DE102011084933A1

DE102011084933A1 - sensor arrangement

Info

Publication number: DE102011084933A1
Application number: DE102011084933A
Authority: DE
Inventors: Ronny Ludwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-25
Also published as: WO2013056960A1

Abstract

Sensoranordnung, die zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle (2) ausgebildet ist und eine an der Welle (2) angeordnete Scheibe (4) mit einer spiralförmigen Rille (6), die eine Drehachse der Welle (2) zumindest einmal umläuft, sowie ein Drehwinkelsensormodul mit einem Lagerzapfen aufweist, der in der Rille (6) geführt ist, wobei der Lagerzapfen in Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle (2) eine Position einnimmt, und wobei das Drehwinkelsensormodul aus der Position des Lagerzapfens den Drehwinkel bestimmt.Sensor arrangement, which is designed to determine a rotational angle of a shaft (2) and arranged on the shaft (2) disc (4) having a spiral groove (6) which rotates at least once around a rotation axis of the shaft (2), and a rotation angle sensor module with a bearing pin which is guided in the groove (6), wherein the bearing pin in response to the rotational angle of the shaft (2) assumes a position, and wherein the rotational angle sensor module from the position of the journal determines the angle of rotation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle.The invention relates to a sensor arrangement and a method for determining a rotation angle of a shaft.

Stand der TechnikState of the art

Bei Drehmomentsensoren für Wellen werden häufig magnetische Messmethoden eingesetzt. Dabei wird ein sich bei einen Drehbewegung änderndes magnetisches Feld eines Multipolrings mit Hall-Sensoren erkannt und ein Sensorsignal in ein Drehmomentsignal umgerechnet. Diese Hall-Sensoren zeichnen sich durch ihre hohe Auflösung aus, die zum Teil weniger als 0,01° betragen kann. Weiterhin besitzen derartige Drehmomentsensoren i. d. R. noch eine einfache Umdrehungszählfunktion, die auch als Index-Funktion bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um einen kleinen Permanentmagnet, der sich an einem Hall-Schalter vorbeidreht und somit alle 360° ein Schaltsignal liefert.Wave torque sensors often use magnetic measurement techniques. In this case, a magnetic field of a multipole ring which changes with a rotational movement is detected with Hall sensors and a sensor signal is converted into a torque signal. These Hall sensors are characterized by their high resolution, which may be less than 0.01 °. Furthermore, such torque sensors i. d. R. is still a simple revolution counting function, which is also referred to as an index function. This is a small permanent magnet that rotates past a Hall switch, thus delivering a switching signal every 360 °.

Weiterhin ist alternativ oder ergänzend die Verwendung des Nonius-Prinzips zum Bestimmen eines Drehwinkels denkbar. Hierbei greifen Zähne eines Zahnkranzes, der an einer Welle angeordnet ist, in Zähne von zwei Messzahnrädern. Die beiden Messzahnräder weisen unterschiedlich viele Zähne auf, woraus bei einer Drehung unterschiedliche Übersetzungen resultieren. Somit verändern die Messzahnräder bei einer Drehung der Welle ihre Drehlage unterschiedlich schnell. Aus der Kombination von zwei aktuell erfassten Winkeln der Messzahnräder kann über eine mathematische Funktion der Gesamtwinkel der Welle berechnet werden. Daher kann mit diesem Messprinzip ohne Umdrehungszähler ein Messbereich von mehreren Wellenumdrehungen abgedeckt werden. Derartige Drehwinkelsensoren erreichen hohe Winkelauflösungen, sind aber aufgrund der vielen Bauelemente und der aufgrund des Messprinzips notwendigen Berechnungen sehr teuer. Allerdings ist mit diesen eine absolute Winkelermittlung über mehrere Umdrehungen möglich, die auch unmittelbar nach dem Einschalten des Drehwinkelsensors verfügbar ist.Furthermore, alternatively or additionally, the use of the vernier principle for determining a rotation angle is conceivable. In this case, teeth of a ring gear, which is arranged on a shaft, engage teeth of two measuring gears. The two measuring gears have different numbers of teeth, resulting in different translations during rotation. Thus, the measuring gears change their rotational position at different speeds with a rotation of the shaft. From the combination of two currently detected angles of the measuring gears, a mathematical function can be used to calculate the total angle of the shaft. Therefore, a measuring range of several shaft revolutions can be covered with this measuring principle without revolution counter. Such rotational angle sensors achieve high angular resolutions, but are very expensive due to the many components and the calculations required by the measuring principle. However, with these an absolute angle determination over several revolutions is possible, which is also available immediately after switching on the rotation angle sensor.

