CN105992933B - 用于获取车辆中的旋转构件的旋转角度的传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于获取车辆中的旋转构件的旋转角度的传感器组件(1)，其中，旋转构件(3)与至少一个测量值发送器(20、30)联接，该测量值发送器与至少一个测量值接收器(15、17)结合产生至少一个角度信息以确定旋转构件(3)的旋转角度，其中，第一测量值发送器(20)和第一测量值接收器(15)形成第一角度传感器(5)，该第一角度传感器产生与所述旋转构件(3)的旋转运动有关的第一角度信息，其中，第二测量值发送器(30)和第二测量值接收器(17)形成第二角度传感器(7)，该第二角度传感器产生与旋转构件(3)的旋转运动有关的第二角度信息，并且由第一角度信息和第二角度信息可获得旋转构件(3)的实际旋转角度。根据本发明，第一角度传感器(5)和第二角度传感器(7)实施成电感式传感器，其中，测量值发送器(20、30)分别具有至少一个探测区域(22、24、26、28、32、34)并且测量值接收器(15、17)分别具有至少一个探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)，其中，相应的测量值发送器(20、30)的至少一个探测区域(22、24、26、28、32、34)影响测量值接收器(15、17)的至少一个对应的探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)的电感，从而至少一个探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)的电感由于旋转构件(3)的旋转运动周期性地改变并且可作为旋转构件(3)的旋转角度的度量进行评估。

Description

用于获取车辆中的旋转构件的旋转角度的传感器组件
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1的类型的用于获取车辆中的旋转构件的旋转角度的传感器组件。
背景技术
转向角传感器应测量方向盘多达六圈的回转，这相应于约2000°的角度范围。因此，除了角度测量之外，必须确保旋转周期节段的计数。从现有技术中已知如下的转向角传感器，其借助于两个齿轮来测量方向盘的多次回转的转向角度，所述齿轮经由较大的齿轮联接在转向拉杆处。在齿轮的中心布置有永磁体，并且借助于磁场传感器可确定齿轮的角度。两个齿轮具有略微不同的齿数，从而根据角度相对彼此的比也可确定齿轮的相应的回转。因此，可确定方向盘在多圈回转中的角度。对于该已知的实施方式来说需要两个齿轮，并且因此还需要两个磁场传感器用于确定实际的旋转角度。
例如在公开文献DE 10 2008 011 448 Α1中说明了一种用于获取旋转角度的组件。所说明的组件包括发送器和传感器，传感器根据旋转构件的旋转角度的改变探测由发送器产生的物理参数的改变，其作为可进行数字评估的信号。旋转构件具有至少一个联接在其周缘上、因为该旋转构件的旋转而转动的周长较小的行星齿轮，优选地，行星齿轮具有角度传感器，该角度传感器经由轴向联接的内摆线传动器驱动同样旋转的内摆线盘或内摆线齿轮，内摆线盘或内摆线齿轮的回转速度通过内摆线传动器进行减速，从而在转向轴的多次回转中利用回转传感器系统可由此测定旋转构件的回转圈数和绝对转向角度。
发明内容
相对于此，具有独立权利要求1所述特征的根据本发明的用于获取车辆中的旋转构件的旋转角度的传感器组件具有如下优点，即能够以高准确性简单又可靠地确定在多圈回转中的旋转构件的旋转角度。因此，本发明的实施方式优选地可用于测定车辆中的方向盘的转向角度。
本发明的实施方式提供了一种用于获取车辆中的旋转构件的旋转角度的传感器组件。在此，旋转构件与至少一个测量值发送器联接，该测量值发送器与至少一个测量值接收器结合产生至少一个角度信息以确定旋转构件的旋转角度。第一测量值发送器和第一测量值接收器形成第一角度传感器，该第一角度传感器产生与旋转构件的旋转运动有关的第一角度信息。第二测量值发送器和第二测量值接收器形成第二角度传感器，该第二角度传感器产生与旋转构件的旋转运动有关的第二角度信息。由第一角度信息和第二角度信息可获得旋转构件的实际旋转角度。根据本发明，第一角度传感器和第二角度传感器实施成电感式传感器，其中，测量值发送器分别具有至少一个探测区域，并且测量值接收器分别具有至少一个探测线圈。相应的测量值发送器的至少一个探测区域影响测量值接收器的至少一个对应的探测线圈的电感，从而至少一个探测线圈的电感由于旋转构件的旋转运动周期性地改变并且可作为旋转构件的旋转角度的度量进行评估。
电感式传感器优选地实施成涡流传感器。通常来说，利用涡流传感器可测量导体电路几何结构的电感。通常，金属导体在导体电路几何结构附近运动，该金属导体阻止电场的穿过，因此导体电路几何结构的电感改变。这时，利用导体电路几何结构构建振荡电路，因此其谐振频率与导体电路几何结构的电感有关、进而与金属导体在导体电路几何结构附近的位置有关。所以，通过评估导体电路几何结构的电感可确定金属导体的位置。
