旋转部件优选与汽车的转向柱或者加速踏板不可相对转动地联接。本发明的实施方式将转向运动或者踏板运动转化成位移变化，该位移变化可以通过频率测量无接触地被检测并且被换算成转向角或者踏板位置。在根据本发明的装置的一种有利设计方案中，运动转换器可以将旋转部件的旋转转换成相对于旋转部件的切向或者轴向平移。频率测量有利地可以非常高的精度实现。此外，本发明的实施方式基于较少的机械部件实现了成本低廉的结构。此外，转向角有利地紧接在第一次频率测量之后是固定的，从而提供一种“真实功率接通能力”。有利地，本发明的实施方式仅吸收很小的电功率。

本发明的实施方式提供一种用于检测旋转部件上的旋转角的装置。旋转部件与测量值传送器联接，该测量值传送器包括运动转换器和带有至少一个电感和至少一个电容的振荡电路，该运动转换器将旋转部件的旋转转换成平移，该振荡电路根据旋转部件的旋转角改变其谐振频率。在这里，评价和控制单元确定振荡电路的谐振频率并且提供表示旋转部件的旋转角的输出信号。根据本发明，运动转换器具有至少一个移动元件，该移动元件执行平移并且基于该平移设定振荡电路的谐振频率。

通过在从属权利要求中提及的措施和改进方案可以对在独立权利要求1中给出的用于检测汽车中旋转部件上的旋转角的装置进行有利改进。

特别有利的是，第一移动元件可以被制成由铁磁性或者顺磁性或者反磁性材料构成的线圈铁心。所述至少一个电感例如可以被实施为带有至少一个线圈绕组的线圈，其中，所述平移将被实施为线圈铁心的第一移动元件移入线圈的所述至少一个线圈绕组中或者从线圈的所述至少一个线圈绕组拉出。因此，线圈的电感进而振荡电路的谐振频率发生变化。附加地或者替代地，第二移动元件可以被制成由合适材料构成的电介质。所述至少一个电容例如可以被实施为具有第一电容器电极和第二电容器电极的电容器，其中，所述平移将被实施为电介质的第二移动元件移入两个电容器电极之间或者从两个电容器电极中拉出。具有所述至少一个电感和所述至少一个电容的振荡电路可以被设计成串联振荡电路或者并联振荡电路。相应的谐振曲线描述了振荡电路的阻抗随频率的变化过程。它们在谐振频率的位置上对于并联振荡电路具有最大值而对于串联振荡电路具有最小值。振荡电路的性能越高，极值越明显。为了实现尽可能准确地确定谐振频率，振荡电路的性能选取得尽可能高。振荡电路的谐振频率的变化可以由评价和控制单元检测并且被转换成与角度大小相应的电信号。为了达到对于旋转角确定所需的时间分辨率，理想地可以将谐振频率选取得如此之高，以至于不是振荡电路的谐振频率，而是谐振频率确定的时间分辨率本身决定测量装置的时间分辨率。

在根据本发明的装置的一种有利设计方案中，旋转部件可以具有至少一个第一啮合部，该啮合部将旋转传递到运动转换器上，其中，运动转换器通过带有第二啮合部的齿轮将所述旋转接收为旋转方向相反的旋转并且随后转换成平移或者将所述旋转直接转换成平移。带有第二啮合部的齿轮例如可以与带有外螺纹的螺杆联接，带有内螺纹的移动元件被旋在该螺杆的外螺纹上并且可轴向移动地被引导，从而移动元件以沿着螺杆的直线运动的形式运动。通过移动元件经过的位移可以改变振荡电路的电感和/或电容。

