DE102011005066A1

DE102011005066A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102011005066A1
Application number: DE102011005066A
Authority: DE
Inventors: Ronny Ludwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-03-04
Also published as: FR2972251B1; CN102654385B; CN102654385A; US8988068B2; DE102011005066B4; US20120223703A1; FR2972251A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (2) zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle (4), die mindestens einen an der Welle (4) angeordneten Arretierungsring (12) aufweist, wobei sich ein Radius einer Außenfläche (40) des mindestens einen Arretierungsrings (12) mit einer Periode von n φ/360° ändert, und wobei die Sensoranordnung (2) mindestens einen ersten ortsfest installierten Magnetsensor (30) aufweist, der dem mindestens einen Aretierungsring (12) zugeordnet ist und bei einer Drehung der Welle (4) ein von dem mindestens einen Arretierungsring (12) beeinflusstes Magnetfeld erfasst, wobei n eine ganze Zahl ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels.
Stand der Technik
Im Bereich der Drehmoment- und Drehwinkelsensoren kommen heutzutage häufig magnetische Messprinzipien zum Einsatz. Bei derartigen Drehmomentsenoren wird üblicherweise ein sich bei einer Drehbewegung änderndes magnetisches Feld mit Hall-Sensoren erkannt und ein ermitteltes Signal in ein Drehwinkel- oder Drehmomentsignal umgerechnet.
Nach dem Stand der Technik werden zur Realisierung eines Drehmomentsensors eine Magneteinheit (MU = ”Magnet Unit”) und ein Träger von magnetflussleitenden Ringen (FTU = ”Flux Tube Unit”) auf zwei Wellen montiert, die über einen Drehstab (Torsionsstab) miteinander verbunden sind. Eine Sensoreinheit (SU = ”Sensor Unit”) ist über einen Stecker oder eine umlaufende Steckverbindung an einem umgebenden Gehäuse befestigt. Hierbei ist eine Integration einer eindeutigen Lenkwinkelmessung ohne Umdrehungszähler nicht möglich.
Aus den Druckschriften EP 2 078 930 A1 und EP 2 080 991 A1 sind jeweils Drehwinkelsensoren bekannt, mit denen es möglich ist, eine Drehung einer Welle relativ zu einem Stator zu bestimmen. Dabei umfasst der Drehwinkelsensor ein die Welle umschließendes großes Zahnrad, das mit einem an dem Stator befestigten kleinen Zahnrad zusammenwirkt, so dass bei einer Drehung der Welle auch das an dem Stator befestigte kleine Zahnrad in Drehung versetzt wird. Aus der Drehung des am Stator befestigten kleinen Zahnrads kann der Drehwinkel der Welle auf eine erste Weise bestimmt werden. Außerdem ist an der Welle ein Magnet befestigt, der sich bei Drehung der Welle ebenfalls dreht. Das sich aufgrund der Drehung verändernde Magnetfeld dieses Magneten wird von Magnetsensoren erfasst, so dass somit der Drehwinkel der Welle auf eine zweite Weise erfasst werden kann. Es ist in beiden genannten Druckschriften auch vorgesehen, dass der an der Welle befestigte Magnet kreisrund sein kann. Alternativ ist auch möglich, dass ein Umfang dieses Magneten elliptisch ausgebildet ist.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine Sensoranordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Die Erfindung betrifft in Ausgestaltung eine Sensoranordnung, die auch als Lenkwinkelsensor für eine Lenkanlage eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann und in die ein nach magnetischem Prinzip messender Drehmomentsensor integriert ist, wobei die Sensoranordnung nach dem Nonius-Prinzip arbeitet, aber mit nur einem Zahnrad auskommt. Außerdem ist für die Sensoranordnung kein Umdrehungszähler erforderlich. Somit wird u. a. eine preisgünstige Integration einer Lenkwinkelmessung für mehrere Wellenumdrehungen ohne Umdrehungszähler nach dem Nonius-Prinzip in bestehende Drehmoment-Sensorkonzepte bereitgestellt, wobei gleichzeitig eine Reduzierung sich bewegender und somit dem Verschleiß unterliegender Bauteile ermöglicht wird.
Im Rahmen der Erfindung ist auch die Aufhebung der Trennung zwischen einer Magnetflusseinheit und einer Sensoreinheit vorgesehen. Die Sensoreinheit ist dabei über ein Gleitlager mit der Magnetflusseinheit verbunden. Somit liegt ein Bauteil mit exakt zueinander abgestimmten Toleranzen vor. Das Gleitlager stellt die radiale Toleranz zwischen der Magnetflusseinheit und der Sensoreinheit bereit. Die axiale Toleranz wird über einen Arretierungsring des Gleitlagers zur Magnetflusseinheit gewährleistet, der in Ausgestaltung in Form eines sogenannten Sinuskranzes ausgebildet ist.