在本发明的实施方式中，在测量值接收器中的探测线圈的电感与被测量值发送器的相应探测区域的掩盖或者说覆盖的程度有关。可经由对具有探测线圈的振荡电路进行频率测量，或者通过在固定频率的情况下在振荡电路的阻抗的虚拟份额上直接的电感测量或通过与参考频率的混合来确定相应的探测线圈的电感。然后，该信号可根据探测线圈被探测区域覆盖的覆盖角度倒推计算出来。
通过在从属权利要求中阐述的措施和改进方案能够得到在独立权利要求1中给出的用于获取车辆中旋转构件的旋转角度的传感器组件的有利的改善方案。
特别有利的是，测量值发送器可分别实施成由旋转构件驱动的环形盘。至少一个探测区域可呈圆环区段的形式布置在环形盘的外边缘区域处并且基本上由导电材料或基本上由铁磁材料组成。不仅主要是导电的材料而且主要是铁磁的材料都影响探测线圈的电感并且实现测定期望的角度信息。在此，主要是导电的材料会通过涡流效应减少探测线圈的电感。主要是铁磁的材料则会提高探测线圈的电感。
在根据本发明的传感器组件的一个有利的设计方案中，第一测量值发送器可具有四个探测区域并且在外周缘处包括具有第一齿数的第一齿圈，该第一测量值发送器被推到旋转构件上并且与该旋转构件不可相对旋转地连接。此外，第二测量值发送器可具有两个探测区域并且在外周缘处包括具有第二齿数的第二齿圈，该第二齿圈与第一测量值发送器的第一齿圈啮合，其中，第一齿数和第二齿数具有预定的齿数比。这也具有如下优点，围绕旋转构件的环形盘也可用作测量值发送器。因此，在实行已知的游标测量原理(Noniusprinzip)的情况下可节约一个齿轮。与具有三个齿轮的实施方式相比，这种几何结构的实施方式还具有如下优点，可明显减少测量的滞后。在使用三个齿轮的情况下，这时产生的平均滞后为1°至2°。因此，由于温度效应和尺寸公差出现齿轮间隙。于是，这在方向变化的情况下导致滞后，该滞后又在温度和公差方面不利的条件下可高达3°。如果较大的齿轮与旋转构件固定连接，则可总是按照测量原理计算旋转构件的回转或旋转角度。在获知回转圈数时，此时可经由与旋转构件固定连接的第一测量值发送器计算旋转角度。因为不再出现齿轮间隙，所以可由此实现小得多的滞后。由此，也可获取驾驶员的最小的转向运动。这可有利地用于识别疲劳的驾驶员的某种“死区”、即不足的转向运动。在高速公路上，实际转向角度很小，并且在最不利的情况下转向角度的较大的滞后可导致错误识别到不足的转向运动，尽管实际上已进行了转向。长期下去，驾驶员则会不再认真对待发出的警报。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，第一测量值接收器的至少一个探测线圈和第二测量值接收器的至少一个探测线圈可呈圆环区段的形式布置在共同的电路基板上。由此可有利地节约布局面积，进而节约结构空间。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，第一测量值接收器例如可具有三个探测线圈并且可产生具有第一周期的第一角度信息。第二测量值接收器可具有三个探测线圈并且可产生具有第二周期的第二角度信息，其中，第一周期与第二周期的周期比可和第一齿数与第二齿数的齿数比成反比。三个探测线圈的信号分别在某种程度上冗余，从而从每一个信号曲线中都可确定第一角度信息或者第二角度信息。仅仅附加地从其他两个信号曲线评估信息，以确定上升或下降的曲线分支。因此，对于相应的测量值接收器的探测线圈的每个信号曲线来说都可确定角度信息，然后由该角度信息计算平均值并且继续使用平均值。由此，可有利地弥补测量值发送器的可能的倾斜并且进行计算。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，测量值接收器的探测线圈可分布地在电路基板中布置在多个位置中。由此可有利地提高探测线圈的有效的电感，进而简化信号评估。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，电路基板和测量值接收器可相对于彼此如此布置，即，第一测量值发送器以其外边缘区域至少部分地覆盖第一测量值接收器的至少一个探测线圈，并且第二测量值发送器以其外边缘区域至少部分地覆盖第二测量值接收器的至少一个探测线圈。
在根据本发明的传感器组件的另一有利的设计方案中，评估和控制单元可同时或者依预设的次序评估测量值接收器的探测线圈。此外，评估和控制单元可使用布置在电路基板上的参考线圈，用以与测量值接收器的探测线圈一起进行差分测量。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在接下来的说明中对其进行详细阐述。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。其中：
图1示出了根据本发明的传感器组件的实施例的示意图。
图2示出了测量值接收器的三个探测线圈的覆盖角度根据旋转构件的旋转角度的示意性的特性曲线图。
