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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung einer physikalischen Eigenschaft eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Elektrische und mechanische Sensoren aller Art dienen dazu, die für die Regelung in einem System notwendigen Größen zu erfassen und an eine entsprechende Steuereinheit weiterzuleiten. In einem Kraftfahrzeug sind typischerweise über 100 Sensoren unterschiedlichster Art eingebaut. Ein Großteil derartiger Sensoren ist mit einem Draht angebunden. Über diese Verbindung werden in den meisten Fällen sowohl die Versorgungsspannung zur Versorgung des Sensors, wie auch die Kommunikation des Sensors mit der Steuereinheit bewerkstelligt.
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Es gibt jedoch Fälle, in denen eine drahtgebundene Anbindung entweder gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu realisieren ist. Hier sei beispielhaft auf Reifendrucksensoren hingewiesen. In derartigen Fällen kann es von großem Vorteil sein, einen Sensor drahtlos zu versorgen und mit diesem auch drahtlos zu kommunizieren. Bei den erwähnten Reifendrucksensoren existieren bereits Konzepte, welche diese Möglichkeit bieten. Hierbei wird die Energie, die zur Versorgung des Sensors notwendig ist, über die Verformung des Reifens beim Fahren gewonnen. Bei zahlreichen Sensoren ist eine derartige Energiegewinnung jedoch nicht möglich, da der Sensor an einem Bauteil befestigt ist, welches keine derartige Energiegewinnung zur Verfügung stellt. Hier sei beispielsweise auf Lenkwinkelsensoren hingewiesen, welche an einer Lenksäule befestigt sind. Sensoranordnungen zur Erfassung eines Drehmoments an einer Lenksäule sind bekannt.
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Hier kann die Übertragung von erfassten Messwerten bzw. Datenkommunikation beispielsweise drahtlos an einen Empfänger erfolgen. Mit der Versorgung eines derartigen Sensors beschäftigt sich dieses Dokument nicht.
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Aufgabe der Erfindung
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Es stellt sich somit die Aufgabe, eine möglichst einfache Anbindung eines Sensors sowohl an eine Steuereinrichtung als auch an eine Versorgungsspannung zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist es nun möglich, einen Sensor, beispielsweise zur Erfassung eines Drehmoments an einer Lenksäule, vollständig drahtlos an eine Steuereinrichtung und eine Spannungsversorgung anzubinden. Der Sensor kann somit in besonders einfacher Weise an einem beweglichen ersten Bauteil, beispielsweise einer Lenksäule, befestigt werden, ohne dass eine Verdrahtung in die konstruktiven Überlegungen einbezogen werden muss.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugt ist auf dem zweiten Bauteil, bezüglich dessen das erste Bauteil beweglich ist, eine erste Spule bzw. Primärspule, und auf dem ersten Bauteil, welches beweglich ist, eine zweite Spule bzw. Sekundärspule vorgesehen, wobei die Spulen derart zueinander angeordnet sind, dass die Datenkommunikation und die Energieversorgung über eine induktive Koppelung der ersten und zweiten Spule erfolgen kann. Hiermit kann die Anzahl der Komponenten, welche zur Spannungsversorgung und zur Datenkommunikation benötigt werden, minimiert werden, da die Spannungsversorgung und die Datenkommunikation über denselben Weg bewerkstelligt wird. Als zweites Bauteil kann irgendein Bauteil einer Fahrzeugkarosserie angesehen werden, bezüglich dessen z. B. eine Lenksäule drehbar ist.
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Zweckmäßigerweise sind die erste Spule und die zweiten Spule konzentrisch zueinander ausgebildet. Hiermit ist eine besonders effektive induktive Koppelung zur Verfügung gestellt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauteil als drehbare Welle, insbesondere Lenksäule ausgebildet. Die Anwendung der Erfindung auf derartige Lenksäulen, beispielsweise zur Erfassung des Drehmoments einer Lenksäule, erweist sich als konstruktiv besonders günstig.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist die Energieversorgung der zweiten Spule über die Höhe eines Stroms oder einer Spannung, welcher bzw. welche auf die erste Spule gegeben und induktiv auf die zweite Spule übertragen wird, und/oder über eine jeweilige Windungszahl von erster und/oder zweiter Spule steuerbar. Mit diesen sehr einfachen konstruktiven Maßnahmen, allein oder in Kombination, kann die notwendige Energieübertragung unter Gewährleistung ausreichender Stärke der Kommunikationssignale in einfacher Weise eingestellt oder an konkrete Gegebenheiten angepasst werden. Dabei können die Frequenzen für die Versorgung und Kommunikation so definiert werde, dass diese sich gegenseitig nicht stören. Weiter können dadurch die Anforderungen an Robustheit und EMV berücksichtigt werden.