在根据本发明的装置的另一种有利设计方案中，运动转换器可以被实施为可纵向运动且可旋转运动地被引导的传递螺杆，该螺杆的定位使得旋转部件的第一齿圈与传递螺杆的螺纹啮合并且使传递螺杆沿切向运动，其中，移动元件可以与传递螺杆连接或者被实施为传递螺杆的一部分。替代地，运动转换器可以被实施为可纵向运动地被引导的齿条，该齿条的定位使得旋转部件的第一齿圈与齿条的齿部区域啮合并且使齿条沿切向运动，其中，移动元件可以与齿条连接或者被实施为齿条的一部分。通过传递螺杆或者齿条经过的位移可以改变振荡电路的电感和/或电容。

有利地，所确定的旋转部件的旋转角的分辨率可以通过旋转部件和运动转换器的传动比和/或通过移动元件的内螺纹和/或螺杆的外螺纹和/或传递螺杆的螺纹的螺距和/或通过齿条的齿部区域的齿距预先规定。

附图说明

附图中示出了本发明的实施例并且在下面的描述中对其进行详细说明。在附图中，相同的附图标记表示执行相同或相似功能的部件或元件。

图1示出了根据本发明的用于检测旋转部件上的旋转角的装置的第一实施例的示意纵向剖视图；

图2示出了根据本发明的用于检测旋转部件上的旋转角的装置沿图1的剖切线II-II的示意横向剖视图；

图3示出了根据本发明的用于检测旋转部件上的旋转角的装置的第二实施例的示意横向剖视图。

具体实施方式

如由图1至3可见，根据本发明的用于检测汽车中旋转部件10上的旋转角的装置1的实施方式包括与旋转部件10联接的测量值传送器20，该测量值传送器包括运动转换器20和振荡电路30。运动转换器20将旋转部件10的旋转12转换成平移22。振荡电路30包括至少一个电感32和至少一个电容34并且根据旋转部件10的旋转角改变其谐振频率。评价和控制单元36确定振荡电路30的谐振频率并且提供表示旋转部件10的旋转角的输出信号。根据本发明，运动转换器20具有至少一个移动元件24、24a、24b，该移动元件执行所述平移22并且基于该平移设定振荡电路30的谐振频率。

振荡电路30可以被设计成串联振荡电路或者并联振荡电路。相应的谐振曲线描述振荡电路30的随频率变化的阻抗。并联振荡电路的谐振曲线在谐振频率的位置上具有最大值，而串联振荡电路的谐振曲线在谐振频率的位置上具有最小值。振荡电路30的性能越高，极值越明显。为了实现尽可能准确地确定谐振频率，应当将振荡电路30的性能选取得尽可能高。振荡电路30的谐振频率的变化可以由评价和控制单元30检测并且被转换成与角度大小相应的电信号。

还如由图1可见，旋转部件10在所示实施例中被实施为带有第一啮合部14的盘形齿轮。运动转换器20包括带有第二啮合部26.1的锥齿轮26，该第二啮合部啮合在被实施为盘形齿轮的旋转部件10的第一啮合部14中并且根据传动比接收旋转部件10的旋转12。锥齿轮26与带有外螺纹28.1的螺杆28固定连接。带有内螺纹24.1的移动元件24旋在该外螺纹28.1上并且可轴向运动地被引导，从而移动元件24可以作出对螺杆28的旋转的反应，以沿着螺杆28的直线运动22的形式运动。螺杆28在两端可旋转运动地支承在相应的轴承29中。此外，设有扭转止动装置25，该扭转止动装置防止移动元件24旋转。扭转止动装置25例如包括杆件，该杆件在两端一起固定在轴承29上并且被引导穿过位于移动元件24中的相应的孔。因此，可以有利地防止移动元件24做旋转运动。在所示的实施例中，被实施为圆盘的旋转部件10套在转向柱3上并且不可相对转动地与转向柱3连接以确定转向角。替代地，被实施为圆盘的旋转部件10可套在踏板转轴上并且不可相对转动地与踏板转轴连接以确定踏板位置。

在作为用于在汽车中检测转向角的装置的应用中，在大约1500°的角度范围内明确地检测方向盘的位置，精确到大约4°。为此目的，所述旋转12通过运动转换器20被转换成移动元件24的线性运动。通过被实施为盘形齿轮的旋转部件10的周长和与螺杆28连接的锥齿轮26的周长以及螺杆的螺纹螺距的关系产生移动元件24的线性运动进而产生可实现的分辨率。

