DE102004027954B4

DE102004027954B4 - Induktiver Winkelmesser, insbesondere für die Messung von Torsionswinkeln

Info

Publication number: DE102004027954B4
Application number: DE102004027954.3A
Authority: DE
Inventors: Henning Irle; Norbert Kost; Franz-Josef Schmidt; Dirk Hobein
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: DE102004027954A1

Abstract

Induktiver Winkelsensor, insbesondere für die Messung von Torsionswinkeln, zum Beispiel an Lenksäulen:- mit einem Stator (1), der zumindest ein Erregerelement (4) und zumindest ein erstes Empfangselement (4) umfasst,- mit einem ersten Rotor (2), der zumindest ein zweites Empfangselement (6) und elektronische Elemente (7) zur Auswertung der von dem zweiten Empfangselement (6) gelieferten Signale umfasst,- mit einem zweiten Rotor (3), der zumindest ein induktives Koppelelement (10) umfasst, wobei das zweite Empfangselement (6) mit dem Koppelelement (10) zusammenwirkt und- mit einem Torsionselement (9) auf dem der erste Rotor (2) und der zweite Rotor (3) beabstandet voneinander angeordnet sind.

Description

STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft einen induktiven Winkelsensor, insbesondere für die Messung von Torsionswinkeln zum Beispiel an Lenksäulen in Kraftfahrzeugen.
Aus dem Stand der Technik, zum Beispiel aus der Druckschrift mit der Veröffentlichungsnummer DE 197 38 893 A1 sind induktive Winkelsensoren bekannt. Derartige induktive Winkelsensoren weisen Erregerspulen und mehrere um einen vorgegebenen Winkelbetrag gegeneinander versetzt angeordnete Empfangsspulen auf. Die Erregerspule und die Empfangsspulen sind dazu auf einem Stator angeordnet. Ein Rotor, dessen Drehwinkel in Bezug auf den Stator durch den Winkelsensor zu erfassen ist, umfasst ein induktives Koppelelement, und koppelt Signale in die Empfangsspulen des Stators ein, die von dem Drehwinkel des Rotors abhängen. Die Empfangsspulen liefern dann Ausgangssignale, die ausgewertet werden können, um die Winkelposition des Rotors im Bezug auf den Stator zu ermitteln.
Ein solcher Winkelsensor kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Torsion eines Stabes zu messen. Dazu wird der Rotor beabstandet zu dem Stator auf dem Stab drehfest befestigt. Die Verdrehung des Stabs kann dann erfasst werden. Problematisch ist eine Erfassung des Torsionswinkels jedoch dann, wenn der Stab nicht nur in sich verdreht, sondern auch gegenüber der Umgebung gedreht wird. Dieses ist üblicherweise bei einer Lenksäule der Fall. Problematisch bei der Verwendung des Winkelsensors an einem sich drehenden Torsionsstab ist, dass der Stator nicht gegenüber anderen elektrischen Einheiten, mit denen er verbunden ist, und die er mit den Sensorsignalen versorgen soll, ruht. Der Stator dreht sich vielmehr gegenüber den Einheiten, welche Schwierigkeiten für die elektrische Versorgung des Winkelsensors und mit der Übermittelung der Sensorsignale nach sich zieht. Eine Möglichkeit der Verbindung des Winkelsensors und insbesondere des Stators des Winkelsensors ist, den Stator über ein Flachbandkabel, welches in verschiedene Richtungen mehrfach auf- und abgewickelt werden kann, anzuschließen. Die Verbindung bei einem Flachbandkabel zieht jedoch immer wieder Probleme mit Kabelbrüchen nach sich. Die Zuverlässigkeit des Anschlusses beim Flachbandkabel ist nicht immer gegeben.
Abhilfe kann der Winkelsensor schaffen, der aus der Druckschrift DE 37 07 831 A1 bekannt ist. Der aus dieser Druckschrift bekannte, komplex aufgebaute Winkelsensor macht es möglich, die Torsionswinkel zu erfassen, wobei die Rotoren des Winkelsensors gegenüber dem Stator frei gedreht werden können. Nachteilig ist der komplexe Aufbau, der auch eine Messbrücke umfasst.
Weitere Winkelsensoren sind aus den Druckschriften DE 199 41 464 A1 und DE 101 13 997 A1 bekannt.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Winkelsensor vorzuschlagen, der für die Messung von Torsionswinkeln geeignet ist, wobei das tordierende Element rotieren kann und die Konstruktion einfacher ist als die aus der Druckschrift DE 37 07 831 A1 bekannte.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Winkelsensor nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und Konkretisierungen eines solchen Winkelsensors finden sich in den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßer Winkelsensor weist demgemäß einen Stator mit zumindest einem Erregerelement und einem ersten Empfangselement auf. Er umfasst ferner einen ersten Rotor und neben diesem ersten Rotor einen zweiten Rotor, der zumindest ein induktives Koppelelement umfasst. Der erste Rotor und der zweite Rotor sind auf einem Torsionselement beabstandet voneinander angeordnet. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind nur die beiden Rotoren auf dem Torsionselement angeordnet, während der Stator ortsfest ist. Damit bereitet die elektrische Anbindung des Stators keine Probleme.
Der erste Rotor eines erfindungsgemäßen Winkelsensors umfasst zumindest ein zweites Empfangselement. Dieses zweite Empfangselement wirkt mit dem Koppelelement des zweiten Rotors zusammen. Es ist dadurch möglich, dass die Verdrehung des ersten Rotors relativ zum zweiten Rotor über das Zusammenspiel von Koppelelement und Empfangselement und Erregerelement des Stators ermittelt wird. Der erste Rotor weist elektronische Elemente auf. Diese elektronischen Elemente dienen der Auswertung von dem zweiten Empfangselement gelieferter Signale.
Ein erfindungsgemäßer Winkelsensor kann ferner Elemente zur vorteilhaft drahtlosen und berührungsfreien Übertragung einer Versorgungsspannung vom Stator zum ersten Rotor aufweisen. Damit können elektronische Elemente, die auf dem ersten Rotor angeordnet sind, mit elektrischer Energie versorgt werden.
Der erste Rotor umfasst vorteilhaft zumindest ein Sendeelement für eine berührungsfreie Übertragung der von den elektronischen Elementen zur Auswertung erzeugten Signale. Das Sendeelement kann dann die von den elektronischen Elementen erzeugten Signale zum Stator übertragen.
Das Sendeelement auf dem ersten Rotor kann vorteilhaft zumindest eine Spule umfassen. Ebenso können die Empfangselemente des Stators und des ersten Rotors Spulen sein. Auch das Erregerelement des Stators kann eine Spule sein. Die Spule kann zugleich das Empfangselement des Stators bilden. Der erste Rotor kann zwischen dem Stator und dem zweiten Rotor angeordnet sein. Insbesondere bei einem sehr dünn ausgeführten zweiten Rotor kann der zweite Rotor auch zwischen dem Stator und dem ersten Rotor angeordnet sein. Ferner kann der induktive Winkelsensor so eingerichtet sein, dass auch der Drehwinkel zwischen dem ersten Rotor und dem Stator erfasst wird, wobei dazu die schon vorhandenen Erregerelemente, Empfangselemente und Spulen genutzt werden können.
Figurenliste
Ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen induktiven Winkelsensor ist anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt