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Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, die Datenkommunikation durch Übertragen von digitalen Signalen zwischen den Spulen zu bewerkstelligen. Es ist alternativ auch denkbar, für die Datenkommunikation analoge Signale zu verwenden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung der Position oder des Drehmoments einer Welle (beispielsweise einer Eingangswelle oder Ausgangswelle einer Lenksäule),
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2 eine Schnittansicht der Welle gemäß 1 mit zugeordneten Spulen,
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3 eine schematische Darstellung der elektronischen Komponenten zur Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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4 eine schematische Darstellung der elektronischen Komponenten zur Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, und
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5 eine schematische Darstellung der elektronischen Komponenten zur Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Eine Welle, an welcher die erfindungsgemäße Sensoranordnung einsetzbar ist, ist in 1 schematisch dargestellt und mit 1 bezeichnet. Eine Welle stellt somit ein erstes Bauteil im Sinne der Ansprüche dar. Ein zweites Bauteil im Sinne der Ansprüche kann jedes beliebige Bauteil einer Fahrzeugkarosserie sein, bezüglich dessen die Welle drehbar ist. Ein zweites Bauteil ist in 1 schematisch dargestellt und mit 50 bezeichnet. Ein Sensor, mit dem beispielsweise ein auf die Welle wirkendes Drehmoment oder die angulare Position der Welle erfassbar ist, ist mit 2 bezeichnet. Es ist beispielsweise möglich, mittels des Sensors 2 ein einem Torsionswert entsprechendes Signal als Widerstandswert oder Spannungswert zu erfassen. Das erfasste Signal wird über einer Sekundärseitenelektronik 3 als analoges oder digitales Spannungssignal an eine Sekundärspule 4 übertragen, welche um den Umfang der Welle 1 verlaufend angeordnet ist.
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Der Sensor 2 ist mit der Sekundärseitenelektronik 3 über Leitungen 10 verbunden. Die Übertragung der von den Sensor 2 erfassten Signale auf die Sekundärseitenelektronik 3 erfolgt über diese Leitungen 10.
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Konzentrisch um die Sekundärspule 4 ist eine Primärspule 5 angeordnet, welche bezüglich der drehbaren Welle 1 bzw. der auf dieser angeordneten Sekundärspule 4 fest angeordnet ist. Zwischen Sekundärspule 4 und Primärspule 5 ist ein Luftspalt 20 vorgesehen.
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Ein von dem Sensor 2 über die Sekundärseitenelektronik 3 auf die Sekundärspule 4 gegebenes und ggf. wenigstens teilweise verarbeitetes Signal ist über induktive Kopplung auf die Primärspule 5 übertragbar, von wo es auf eine Primärseitenelektronik 6 gegeben wird. Diese Primärseitenelektronik 6 kann beispielsweise eine Auswerteeinheit für die Auswertung der erfassten Signale des Sensors 2 umfassen. Die Primärseitenelektronik 6 wird mittels einer Batterie 7 bzw. einem Steuergerät mit einer Versorgungsspannung gespeist.
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Die Sekundärspule 4 ist über Leitungen 11 mit der Sekundärseitenelektronik 3 verbunden. Die Übertragung der Signale von der Sekundärseitenelektronik 3 auf die Sekundärspule 4 erfolgt über diese Leitungen 11.
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Die Primärseitenelektronik 6 ist über Leitungen 12 mit der Primärspule 5 verbunden. Die Übertragung der von der Sekundärspule 4 auf die Primärspule 5 mittels induktiver Kopplung übertragenen Signale auf die Primärseitenelektronik 6 erfolgt über die Leitungen 12.
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Die von der Batterie 7 bereitgestellte Versorgungsspannung für die Primärseitenelektronik ist, über die erwähnten Leitungen 12, 11, 10, über welche Sensorsignale auf die Primärseitenelektronik übertragen werden, auf die Sekundärseitenelektronik 3 und den Sensor 2, welche beide eine Spannungsversorgung benötigen, übertragbar. Hierzu wird die von der Batterie 7 bereitgestellte Versorgungsspannung, welche gegebenenfalls von der Primärseitenelektronik 6 modifiziert sein kann, über die Leitung 12 auf die Primärspule 5 gegeben. Ebenfalls über induktive Kopplung kann diese Versorgungsspannung auf die konzentrisch innerhalb der Primärspule 5 vorgesehene Sekundärspule 4 übertragen werden. Die von der Sekundärspule 4 so erhaltene Versorgungsspannung ist zunächst über die Leitungen 11 auf die Sekundärseitenelektronik, und anschließend über die Leitungen 10 auf den Sensor 2 übertragbar.
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Die konzentrische Anordnung der Sekundärspule 4 innerhalb der Primärspule 5 ist insbesondere in 2 deutlich erkennbar. Man erkennt auch hier die auf der Welle 1 angeordnete Sekundärspule 4. Diese ist, durch den Luftspalt 20 getrennt, konzentrisch innerhalb der Primärspule 5 angeordnet.