图3示出了图2中的测量值接收器的三个探测线圈的覆盖角度根据旋转构件的旋转角度的详细的特性曲线图以及由此产生的一个角度信息。
图4示出了另一测量值接收器的三个探测线圈的覆盖角度根据旋转构件的旋转角度的详细的特性曲线图以及由此产生的另一角度信息。
图5示出了图3和图4中的根据旋转构件的旋转角度的角度信息的示意性的特性曲线图。
具体实施方式
如从图1可见的那样，根据本发明的用于获取车辆中的旋转构件3的旋转角度的传感器组件1的示出的实施例包括至少一个与旋转构件3相联接的测量值发送器20、30，测量值发送器与至少一个测量值接收器15、17结合产生至少一个角度信息α1、α2以确定旋转构件3的旋转角度α。在此，第一测量值发送器20和第一测量值接收器15形成第一角度传感器5，该第一角度传感器产生与旋转构件3的旋转运动有关的第一角度信息α1。第二测量值发送器30和第二测量值接收器17形成第二角度传感器7，该第二角度传感器产生与旋转构件3的旋转运动有关的第二角度信息α2。由第一角度信息α1和第二角度信息α2可获得旋转构件3的实际旋转角度α。根据本发明，第一角度传感器5和第二角度传感器7实施成电感式传感器，其中，测量值发送器20、30分别具有至少一个探测区域22、24、26、28、32、34，并且测量值接收器15、17分别具有至少一个探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6。相应的测量值发送器20、30的至少一个探测区域22、24、26、28、32、34影响测量值接收器15、17的至少一个对应的探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6的电感，从而至少一个探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6的电感由于旋转构件3的旋转运动周期性地改变并且可作为旋转构件3的旋转角度α的度量进行评估。
例如可使用根据本发明的传感器组件1的实施方式作为用于确定车辆的转向角度的转向角传感器或者作为用于确定车辆中的踏板位置的旋转角度传感器。
如由图1进一步可见的那样，测量值发送器20、30分别实施成由旋转构件3驱动的环形盘。至少一个探测区域22、24、26、28、32、34呈圆环区段的形式布置在环形盘的外边缘区域处，并且在示出的实施例中基本上由导电材料构成。因此，探测区域22、24、26、28、32、34例如可实施成金属镶件。替代地，探测区域22、24、26、28、32、34可基本上由铁磁材料构成。
为了简化实施成环形盘的测量值发送器20、30的确定和旋转构件3的旋转运动到测量值发送器20、30上的传递，测量值发送器20、30在示出的实施例中实施成齿轮。所以，第一测量值发送器20在示出的实施例中具有四个探测区域22、24、26、28并且在外周缘处具有未详细示出的具有第一齿数的第一齿圈。第一测量值发送器20被推到旋转构件3上并且与该旋转构件不可相对旋转地连接。在作为转向角传感器的实施方案中，旋转构件3表示车辆的转向柱。第二测量值发送器30在示出的实施例中具有两个探测区域32、34，并且在外周缘处包括具有第二齿数的第二齿圈，该第二齿圈与第一测量值发送器20的第一齿圈啮合。在此，第一测量值发送器20具有比第二测量值发送器30更大的直径。因此，第一齿圈具有比第二齿圈更多的齿，其中，第一齿数和第二齿数具有预设的齿数比。为了以相近的周期产生两个测量值发送器20、30测量信号，较大的第一测量值发送器20具有比较小的第二测量值发送器30更多的探测区域。这使得较大的第一测量值发送器20的周期角度较小。
在示出的实施例中，第一齿圈具有69个齿，并且第一测量值发送器20的实施成圆环区段的四个探测区域22、24、26、28具有约45°的宽度并且均匀分布地布置在外边缘处。较小的第二齿圈具有33个齿，并且第二测量值发送器30的实施成圆环区段的两个探测区域32、34具有约90°的宽度并且彼此相对而置地布置在外边缘处。
如从图1进一步可见的那样，第一测量值接收器15的至少一个探测线圈L1、L2、L3和第二测量值接收器17的至少一个探测线圈L4、L5、L6呈圆环区段的形式布置在共同的电路基板9上。评估和控制单元10可同时或者依预设的次序评估测量值接收器15、17的探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6。此外，评估和控制单元10使用布置在电路基板9上的参考线圈LRef，用以与测量值接收器15、17的探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6一起进行差分测量。测量值接收器15、17的探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6以及参考线圈LRef可分布地在电路基板9中布置在多个位置，以提高电感和方便评估。出于可见性的原因，未示出在线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6、LRef与评估和控制单元10之间的电气连接。