1 den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Winkelsensors.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Winkelsensor kann dazu benutzt werden, um die Torsion eines Torsionselementes, welches durch einen Torsionsstab 9 gebildet wird, zu messen. Dazu sind auf dem Torsionsstab 9 beabstandet voneinander und drehfest ein erster Rotor 2 und ein zweiter Rotor 3 befestigt. Mittels des Sensors kann der Torsionswinkel zwischen den Befestigungsorten des ersten Rotors 2 und des zweiten Rotors 3 bestimmt werden. Ferner umfasst der Winkelsensor neben dem ersten Rotor 2, dem zweiten Rotor 3 und dem Torsionsstab 9 einen Stator 1. Durch diesen Stator 1 ist der Torsionsstab hindurchgeführt. Der Torsionsstab 9 kann sich dabei gegenüber dem Stator 1 frei drehen.
Der erfindungsgemäße Winkelsensor kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, um die durch einen Fahrzeugführer aufgebrachte und auf die Lenkung einwirkende Kraft zu bestimmen. Dazu ist der Torsionsstab 9 in der Lenksäule der Lenkung angeordnet. Durch ein Verdrehen des Lenkrads übt der Fahrzeugführer eine Kraft auf den Torsionsstab aus, der zu einer Torsion des Torsionsstabs führt. Die Torsion des Torsionsstabs wird mittels des Winkelsensors erfasst und an ein Steuergerät für eine Servolenkung als Eingangsgröße weitergegeben. Aufgrund der Eingangsgröße ermittelt das Steuergerät anschließend die Kraft, welche auf die Räder einwirken muss, um den gewünschten Einschlag an den Rädern zu erreichen. Während der erste Rotor 2 und der zweite Rotor 3 dabei drehfest an dem Torsionsstab 9 und damit an der Lenksäule befestigt sind, ist der Stator 1 drehfest zur Karosserie angebracht.
Der Stator 1 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher eine Spule 4 angebracht ist, die ein Erregerelement, ein Übertragungselement für eine Versorgungsspannung und ein Empfangselement bildet. Der Stator 1 umfasst ferner einen ASIC 8, der ein elektronisches Element zur Verarbeitung und Auswertung von Sensorsignalen bildet.
Der erste Rotor 2 umfasst ebenfalls eine Leiterplatte, auf welcher zwei Spulen 5, 6 und ein als elektronisches Element dienender ASIC 7 angeordnet sind. Von den beiden Spulen dient die eine Spule 5 als Sendeelement und Empfangselement, während die andere Spule 6 als Empfangselement dient. Das ASIC 7 ist mit der einen Spule 5 verbunden und koppelt das zu sendende Signal in die Spule 5 ein. Das von der Spule 5 gesendete Signal 5 wird von der Spule 4 des Stators 1 empfangen. Das ASIC 7 wird von einer elektrischen Spannung versorgt, die mittels der Spule 4 des Stators 1, auf den ersten Rotor 2 übertragen wird. Die dazu von dem Stator 1 mittels der Spule 4 übertragene elektrische Energie wird über die Spule 5 in das ASIC eingekoppelt.
Der zweite Rotor 3 umfasst ebenfalls eine Leiterplatte, die drehfest mit dem Torsionsstab 9 verbunden ist. Auf der Leiterplatte ist im Wesentlichen eine Leiterschleife 10 angebracht. In diese Leiterschleife wird durch den Strom durch die Spule 4 des Stators 1 eine Spannung induziert, wodurch es zu einem Stromfluss in der Leiterschleife 10 kommt. Dieser Stromfluss führt zu einem elektromagnetischen Feld, welches von der als Empfangselement wirkende Spule 6 des ersten Rotors 2 aufgenommen wird. Das aus dem von der Spule 6 aufgenommene Signal wird dem ASIC 7 zugeführt, in dem die aus dem Signal gewonnene Information ausgewertet wird. Diese Information wird dann über die Spule 5 an den Stator 1 gesendet. In dem Stator 1 wird die gewonnene Information von der als Empfangselement wirkenden Spule 4 aufgenommen und dem ASIC 8 zugeführt.
Die Leiterschleife 10 des zweiten Rotors 3 ist mäanderförmig ausgeführt, wie es aus den aus dem Stand der Technik bekannten induktiven Winkelsensoren bekannt ist.
Der erste Rotor eines erfindungsgemäßen Winkelsensors hat mehrere Funktionen. Zum einen erfasst er die Drehwinkeldifferenz zwischen dem ersten Rotor 2 und dem zweiten Rotor 3. Diese Winkeldifferenz kann er wie ein Stator bei herkömmlichen Winkelsensoren mit dem Empfangselement erfassen, das durch die Spule 6 gebildet wird. Das erfasste Signal wird auf dem ersten Rotor 2 mittels des ASICS 7 aufbereitet und über die andere Spule 5 an den Stator gesendet. Der erste Rotor hat damit zum einen eine Empfangsfunktion, eine Verarbeitungsfunktion und eine Sendefunktion.