如果被实施为盘形齿轮的旋转部件10具有第一半径r_主动并且旋转了角度Δα_主动，则具有半径r_从动的锥齿轮26旋转了角度Δα_从动，该角度按照公式(1)计算。

通过螺杆的螺纹螺距h_螺距，按照公式(2)得到移动元件24的线性位移Δd_移动元件。

还如由图1和图2可见，移动元件24在第一实施例中被制成由铁磁性或者顺磁性或者反磁性材料构成的线圈铁心24a。所述至少一个电感24被实施为具有至少一个线圈绕组32.1的线圈。通过被实施为盘形齿轮的旋转部件10的旋转(这通过运动转换器20和螺杆28的外螺纹28.1进行传递)，被实施为线圈铁心24a的移动元件24移入线圈的所述至少一个线圈绕组32.1中或者从线圈的所述至少一个线圈绕组32.1中移出，由此线圈的电感进而振荡电路的谐振频率发生变化。

所示的圆柱形线圈的电感近似由公式(3)得出：

在此，N表示匝数，l表示圆柱长度，A表示线圈直径，μ_r表示相对磁导率，以及μ₀表示真空磁导率。

被实施为线圈铁心24a的由具有高的相对磁导率的导磁性良好的材料构成的移动元件24的一部分以距离d伸进线圈中，该线圈被视为两个线圈的相互串联。如果移动元件24被进一步移入线圈中或者从线圈中拉出，则线圈的电感因此发生变化并且振荡电路30的谐振频率也因此发生变化。总电感按照公式(4.1)至(4.4)得出。

L_总＝L_{线圈_无铁心，1}+L_{线圈_带铁心，2}   (4.1)

在这里，N表示匝数，l表示整个线圈的圆柱长度，d表示移动元件的插入深度，A表示线圈直径，μ_r表示相对磁导率，以及μ₀表示真空磁导率。

基于移动元件24插入深度的变化的电感的相对变化可以由公式(5)确定。

振荡电路30具有谐振频率，该谐振频率由振荡电路30的电感32和电容34按照公式(6)得出。

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}}---\left(6\right)$

针对在振荡电路30中的电感32的变化，谐振频率按照公式(7)发生变化。

$\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{\mathrm{\ΔL}}=-\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{L^{3}C}}---\left(7\right)$

引起的谐振频率的相对变化可以由公式(8)确定。

在这里适用边界条件(9)，即，移动元件在角度测量范围内不会被移动超出线圈的范围。

在设计时必须注意该边界条件。通过测量谐振频率，可以确定旋转部件10的旋转位置。

为了进一步提高灵敏度，也可想到的是差动电感式测量装置。为了实现这种测量装置使用两个线圈，它们的电感通过被实施为线圈铁心24a的移动元件24的运动沿相反方向发生变化。这意味着，被实施为线圈铁心24a的移动元件24进一步插入一个线圈中，而该移动元件同时在另一个线圈处被移出。

还如由图3可见，移动元件24在第二实施例中被制成由合适材料构成的电介质24b。所述至少一个电容24被实施为具有第一、外侧电容器电极34.1和第二、内侧电容器电极34.2的圆柱形电容器，该电容器在所示实施例中相当于螺杆28。通过被实施为盘形齿轮的旋转部件的旋转(这通过运动转换器20和螺杆28的外螺纹28.1进行传递)，被实施为电介质24b的移动元件24移入两个电容器电极34.1、34.2中或者从两个电容器电极34.1、34.2中移出，由此电容器的电容进而振荡电路30的谐振频率发生变化。

被实施为电介质24b的由具有高的相对介电常数的材料构成的移动元件24的一部分以距离d伸进圆柱形电容器中，该圆柱形电容器可被视为两个电容器的并联。如果移动元件24被进一步移入或者拉出，则电容器的电容因此发生变化并且振荡电路30的谐振频率也因此发生变化。