Dem axialen Arretierungsring wird somit eine zweite Funktion zugeordnet. Dabei wird berücksichtigt, dass heutige Lenkwinkelsensoren ohne Umdrehungszähler, die nach dem Nonius-Prinzip arbeiten, zwei Messzahnräder mit unterschiedlicher Übersetzung zu einem Masterzahnrad aufweisen, das sich auf einer Welle befindet. Wenn eines dieser Messzahnräder eine geradzahlige Übersetzung zum Masterzahnrad auf der Welle aufweist, können dessen Drehwinkelinformationen auch alternativ erzeugt werden.
Vor diesem Hintergrund wird in Ausgestaltung der Erfindung mindestens einem als Sinuskranz ausgebildeten Arretierungsring diese Funktion übertragen, indem die Außenfläche und somit die äußere Form des Sinuskranzes einer umlaufmodulierten Sinusform mit ganz- und/oder geradzahliger Anzahl an Perioden entspricht. Somit beeinflusst die Außenfläche des Sinuskranzes bei einer Umdrehung der Welle ein feststehendes magnetisches Feld in Abhängigkeit der Durchdringung des magnetischen Felds durch den Sinuskranz, wobei dieses feststehende magnetische Feld, das von einem Permanentmagneten erzeugt wird, moduliert wird. Diese durch Modulation bereitgestellte Variation kann mit einem Magnetsensor, der als Hall-IC oder vergleichbarem AMR-IC bzw. Schaltkreis zur Messung des anisotropen magnetoresistiven Effets ausgebildet ist, gemessen werden.
Somit kann für die Drehwinkelmessung ein ganz- und/oder geradzahliges Sinussignal durch den Sinuskranz und ein zweites Sinussignal mit ungeradzahliger Übersetzung durch ein einzelnes Messzahnrad erzeugt werden.
Für die Sensoranordnung ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise bei geringer axialer und radialer Bauhöhe, wobei zur Ermittlung des Drehwinkels das Nonius-Prinzip verwendet wird. Weiterhin liegt ein Dreh- und somit Lenkwinkelsignal direkt nach dem Einschalten der Spannung für die Sensoranordnung vor. Die Sensoranordnung ist mit einer geringstmöglichen Anzahl an Bauteilen zu realisieren.
Üblicherweise ist bei der Erfindung neben der Welle nur ein zusätzlich bewegtes Bauteil, nämlich das Messzahnrad erforderlich, so dass nur wenige Verschleißteile benötigt werden. Bei Konstruktion eines Getriebes als Kronenradgetriebe ist eine unkritische radiale Toleranz zwischen dem Messzahnrad und der Magnetflusseinheit vorgesehen. Außerdem ist eine kurze Toleranzkette zwischen einer Sensoreinheit mit einer Leiterplatte und darauf angeordneten Hall-Sensoren als Magnetsensoren erforderlich, da diese über Gleitlager direkt zueinander toleriert sind.
Bei Gestaltung der Leiterplatte nach der Standardoberflächenmontage (SMT, Surface Mounting Technology) sind keine bedrahteten Bauelemente nach der Durchsteckmontage (THT, Through Hole Technology) notwendig. Es ist nur eine standardisierte Sensoreinheit für alle möglichen Wellendurchmesser erforderlich. Die Montage des Permanentmagneten für die Lenkwinkelfunktion erfolgt am Arretierungsring, so dass eine größtmögliche Nutzung der Leiterplatte möglich ist, was kostengünstiger als die Montage eines Magneten am Sinuskranz ist. Weiterhin ist eine relativ einfache Aufbau- und Verbindungstechnik gegeben.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Sensoranordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Sensoranordnung oder der gesamten Sensoranordnung realisiert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt erste Details einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus verschiedenen Perspektiven.
2 zeigt in schematischer Darstellung zweite Details der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
3 zeigt dritte Details der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischer Darstellung.
4 zeigt ein Diagramm zu einer Ausgestaltung eines Sinuskranzes als eine Komponente der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
5 zeigt in schematischer Darstellung ein viertes Detail der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
6 zeigt ein erstes Diagramm zu einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
7 zeigt in schematischer Darstellung ein fünftes Detail der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
8 zeigt in schematischer Darstellung ein sechstes Detail der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
9 zeigt in schematischer Darstellung ein siebtes Detail der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
10 zeigt in schematischer Darstellung ein achtes Detail der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
11 zeigt ein zweites Diagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
12 zeigt ein drittes Diagramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
13 zeigt erste Details eines aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensors.