Claims

Induktiver Winkelsensor, insbesondere für die Messung von Torsionswinkeln, zum Beispiel an Lenksäulen: - mit einem Stator (1), der zumindest ein Erregerelement (4) und zumindest ein erstes Empfangselement (4) umfasst, - mit einem ersten Rotor (2), der zumindest ein zweites Empfangselement (6) und elektronische Elemente (7) zur Auswertung der von dem zweiten Empfangselement (6) gelieferten Signale umfasst, - mit einem zweiten Rotor (3), der zumindest ein induktives Koppelelement (10) umfasst, wobei das zweite Empfangselement (6) mit dem Koppelelement (10) zusammenwirkt und - mit einem Torsionselement (9) auf dem der erste Rotor (2) und der zweite Rotor (3) beabstandet voneinander angeordnet sind.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor Elemente (4) zur vorteilhaft drahtlosen und berührungsfreien Übertragung einer Versorgungsspannung vom Stator (1) zum ersten Rotor (2) umfasst.
Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rotor (2) zumindest ein Sendeelement (5) für eine berührungsfreie Übertragung der von dem elektronischen Element (7) des ersten Rotors (2) erzeugten Signalen zum Stator (1) umfasst.
Winkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelement (5) auf dem ersten Rotor (2) zumindest eine Spule (5) umfasst.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselemente Spulen (6) umfassen.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerelemente Spulen (4) umfassen.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (9) ein Torsionsstab (9) ist.