圆柱形电容器的总电容由公式(10.1)至(10.4)得出。

C_总＝C_{电容器_无电介质，1}+C_{电容器_无电介质，2}   (10.1)

在这里，1表示整个电容器的圆柱形长度，d表示移动元件的插入深度，r_外表示外侧电极的半径，r_内表示内侧电极的半径，ε_r表示介电常数(电容率)以及ε₀表示电场常数。

圆柱形电容器的总电容的相对变化由公式(11)得出。

针对在振荡电路30中的电容34的变化，谐振频率按照公式(12)发生变化。

$\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{\mathrm{\ΔC}}=-\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{LC}}^3}}---\left(12\right)$

引起的谐振频率的相对变化可以由公式(13)确定。

在这里适用边界条件(14)，即，移动元件在角度测量范围内不会被移动超出电容器的范围。

在设计时必须注意该边界条件。通过测量谐振频率，可以确定旋转部件10的旋转位置。

为了进一步提高灵敏度，也可想到的是差动电感式测量装置。为了实现这种测量装置使用两个电容器，它们的电容通过被实施为电介质24b的移动元件24的运动沿相反方向发生变化。这意味着，被实施为电介质24b的移动元件24进一步插入一个电容器中，而该移动元件同时被从另一个电容器中移出。

所描述的实施例可以单独地或者组合地使用，这意味着，在一种未示出的实施例中，谐振振荡电路30的电容34和电感32都可以通过两个相互机械联接的移动元件24a、24b同时发生变化。但是，替代地，也可以使用两个单独的谐振振荡电路，其中，在第一谐振振荡电路中改变电感以及在第二谐振振荡电路中改变电容。在使用两个单独的谐振振荡电路的情况下，同时增加和降低谐振频率，这允许进行特别精确的差异评价。

在所示的实施例中，旋转部件10的旋转轴线和螺杆28的旋转轴线相互垂直。也可想到的是一种装置，在该装置中，旋转部件10的旋转轴线和螺杆28的旋转轴线相互平行而不是如所示相互垂直。

此外，运动转换器20的其它实施方式也是可设想的，以将旋转部件10的旋转运动转换成平移22。运动转换器20可以将旋转部件10的旋转例如转换成移动元件24的轴向平移。为此目的，旋转部件10可以被实施为带有设置在周边上的齿圈的齿轮，该齿圈与连接在螺杆28上的齿轮啮合。因此将旋转部件10的旋转12传递到螺杆28上，螺杆通过传递的旋转运动改变移动元件24在轴向上的位置。所确定的旋转部件10的旋转角的分辨率例如可以通过旋转部件10和与螺杆28连接的齿轮的传动比和/或通过螺杆螺纹的螺距预先规定。

替代地，运动转换器20可以将旋转部件10的旋转12转换成相对于旋转部件10的切向平移。在这种实施例中，运动转换器20具有可纵向运动且可旋转运动地被引导的传递螺杆，该传递螺杆的定位使得旋转部件10的第一齿圈与传递螺杆的螺纹啮合。因此，旋转部件10的旋转12可以被传递到传递螺杆上，传递螺杆改变其在其切向上的位置。在这里，移动元件24与传递螺杆连接或者被实施为传递螺杆的一部分。所确定的旋转部件10的旋转角的分辨率可以通过旋转部件10的第一齿圈的齿数和/或通过传递螺杆螺纹的螺距预先规定。作为其它替代方案，运动转换器20可以具有可纵向运动地被引导的齿条，该齿条的定位使得旋转部件10的第一齿圈与齿条的齿部区域啮合。因此可以将旋转部件10的旋转12传递到齿条上，齿条改变其在切向上的位置。在该实施例中，移动元件24也可以与齿条连接或者被实施为齿条的一部分。所确定的旋转部件10的旋转角的分辨率可以通过旋转部件10的第一齿圈的齿数和/或通过齿条的齿部区域的齿距预先规定。