14 zeigt zweite Details des aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensors.
15 zeigt in schematischer Darstellung einen aus dem Stand der Technik bekannten Lenkwinkelsensor.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
Verschiedene Details einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 2, die dazu geeignet ist, einen Drehwinkel einer Welle 4, die sich um eine Achse 6 dreht, zu ermitteln, sind in den 1a, 1b, 1c, 2a, 2b aus verschiedenen Perspektiven dargestellt.
Es ist vorgesehen, dass die Welle 4 von einer Hülse 8 umschlossen ist, die mit der Welle 4 drehfest verbunden ist. An dieser Hülse 8 ist ein Masterzahnrad 10 angeordnet. Weiterhin ist an der Hülse 8 ein sogenannter als Sinuskranz ausgebildeter Arretierungsring 12 drehfest befestigt und somit angeordnet. Außerdem weist die Hülse 8 eine sogenannte Magnetflusseinheit 14 auf, die zwei Flussleitringe 16, 18 umfasst und im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann.
Zwischen dem Sinuskranz 12 und der Magnetflusseinheit 14 ist ein Gleitlager 20 angeordnet, das hier an einem nicht weiter dargestellten Bauteil, beispielsweise einem umgebendem Sensorgehäuse, über Befestigungselemente 46 befestigt ist. Das Gleitlager 20 kann durch Spritzgießen hergestellt werden und stellt gleichzeitig zur Lagerfunktion auf der Hülse 8 auch Befestigungsmöglichkeiten für ein Messzahnrad 24 und eine Sensoreinheit 28 bereit. Bei einer Drehung der Welle 4 um die Achse 6 ergibt sich somit, dass sich die Welle 4 mit der Hülse 8, die die Magnetflusseinheit 14 umfasst und an der das Masterzahnrad 10 sowie der Sinuskranz angeordnet ist, relativ zu dem Bauteil und somit auch zu dem Gleitlager 20 dreht. Dabei arretiert der Arretierungsring 12 das Gleitlager 20 in Richtung der Magnetflusseinheit 14 axial.
An dem Gleitlager 20 ist über eine Klipbefestigung 22 das Messzahnrad 24 drehbar befestigt, in das ein Permanentmagnet 26 integriert ist. Zähne dieses Messzahnrads 24 greifen in Zähne des Masterzahnrads 10 ein. Somit ergibt sich bei einer Drehung der Welle 4 um die Achse 6, dass auch das Messzahnrad 24 in Drehung versetzt wird. Das Masterzahnrad 10 und das Messzahnrad 24 sind hierbei als Komponenten eines Kronenradgetriebes ausgebildet. Dabei sind Zähne des Masterzahnrads 10 in axialer Richtung der Welle 4 orientiert. Eine Achse des Messzahnrads 24 ist senkrecht zu der Achse 6 der Welle 4 orientiert.
Außerdem ist an dem Gleitlager 20 und somit auch an dem nicht weiter dargestellten Bauteil die Sensoreinheit 28 angeordnet, die eine Leiterplatte 30 umfasst, an der hier insgesamt drei Magnetsensoren 32, 34, 36 sowie ein Permanentmagnet 38 angeordnet sind.
Details zu der Ausgestaltung des als Sinuskranz ausgebildeten Arretierungsrings 12 sind insbesondere in 1b erkennbar. Dabei zeigt 1b, dass eine Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12 einen Radius r(φ) = r₀ + r_Asin(nφ/360°) aufweist, wobei in diesem Fall n = 3 und somit eine ganze Zahl ist und r₀ dem Radius eines Kreises 42 entspricht, der hier auch als ein sogenannter kreisförmiger Sinus-Nulldurchgang bezeichnet werden kann. Durch r_A wird die Amplitude, mit der sich der Radius r(φ) ändert, festgelegt. In der beschriebenen Ausführungsform der Sensoranordnung 2 ist vorgesehen, dass der Arretierungsring 12 aus ferromagnetischem Material gebildet ist.
Bei einer Drehung der Welle 4 um einen Drehwinkel ergibt sich, dass der Arretierungsring 12 synchron zu der Welle 4 gedreht wird. Dadurch ergibt sich wiederum, dass der Arretierungsring 12 relativ zu der Sensoreinheit 28 und somit auch zu dem Permanentmagneten 38 und dem auf der Leiterplatte 30 dazu gegenüberliegend angeordneten ersten Magnetsensor 32 gedreht wird. Ein Abstand der Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12 von dem ersten Magnetsensor 32 ändert sich bei einer Drehung der Welle 4 periodisch. Durch die Bewegung des Arretierungsrings 12 wird das von dem Permanentmagneten 38 erzeugte Magnetfeld räumlich sinusförmig moduliert und somit variiert. Diese räumliche Variation des Magnetfelds des Permanentmagneten 38 wird durch den ersten Magnetsensor 32 erfasst und daraus ein erstes Signal zur Ermittlung des Drehwinkels der Welle 4 bereitgestellt.