在示出的实施例中，第一测量值接收器15具有三个探测线圈L1、L2、L3并且产生具有第一周期的第一角度信息。第二测量值接收器17同样具有三个探测线圈L4、L5、L6并且产生具有第二周期的第二角度信息。参考线圈LRef和探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6都具有相似的大小。对于较大的第一测量值发送器20来说，第一测量值接收器15的三个探测线圈L1、L2、L3沿较大的第一测量值发送器20的半径分别具有45°的宽度和15°的间距。对于较小的第二测量值发送器30来说，第二测量值接收器17的三个探测线圈L4、L5、L6沿较小的第二测量值发送器30的半径具有90°的宽度和30°的间距。原则上，周期应几乎与齿数比或者半径比成反比。此处，围绕旋转构件3的第一测量值发送器20具有约双倍的齿数和一半的周期角度。
如从图1中还可见的那样，电路基板9和测量值接收器20相对于彼此如此布置，即，第一测量值发送器20以其外边缘区域至少部分地覆盖第一测量值接收器15的探测线圈L1、L2、L3，并且第二测量值发送器30以其外边缘区域至少部分地覆盖第二测量值接收器17的探测线圈L4、L5、L6。在示出的实施例中，电路基板9未完全包围旋转构件3，而是具有一个缺口，该缺口在约180°的角度上包围旋转构件3。因此，布置在缺口的边缘处的第一测量值接收器15同样仅在约180°的角度上覆盖第一测量值发送器20。与此相反，第二测量值接收器17完全地、即在360°的角度上覆盖第二测量值发送器30。
各个探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6的电感取决于相应的探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6由对应的测量值发送器20、30的探测区域22、24、26、28、32、34中的一个覆盖的覆盖角度 可由评估和控制单元10经由振荡电路(其包括相应的探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6)的频率测量，或者通过在固定频率的情况下在振荡电路的阻抗的虚拟份额上直接的电感测量或通过与参考频率的混合来确定电感。然后评估和控制单元10根据相应的探测线圈L1、L2、L3、L4、L5、L6的由探测区域22、24、26、28、32、34中的一个覆盖的覆盖角度倒推计算出获取的电感信号。
图2和图3分别示出了第二测量值接收器17的三个探测线圈L4、L5、L6的覆盖角度与旋转构件3的旋转角度α的相关性。从示出的三个覆盖角度的信号变化中，这时评估和控制单元10可确定较小的第二测量值发送器30直至180°的周期的第二角度信息α2。三个覆盖角度的信号变化在某种程度上冗余。从这些信号变化的每一个中，评估和控制单元10可确定第二角度信息α2，其中，评估和控制单元10仅附加地由其他的两个信号变化评估信息，以确定是否存在信号变化的上升分支或下降分支。因此，对于覆盖角度的每个信号变化来说，都可确定第二角度信息α2，其中，评估和控制单元10优选地计算出平均值并且使用计算得的平均值作为用于进一步的评估和计算的第二角度信息α2。由此，可弥补测量值发送器20、30的可能的倾斜并且进行计算。
图4示出了第一测量值接收器15的三个探测线圈L1、L2、L3的覆盖角度与旋转构件3的旋转角度α的相关性。类似于第二角度信息α2的计算，评估和控制单元10可从三个覆盖角度 的示出的信号变化中确定较大的第一测量值发送器20直至90°的周期的第一角度信息α1。
图5示出了图3和图4中的两个角度信息α1、α2与旋转构件的旋转角度α的相关性，从其中可确定旋转构件3的回转。将较大的第一测量值发送器20的第一角度信息α1乘以2，则可看出，两个角度信息α1、α2在转过2000°、约6次回转之后才重合。因此，能够以高准确性确定旋转构件3的实际旋转角度α。
根据本发明的用于获取车辆中的旋转构件3的旋转角度α的传感器组件1的实施方式具有如下的优点，即电路基板9不完全包围旋转构件3，进而可节约布局面积。为了可使在较小的第二测量值发送器30下方的面积保持得尽可能小，进而电路基板9也保持得尽可能小，在较大的第一测量值发送器20与较小的第二测量值发送器30之间的分配比可从2提高到3。

Claims (10)