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Die eigentliche Signalübertragung vom Sensor 2 zu der Primärseitenelektronik 6, welche, wie erwähnt, eine Auswerteeinheit umfassen kann, ist auf mehrere Arten möglich, von denen im Folgenden einige beispielhaft in Kürze und schematisch vereinfacht dargestellt werden sollen.
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Eine erste Ausführungsform ist in 3 dargestellt.
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Gemäß der in 3 dargestellten Signalübertragung kann ein analoges Spannungssignal, welches vom Sensor 1 bereitgestellt wird, an den Eingang eines Komparators 30 gegeben werden. Die Verschiebung des Schaltpegels in dem Komparator 30 führt zu einer Zeitverschiebung zwischen den Schaltwellen am Komparatorausgang. Es entsteht so ein digitales Signal, dessen Duty-Cycle bzw. Tastverhältnis von der Größe des ursprünglichen Sensorsignals abhängig ist. Dieses digitale Signal wird, in der oben beschriebenen Weise, auf die Sekundärspule 4 gegeben, mittels induktiver Kopplung auf die Primärspule 5 übertragen, und anschließend in der Primärseitenelektronik 6 verarbeitet. Mittels der erfindungsgemäßen induktiven Kopplung wird somit ein digitales Signal zwischen den beiden Spulen 4, 5 übertragen. Ein Verstärker, welcher beispielsweise zur Verstärkung des Sensorsignals dienen kann, sowie spezielle Schaltungen, beispielsweise ASICS, sind in der 3 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt.
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Eine weitere Ausführungsform zur Gewährleistung einer vorteilhaften Signalübertragung im Rahmen der Erfindung ist in 4 dargestellt. Hier wird ein vom Sensor 1 erfasstes Signal als analoge Spannung auf einen Verstärker 31 gegeben. Dem Verstärker nachgeschaltet ist ein A-D-Wandler, der das verstärkte analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Der A-D-Wandler ist mit 32 bezeichnet. Wird das Ausgangssignal des A-D-Wandlers an einen diskreten Schalter angelegt, beispielsweise ein N-MOSFET 33, kann mittels des hierdurch bereitgestellten Widerstandes die Stromhöhe des Signals bzw. der Schaltwelle am Schalterausgang einfach eingestellt werden. Diese Stromänderung wird anschließend mittels Gegenkopplung der Spulen 4, 5 auf die Primärseitenelektronik 6 übertragen. Es erweist sich in diesem Zusammenhang als zweckmäßig, sekundärseitig einen Datensignalgenerator 35, und primärseitig einen Trägersignal-Generator 36 vorzusehen. Dafür gibt es bereits Lösungen, wie zum Beispiel die LockIn Verstärker. Ein Trägersignal kann auch durch ein Bauteil realisiert werden, das ein Sinussignal mit einer bestimmten Frequenz zur Verfügung stellt. Solche Bauteile sind bereits weit verbreitet. Eine Demodulation kann in einfachster Weise z. B. durch einen Bandpass erfolgen, oder durch ein entsprechendes Bauelement, der bzw. das bezüglich der Signalfrequenz eingestellt bzw. eingerichtet ist. Ferner können weitere primärseitige Komponenten, z. B. ASICS 38, vorgesehen sein.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Gewährleistung einer zuverlässigen Signalübertragung ist in 5 dargstellt. Die hier dargestellte Signalübertragung ist als Frequenzmodulation ausgeführt. Hierzu wird ein von dem Sensor bereitgestelltes analoges Spannungssignal auf einem Rechteckgenerator 45 gegeben. In einem hieran sich anschließenden Schaltblock 47 erfolgt die Frequenzmodulation. Das durch den Schaltblock 47 bereitgestellte Signal, welches sowohl als analoges als auch als digitales Signal bereitgestellt werden kann, wird mittels induktiver Kopplung von der Spule 4 auf die Spule 5 übertragen, und anschließend in einer primärseitigen Auswerteeinheit bzw. Primärseitenelektronik 6 verarbeitet werden. Die primärseitige Verarbeitung umfasst eine der Frequenzmodulation entsprechende Frequenzdemodulation. Wird sekundärseitig ein Baustein mit einer digitalen Schnittstelle verwendet, so kann dies entweder direkt als Schaltsignal durch die Kopplung der Spulen 4, 5 übertragen werden. Es ist alternativ möglich, einen Digital-Analog-Wandler zu verwenden, der eine analoge Spannung, die proportional zum Sensorsignal ist, zur Verfügung stellt.
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Auch in der Ausführungsform gemäß 5 ist primärseitig ein Trägersignal-Generator 36 vorgesehen. Es können ferner weitere primärseitige Komponenten, z. B. ASICS 38, vorgesehen sein.