Bei der Drehung der Welle 4 werden weiterhin über das Masterzahnrad 10 das Messzahnrad 24 als zweites Modul zum Erfassen des Drehwinkels der Welle 4 und somit auch der in dem Messzahnrad 24 integrierte Permanentmagnet 26 gedreht. Somit wird auch ein von dem Permanentmagneten 26 erzeugtes Magnetfeld in Drehung versetzt, das von dem zweiten Magnetsensor 34 erfasst wird. Auf diese Weise wird ein zweites Signal zum Ermitteln des Drehwinkels der Welle 4 bereitgestellt.
Der dritte Magnetsensor 36 ist zwischen den beiden Flussleitringen 16, 18 der Magnetflusseinheit 14 angeordnet. Details zu dessen Funktion werden u. a. anhand der nachfolgenden 3 beschrieben.
Die drei auf der Leiterplatte 30 angeordneten Magnetsensoren 32, 34, 36 als Komponenten der Sensoreinheit 28 können als Hall-Sensoren oder AMR-Sensoren zur Messung des anisotropen magnetoresistiven Effekts ausgebildet sein.
Weiterhin zeigt 1c einen Torsionsstab 44, der mit der Welle 4 axial verbunden ist, sowie Befestigungselemente 46, die mit dem Gleitring 20 sowie mit der Sensoreinheit 28 verbunden sind, und über die das Gleitlager 20 sowie die Sensoreinheit 28 mit der Leiterplatte 30 an dem nicht dargestellten Bauteil zu befestigen sind.
Der Arretierungsring 12 ist in 1a in Schnittdarstellung und in 1b in Draufsicht schematisch dargestellt. 1c zeigt diesen Sinuskranz in Kombination mit den anderen Komponenten der Sensoranordnung 2 sowie der Welle 4 in Schnittansicht. In der Regel stellt die Hülse 8 eine Montagefläche für den Arretierungsring 12 und das Gleitlager 20 bereit. Es ist vorgesehen, dass das axiale Lagerspiel des Gleitlagers 20 durch den Arretierungsring 12 begrenzt wird.
3 zeigt neben den in den 1 und 2 bereits vorgestellten Komponenten der Sensoranordnung 2 weitere Komponenten, mit denen ein Drehmoment zwischen der ersten Welle 4 und einer zweiten Welle 48, die sich um eine gemeinsame Achse 6 drehen können und über den Torsionsstab 44 miteinander verbunden sind, ermittelt werden kann. Hierzu ist an der zweiten Welle 48 eine sogenannte Magneteinheit 50 vorgesehen, die ein Magnetpolrad 52 umfasst, das über eine Hülse 54 an der zweiten Welle 48 befestigt ist und sich somit zu der zweiten Welle 48 synchron drehen kann.
Das durch das Magnetpolrad 52 erzeugte wechselnde Magnetfeld erzeugt bei Torsion bzw. Verdrillung des Torsionsstabs 44 eine Änderung des Magnetflusses in den Flussleitringen 16, 18 der Magnetflusseinheit 14, das durch den dritten Magnetsensor 36 detektiert werden kann und ein Maß für die Torsion zwischen den beiden Wellen 4, 48 darstellt. Über die Magnetflusseinheit 14 und den dritten Magnetsensor 52 ist es möglich, ein Drehmoment zwischen den beiden Wellen 4, 48 zu bestimmen.
Das in 4 dargestellte Diagramm verdeutlicht eine periodische Änderung des Radius r(φ) der Außenfläche 40 des als Sinuskranz ausgebildeten Arretierungsrings 12 in sogenannter abgewickelter Form, wobei die Außenfläche 40 von Polarkoordinaten auf kartesische Koordinaten projiziert ist. Relativ zu dieser Außenfläche 40 sind ein Umfang 54 der Welle 4 und ein Umfang 56 des Rings 42 dargestellt. Die Außenfläche 40 umfasst mindestens eine ganzzahlige Periode einer Sinusfunktion, in diesem Beispiel drei vollständige Perioden. Der Arretierungsring 12 als Komponente der Sensoreinheit 2 ist aus ferromagnetischem Material hergestellt, z. B. aus NiFe-Blech.
Das in 5 gezeigte Detail der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst zwei Sensoreinheiten 28 mit zwei Magnetsensoren 32, die hier bezüglich der Welle 4 um 90° versetzt auf jeweils einer Leiterplatte 30 angeordnet sind sowie auf der Leiterplatte 30 gegenüberliegend angeordnete Permanentmagnete 38.