1.一种用于获取车辆中的旋转构件的旋转角度的传感器组件，其中，所述旋转构件(3)与至少一个测量值发送器(20、30)联接，该测量值发送器与至少一个测量值接收器(15、17)结合产生至少一个角度信息(α1、α2)以确定所述旋转构件(3)的旋转角度(α)，其中，第一测量值发送器(20)和第一测量值接收器(15)形成第一角度传感器(5)，该第一角度传感器产生与所述旋转构件(3)的旋转运动有关的第一角度信息(α1)，其中，第二测量值发送器(30)和第二测量值接收器(17)形成第二角度传感器(7)，该第二角度传感器产生与所述旋转构件(3)的旋转运动有关的第二角度信息(α2)，并且由所述第一角度信息(α1)和所述第二角度信息(α2)能获得所述旋转构件(3)的实际旋转角度(α)，其中，所述第一角度传感器(5)和所述第二角度传感器(7)是电感式传感器，其中，所述测量值发送器(20、30)分别具有至少一个探测区域(22、24、26、28、32、34)并且所述测量值接收器(15、17)分别具有至少一个探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)，其中，相应的测量值发送器(20、30)的至少一个探测区域(22、24、26、28、32、34)影响所述测量值接收器(15、17)的至少一个对应的探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)的电感，从而所述至少一个探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)的电感由于所述旋转构件(3)的旋转运动周期性地改变并且能作为所述旋转构件(3)的旋转角度(α)的度量进行评估，其特征在于，所述电感式传感器是涡流传感器，其中所述至少一个探测区域(22、24、26、28、32、34)由导电材料组成，该导电材料影响所述测量值接收器(15、17)的至少一个对应的探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)的电感，从而所述至少一个探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)的电感由于所述旋转构件(3)的旋转运动周期性地改变并且能作为所述旋转构件(3)的旋转角度(α)的度量进行评估。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述测量值发送器(20、30)分别是由所述旋转构件(3)驱动的环形盘，其中，所述至少一个探测区域(22、24、26、28、32、34)呈圆环区段的形式布置在所述环形盘的外边缘区域处并且基本上由导电材料组成。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，所述第一测量值发送器(20)具有四个探测区域(22、24、26、28)并且在外周缘处包括具有第一齿数的第一齿圈，该第一测量值发送器被推到所述旋转构件(3)上并且与该旋转构件不能相对旋转地连接。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，所述第二测量值发送器(30)具有两个探测区域(32、34)并且在外周缘处包括具有第二齿数的第二齿圈，该第二齿圈与所述第一测量值发送器(20)的第一齿圈啮合，其中，所述第一齿数和所述第二齿数具有预定的齿数比。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器组件，其特征在于，所述第一测量值接收器(15)的至少一个探测线圈(L1、L2、L3)和所述第二测量值接收器(17)的至少一个探测线圈(L4、L5、L6)呈圆环区段的形式布置在共同的电路基板(9)上。
6.根据权利要求4所述的传感器组件，其特征在于，所述第一测量值接收器(15)具有三个探测线圈(L1、L2、L3)并且产生具有第一周期的第一角度信息，其中，所述第二测量值接收器(17)具有三个探测线圈(L4、L5、L6)并且产生具有第二周期的第二角度信息，其中，所述第一周期与所述第二周期的周期比和所述第一齿数与所述第二齿数的齿数比成反比。
7.根据权利要求5所述的传感器组件，其特征在于，所述测量值接收器(15、17)的探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)分布地在所述电路基板(9)中布置在多个位置中。
8.根据权利要求5所述的传感器组件，其特征在于，所述电路基板(9)和所述测量值接收器相对于彼此布置成，所述第一测量值发送器(20)的外边缘区域至少部分地覆盖所述第一测量值接收器(15)的至少一个探测线圈(L1、L2、L3)并且所述第二测量值发送器(30)的外边缘区域至少部分地覆盖所述第二测量值接收器(17)的至少一个探测线圈(L4、L5、L6)。
9.根据权利要求5所述的传感器组件，其特征在于，评估和控制单元(10)同时或者依预设的次序评估所述测量值接收器(15、17)的探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)。
10.根据权利要求9所述的传感器组件，其特征在于，所述评估和控制单元(10)使用布置在所述电路基板(9)上的参考线圈(LRef)，用以与所述测量值接收器(15、17)的探测线圈(L1、L2、L3、L4、L5、L6)一起进行差分测量。
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