本发明的实施方式提供一种用于检测例如汽车中的旋转部件上的旋转角的传感器装置，该传感器装置通过将旋转运动转化成机械位移变化即使在旋转部件旋转多圈的情况下也总是能提供明确的旋转位置。有利地，在电子装置失灵的情况下，旋转运动仍保留在已改变的机械位移位置中。基于机械位移变化，即使在点火系统关闭之后或者电池断开之后也可提供正确的绝对旋转角，其中，同时可实现特别可靠的操作或更确切地说可借助于频率测量实现对旋转角的特别可靠的识别。

Claims (10)

1.用于检测旋转部件上的旋转角的装置，该旋转部件与测量值传送器(5)联接，该测量值传送器包括运动转换器(20)和具有至少一个电感(32)和至少一个电容(34)的振荡电路(30)，所述运动转换器将所述旋转部件(10)的旋转(12)转换成平移(22)，所述振荡电路根据所述旋转部件(10)的旋转角改变其谐振频率，其中，评价和控制单元(36)确定所述振荡电路(30)的谐振频率并且提供表示所述旋转部件(10)的旋转角的输出信号，其特征在于，所述运动转换器(20)具有至少一个移动元件(24)，所述移动元件执行所述平移(22)并且基于所述平移设定所述振荡电路(30)的谐振频率。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一移动元件(24)被制成由铁磁性或者顺磁性或者反磁性材料构成的线圈铁心(24a)。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，至少一个电感(24)是具有至少一个线圈绕组(32.1)的线圈，其中，所述平移(22)将被实施为线圈铁心(24a)的所述第一移动元件(24)移入线圈的所述至少一个线圈绕组(32.1)中或者从线圈的所述至少一个线圈绕组(32.1)中拉出。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，第二移动元件(24)被制成电介质(24b)。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，至少一个电容(24)是具有第一电容器电极(34.1)和第二电容器电极(34.2)的电容器，其中，所述平移(22)将被实施为电介质(24b)的所述第二移动元件(24)移入两个电容器电极(34.1、34.2)之间或者从两个电容器电极(34.1、34.2)中拉出。

6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述旋转部件(10)具有至少一个第一啮合部(14)，所述第一啮合部将所述旋转(12)传递到所述运动转换器(20)上，其中，所述运动转换器(20)通过具有第二啮合部(26.1)的齿轮(26)将所述旋转(12)接收为相反旋转方向的旋转并且随后转换成所述平移(22)或者将所述旋转(12)直接转换成所述平移(22)。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，具有第二啮合部(26.1)的所述齿轮(26)与具有外螺纹(28.1)的螺杆(28)联接，具有内螺纹(24.1)的移动元件(24)旋在所述外螺纹上并且以能够轴向移动的方式被引导，使得该移动元件(24)以沿着所述螺杆(28)的直线运动的形式运动。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述运动转换器(20)是能够纵向运动且能够旋转运动地被引导的传递螺杆，所述传递螺杆的定位使得所述旋转部件(10)的第一齿圈(14)与所述传递螺杆的螺纹啮合并且使所述传递螺杆沿切向运动，其中，所述移动元件(24)与所述传递螺杆连接或者是所述传递螺杆的一部分。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述运动转换器(20)是能够纵向运动地被引导的齿条，所述齿条的定位使得所述旋转部件(10)的第一齿圈(14)与所述齿条的齿部区域啮合并且使所述齿条沿切向运动，其中，该移动元件(24)与所述齿条连接或者是所述齿条的一部分。

10.如权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所确定的所述旋转部件(10)的旋转角的分辨率通过所述旋转部件(10)和所述运动转换器(20)的传动比和/或通过所述移动元件(24)的内螺纹(24.1)和/或所述螺杆(28)的外螺纹(28.1)和/或所述传递螺杆的螺纹的螺距和/或通过所述齿条的齿部区域的齿距预先规定。

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