Es ist hier vorgesehen, dass auf der Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12 eine Sinusfunktion mit drei Perioden abgebildet wird. Nahe dem maximalen Umfang des Sinuskranzes 12 ist üblicherweise wenigstens ein Magnetsensor 32 und unmittelbar dahinter gestapelt der Permanentmagnet 38 angeordnet. Das magnetische Feld 58 jeweils eines Permanentmagneten 38 wird durch einen der Magnetsensoren 32 gemessen, wobei das magnetische Feld durch den Arretierungsrings 12 räumlich sinusförmig beeinflusst wird, d. h. in Abhängigkeit des Abstands einer Position des Zahnkranzes 12 wird abwechselnd ein größerer und ein kleinerer magnetischer Fluss in den Magnetsensor 32 geleitet. Bei einer Drehbewegung des Arretierungsrings 12 ändert sich also das magnetische Feld 58 und erzeugt im Magnetsensor 32 ein sinusförmiges Signal.
Da die Signaländerung im Maximum und Minimum des Sinus (also bei 90° und 270°) am geringsten ist, kann eine optionale zweite Sensoreinheit 28 so angeordnet werden, dass in einer der beiden Sensoreinheiten 28 die Signaländerung immer in einer Flanke eines Sinus liegt. Die optionale zweite Sensoreinheit 28 dient hier zur Erhöhung der Messauflösung.
Das Diagramm aus 6 umfasst eine Abszisse 60, entlang der ein Winkel in Grad aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 62 sind Werte von drei sinusförmigen Kurven 64, 66, 68 aufgetragen. In dem Diagramm aus 6 zeigt eine erste Kurve 64 eine sinusförmige Drehbewegung der Welle 4. Eine zweite Kurve 66 verdeutlicht einen Verlauf des Umfangs der Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12. Eine dritte Kurve 68 verdeutlicht eine sinusförmige Drehung des Messzahnrads 24 mit hier 2,9 Perioden.
Mit dem Diagramm aus 6 wird eine Funktion der Drehwinkelmessung nach dem Nonius-Prinzip verdeutlicht. Eine Umdrehung der Welle 4 erzeugt im ersten Magnetsensor 32, der dem Arretierungsring 12 zugeordnet ist, in diesem Beispiel drei vollständige (ganzzahlige) Perioden (zweite Kurve 66). Das an der Sensoreinheit 28 angeordnete Messzahnrad 24 des Kronenradgetriebes weist eine Übersetzung auf, die ungleich der Übersetzung des Sinuskranzes, in der Regel nicht ganzzahlig, ist, wobei bei einer Umdrehung der Welle 4 durch das Messzahnrad 24 im gezeigten Beispiel nur 2,9 Umdrehungen durchgeführt werden. Der sich mit dem Messzahnrad 24 drehende Permanentmagnet 26 erzeugt also im zugeordneten zweiten Magnetsensor 34 auch eine Sinusfunktion mit einer Frequenz (dritte Kurve 56), die von der Frequenz einer Sinusfunktion, die durch die zweite Kurve 66 dargestellt ist, zumindest geringfügig abweicht. Durch die Kombination beider Sinusfunktionen, die unterschiedliche Frequenzen aufweisen, kann auch über mehrere Umdrehungen der Welle 4 ein eindeutiger Drehwinkel errechnet werden.
Üblicherweise führt das Messzahnrad 24 m + c Umdrehungen aus, wenn das Masterzahnrad 10 eine Umdrehung ausführt. Dabei ist m eine ganze Zahl, bspw. m ≥ 2, und 0 < c < 1. Im vorliegenden Beispiel ist m = 2 und c = 0,9. Weiterhin ist vorgesehen, dass bei einer Umdrehung der Welle 4 durch den Arretierungsring 12n Perioden und durch das Messzahnrad 24 m + c Perioden abgedeckt werden. Somit weisen der Arretierungsring 12 und das Messzahnrad 24 stets zwei unterschiedliche Periodizitäten auf, die sich um n – (m + c) voneinander unterscheiden, da n und m ganze Zahlen sind und 0 < c < 1 ist. Im vorliegenden Beispiel unterscheiden sich die Perioden um 0,1 voneinander, so dass durch diesen Unterschied bei der Bestimmung des Drehwinkels das Nonius-Prinzip verwendet werden kann.
Dabei wird das geradzahlige Sinussignal nicht durch ein Zahnrad, sondern durch den Arretierungsrings 12 erzeugt, der als Zweitfunktion die axiale Arretierung des Gleitlagers 20 der Sensoreinheit 28 auf der Magnetflusseinheit 14 übernimmt. Eine nicht-ganzzahlige Kurve für das zweite Sinussignal wird durch das Messzahnrad 24 bereitgestellt.
Details zu dem Messzahnrad 24 des Kronenradgetriebes mit integriertem Permanentmagnet 26 und der Klipbefestigung 22 zur Bereitstellung einer Befestigungs-Lagerfunktion an dem Gleitlager 20 sind in 7 schematisch dargestellt.
In 8 sind das Gleitlager 20, die damit verbundenen Befestigungselemente 46 sowie das Messzahnrad 24 als Komponente der Sensoreinheit 28 schematisch dargestellt.
Es ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit 28 über das Gleitlager 20 zwischen der Magnetflusseinheit 14 und dem als Sinuskranz ausgebildeten Arretierungsring 12, relativ zu der Welle 4 drehbar positioniert ist. An der Sensoreinheit 28 ist das Messzahnrad 24 für die Nonius-Funktion zu Messung des Drehwinkels angeordnet. An dem Gleitlager 20 ist auch eine Befestigungsmöglichkeit für die Leiterplatte 30 vorgesehen. In diesem Beispiel umfasst die Befestigungsmöglichkeit Kunststoffzapfen 70, an denen die Leiterplatte 30 bspw. durch Warmverstemmen befestigt wird. Die Sensoreinheit 28 wird an einem umgebenden Bauteil oder Gehäuse radial arretiert. Dazu sind die zwei Befestigungselemente 46 vorgesehen.
9a zeigt die bereits anhand von 2a in Draufsicht dargestellten Komponenten der Sensoranordnung 2 ohne das Gleitlager 20 und die Befestigungselemente 46.
9b zeigt in schematischer Darstellung Details zu den aus ferromagnetischem Material gebildete Flussleitringen 16, 18 der Magnetflusseinheit 14. Dabei umfassen beide Flussleitringe 16, 18 Finger 72, die ineinandergreifen.
10 zeigt in schematischer Darstellung in Draufsicht das Magnetpolrad 52 der Magneteinheit 50, das über die Hülse 54 an der zweiten Welle 48 befestigt ist.
Das Magnetpolrad 52 umfasst mehrere radial, abwechselnd angeordnete Magnetpole 74, die ein Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wird bei einer Drehung der zweiten Welle 48 relativ zu der ersten Welle 4 von der Magnetflusseinheit 14 verstärkt und von dem dritten Magnetsensor 36 detektiert, so dass ein Differenzwinkel und somit ein Drehmoment zwischen den beiden Wellen 4, 48 bestimmt werden kann.
Das in 11 dargestellte Diagramm umfasst eine Abszisse 76 und eine Ordinate 78, entlang der Radien in Millimetern aufgetragen sind. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Abszisse 76 um die Ordinate 78 in dem Mittelpunkt der Welle 4 schneiden, durch den auch die Achse 6 der Welle 4 verläuft. Weiterhin sind in dem Diagramm die Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12 und der Kreis 42, der den Sinus-Nulldurchgang der Außenfläche 40 darstellt, abgebildet. Durch einen zweiten Kreis 82 ist eine Position des ersten Magnetsensors 32 angedeutet, der bei einer Ermittlung des Drehwinkels der Welle 4 eine durch den Arretierungsring 12 verursachte räumliche Modulation und somit Variation des von dem Permanentmagneten 38 erzeugten Magnetfelds 58 erfasst.
Das in 12 dargestellte Diagramm umfasst eine Abszisse 84, entlang der Winkel aufgetragen sind, sowie eine Ordinate 86, entlang der Radien in Millimetern aufgetragen sind. In dem Diagramm ist durch eine sinusförmige Kurve 88 die Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12 angedeutet. Durch eine erste Gerade 90 ist ein Mittelwert der sinusförmigen Kurve 88 angedeutet, der hier 20 mm beträgt. Eine zweite Gerade 92 deutet einen Durchmesser der Welle 4 an, der hier 15 mm beträgt. Der durch die erste Kurve 88 angedeutete Radius der Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12 variiert zwischen minimal 17 mm und maximal 23 mm.
Demnach umfasst die Sensoranordnung 2 zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle 4 mindestens einen an der Welle 4 angeordneten und somit befestigten Arretierungsring 12, wobei sich ein Radius einer Außenfläche des mindestens einen Arretierungsrings 12 mit einer Periode von nφ/360° ändert. Hierbei wird ein Werts des Radius mit einer periodischen Funktion f(nφ/360°) variiert. Die Sensoranordnung 2 weist mindestens einen ersten ortsfest installierten Magnetsensor 32 als Komponente einer Sensoreinheit 28 auf, der dem mindestens einen Arretierungsring 12 zugeordnet ist und bei einer Drehung der Welle 4 ein von dem mindestens einen Arretierungsring 12 räumlich periodisch moduliertes und somit beeinflusstes Magnetfeld 58, das von einem Permanentmagneten 38 erzeugt wird, erfasst. Üblicherweise ist n zur Bestimmung der Periode der Außenfläche 40 des Arretierungsrings 12 eine ganze Zahl, wobei n bspw. ≥ 2 ist.
In Ausgestaltung kann der mindestens eine Arretierungsring 12 sternförmig mit n Zacken oder n-eckig ausgebildet sein. Außerdem ist der mindestens eine Arretierungsring 12 aus ferromagnetischem Material. Falls zur Detektion einer Bewegung des mindestens einen Arretierungsrings 12 zwei Magnetsensoren 32 vorgesehen sind, die eine Modulation von zwei Permanentmagneten 38 erfassen, so sind die Magnetsensoren 32 und die Permanentmagneten 38 zueinander um 90° + 2k 90° versetzt angeordnet.
In der Regel umfasst die Sensoranordnung 2 den mindestens einen ersten ortsfest installierten Magnetsensor 32, der mindestens ein erstes Signal zum Bestimmen des Drehwinkels bereitstellt. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung 2 ein zusätzliches Modul zum Erfassen der Drehung der Welle 4 und mindestens einen zweiten ortsfest installierten Sensor, der dem zusätzlichen Modul zugeordnet ist, eine Bewegung des zusätzlichen Moduls erfasst und daraus mindestens ein zweites Signal zum Bestimmen des Drehwinkels bereitstellt.
Wie anhand der 1 bis 12 schematisch dargestellt, kann die Sensoranordnung 2 ein an der Welle 4 angeordnetes Masterzahnrad 10 und als zusätzliches Modul das ortsfest installierte Messzahnrad 24 aufweisen, wobei Zähne des Masterzahnrads 10 und des Messzahnrads 24 ineinander greifen, und das Messzahnrad 24 bei einer Drehung der Welle 4 ebenfalls in Drehung versetzt wird. Die Sensoranordnung 2 stellt aus der Drehung des Messzahnrads 24 das mindestens eine zweite Signal zum Bestimmen des Drehwinkels bereit.
Hierbei führt das Messzahnrad m + c Umdrehungen aus, wenn die Welle 4 eine Umdrehung ausführt, wobei m ein ganze Zahl und 0 < c < 1 ist, z. B. c = 0,5 oder 0,9.
Zum Bestimmen des Drehwinkels wird das von dem Arretierungsring 12 beeinflusste Magnetfeld 58 von mindestens einem ortsfest installierten Magnetsensor 38 erfasst. Dabei wird mit dem mindestens einen ortsfest installierten Magnetsensor 32 über ein erstes Signal mindestens ein erster Wert für den Drehwinkel der Welle 4 bereitgestellt. Von mindestens einem zweiten ortsfest installierten Sensor wird eine Bewegung des zusätzlichen Moduls zum Erfassen der Drehung der Welle 4 erfasst, wobei mit dem mindestens einen zweiten ortsfest installierten Sensor über ein zweites Signal mindestens ein zweiter Wert zum Bestimmen des Drehwinkels bereitgestellt wird. Dabei sind der mindestens eine erste Wert und der mindestens eine zweite Wert zueinander nach dem Nonius-Prinzip korreliert.
13 zeigt in schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung 150 zum Messen eines Drehmoments, die zwei Messringe 154 mit abgewinkelten Fingern 152 aus NiFe-Blech umfasst. Diese Anordnung 150 wird als magnetisch messender Drehmomentsensor TSS-1 der Robert Bosch GmbH bezeichnet.
14 zeigt Details der Anordnung 150 aus 13, nämlich eine Sensoreinheit 156, ein Index-Hallelement 158, einen Index-Magneten 160, eine sogenannte Flex-Tube-Unit 162, die die beiden Messringe 154 umfasst, und eine Magneteinheit 164.
Zur Herstellung dieser Anordnung 150 müssen u. a. Schöpflötverfahren oder Wellenlötverfahren eingesetzt werden, die in der Regel aufwendiger und teurer als ein Standard-Reflowprozess sind. Bei diesem Konzept ist eine zusätzliche Integration einer Lenkwinkelmessung nicht möglich.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin der in 15 schematisch dargestellte Lenkwinkelsensor 170 bekannt, mit dem ein Drehwinkel und somit Lenkwinkel einer als Lenksäule 172 ausgebildeten Welle bestimmt werden kann. Dieser Lenkwinkelsensor 170 umfasst ein Masterzahnrad 174, zwei Messzahnräder 176, Magnete 178, einen als Mikrocontroller ausgebildeten Schaltkreis sowie Sensorelemente 182, die hier als GMR-Elemente mit Analog-Digitalwandlern zur Bereitstellung einer seriellen Datenübertragung ausgebildet sind.
Dieser Lenkwinkelsensor funktioniert nach dem Nonius-Prinzip. Dabei ist vorgesehen, dass die Messzahnräder 176 eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen und somit eine unterschiedliche Übersetzungen aufweisen, so dass die Messzahnräder 176 ihre Drehlage relativ zu dem Masterzahnrad 174 unterschiedlich schnell ändern.
Aus der Kombination der beiden aktuellen Winkel, die durch die Messzahnräder 176 ermittelt werden, kann über eine mathematische Funktion der Gesamtwinkel errechnet werden. Daher lässt sich mit diesem Messprinzip ohne Umdrehungszähler ein Messbereich von mehreren Wellenumdrehungen abdecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2078930 A1 [0004]
EP 2080991 A1 [0004]

Claims

Sensoranordnung zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle (4), die mindestens einen an der Welle (4) angeordneten Arretierungsring (12) aufweist, wobei sich ein Radius einer Außenfläche (40) des mindestens einen Arretierungsrings (12) mit einer Periode von n φ/360° ändert, und wobei die Sensoranordnung (2) mindestens einen ersten ortsfest installierten Magnetsensor (32) aufweist, der dem mindestens einen Arretierungsring (12) zugeordnet ist und bei einer Drehung der Welle (4) ein von dem mindestens einen Arretierungsring (12) beeinflusstes Magnetfeld (58) erfasst, wobei n eine ganze Zahl ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Arretierungsring (12) als Sinuskranz ausgebildet ist, wobei eine Außenfläche (40) des Sinuskranzes einen Radius r(φ) = r₀ + r_Asin(nφ/360°) aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der mindestens eine Arretierungsring (12) aus ferromagnetischem Material gebildet ist und ein Magnetfeld (58), das von einem Permanentmagneten (38) erzeugt wird, beeinflusst.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der mindestens eine erste ortsfest installierte Magnetsensor (32) mindestens ein erstes Signal zum Bestimmen des Drehwinkels bereitstellt, wobei die Sensoranordnung (2) ein zusätzliches Modul zum Erfassen der Drehung der Welle (4) und mindestens einen zweiten ortsfest installierten Sensor aufweist, der dem zusätzlichen Modul zugeordnet ist, wobei der mindestens eine zweite ortsfest installierte Sensor eine Bewegung des zusätzlichen Moduls erfasst und daraus mindestens ein zweites Signal zum Bestimmen des Drehwinkels bereitstellt.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, die ein an der Welle (4) angeordnetes Masterzahnrad (10) und als zusätzliches Modul ein ortsfest installiertes Messzahnrad (24) aufweist, wobei Zähne des Masterzahnrads (10) und des Messzahnrads (24) ineinander greifen, wobei das Messzahnrad (24) bei einer Drehung der Welle (4) ebenfalls in Drehung versetzt wird, und wobei die Sensoranordnung (2) aus der Drehung des Messzahnrads (24) das mindestens eine zweite Signal zum Bestimmen des Drehwinkels bereitstellt.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, bei der das Messzahnrad (24) m + c Umdrehungen ausführt, wenn die Welle eine Umdrehung ausführt, wobei m eine ganze Zahl und 0 < c < 1 ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle (4), bei dem mindestens ein an der Welle (4) befestigter Arretierungsring (12) verwendet wird, wobei sich ein Radius einer Außenfläche (40) des mindestens einen Arretierungsrings (12) mit einer Periode von nφ/360° ändert, und wobei ein von dem mindestens einen Arretierungsring (12) beeinflusstes Magnetfeld (58) erfasst wird, wobei n eine ganze Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das von dem mindestens einen Arretierungsring (12) beeinflusste Magnetfeld (58) von mindestens einem ortsfest installierten Magnetsensor (32) erfasst wird, wobei mit dem mindestens einen ortsfest installierten Magnetsensor (32) über ein erstes Signal mindestens ein erster Wert für den Drehwinkel der Welle (4) bereitgestellt wird, und bei dem von mindestens einem zweiten ortsfest installierten Sensor eine Bewegung eines zusätzlichen Moduls zum Erfassen der Drehung der Welle (4) erfasst wird, wobei mit dem mindestens einen zweiten ortsfest installierten Sensor über ein zweites Signal mindestens ein zweiter Wert zum Bestimmen des Drehwinkels bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der mindestens eine erste Wert und der mindestens eine zweite Wert zueinander nach dem Nonius-Prinzip korreliert sind.