Beide erwähnten Messprinzipien können kombiniert werden, was jedoch aufwendig und teuer ist.Both measuring principles mentioned can be combined, but this is complicated and expensive.

Die Druckschrift DE 10 2005 031 086 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Differenzwinkels. Dabei wird vorgeschlagen, dass mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement Magnetfeldinformationen eines Magnetkreises, der ein Magnetpolrad und einen ferromagnetischen Fluxring mit Zähnen aufweist, ausgewertet werden. Die Zähne verlaufen zum radialen Abgriff der Magnetfeldinformation des Magnetpolrads in radialer Richtung.The publication DE 10 2005 031 086 A1 describes a sensor arrangement for detecting a difference angle. It is proposed that with at least one magnetic field sensitive sensor element magnetic field information of a magnetic circuit having a Magnetpolrad and a ferromagnetic Fluxring with teeth are evaluated. The teeth extend to the radial tap of the magnetic field information of Magnetpolrads in the radial direction.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.Against this background, a sensor arrangement and a method with the features of the independent claims are presented. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description.

Die Sensoranordnung weist üblicherweise als eine erste Komponente eine Scheibe auf, die koaxial an der Welle, für die ein Drehwinkel zu bestimmen ist, angeordnet und/oder befestigt ist. Die Scheibe weist eine spiralförmige Rille auf, die auch als Spur bezeichnet werden kann und als Vertiefung in der Scheibe ausgebildet ist. Diese Rille dient als Maß für den Drehwinkel, der mit einem Drehwinkelsensormodul als zweite Komponente der Sensoranordnung durch Wechselwirkung mit der Rille erfasst wird. The sensor assembly typically includes, as a first component, a disc coaxially disposed and / or affixed to the shaft for which a rotational angle is to be determined. The disc has a spiral groove, which can also be referred to as a track and is formed as a recess in the disc. This groove serves as a measure of the angle of rotation, which is detected by a rotation angle sensor module as the second component of the sensor arrangement by interaction with the groove.

Mit der Erfindung ist in Ausgestaltung eine Integration einer absoluten und/oder eindeutigen Lenkwinkelmessung einer Welle bei bspw. vier Umdrehungen und somit über einen Winkelbereich von ca. 1440° bei einer mittleren Auflösung von 1° in einem Drehmomentsensor möglich. Dabei kann eine als Magnetscheibe ausgebildete kreisförmige Scheibe eines Drehmomentsensors auch als Komponente der Sensoranordnung zum Bestimmen des Drehwinkels der Welle verwendet werden.With the invention, an integration of an absolute and / or unambiguous steering angle measurement of a shaft in, for example, four revolutions and thus over an angular range of about 1440 ° at an average resolution of 1 ° in a torque sensor is possible in an embodiment. In this case, designed as a magnetic disk circular disk of a torque sensor can also be used as a component of the sensor arrangement for determining the angle of rotation of the shaft.

Hierzu kann eine sogenannte Magnet-Unit bzw. Magneteinheit eines Drehmomentsensors modifiziert werden, wobei in einem Kunststoffträger unterhalb eines Schirmblechs der Magneteinheit in eine Scheibe die spiralförmige Rille oder Vertiefung als Spur, die vier vollständige Umläufe um eine Drehachse der Welle umfassen kann, bspw. durch Materialabtrag, eingefügt wird. Ein üblicherweise verwendeter einfacher Kunststoff, z. B. PBT (Polybutylenterephthalat), wird dabei durch einen gleitlagerfähigen Kunststoff ersetzt. Die spiralförmige Rille weist eine ausreichende Tiefe und eine definierte Breite zur Führung eines in der Regel als Lagerzapfen ausgebildeten Zapfens auf. For this purpose, a so-called magnet unit or magnet unit of a torque sensor can be modified, wherein in a plastic carrier below a shield plate of the magnet unit in a disk, the spiral groove or recess as a track, which may include four complete revolutions around a rotation axis of the shaft, for example Material removal, is inserted. A commonly used simple plastic, z. As PBT (polybutylene terephthalate) is replaced by a lubricious plastic. The spiral groove has a sufficient depth and a defined width for guiding a journal, which is generally designed as a journal.

Ein Drehwinkelsensormodul als zweite Komponente der Sensoranordnung umfasst einen Halter und ein Glied. Dabei ist als Glied in einer ersten Ausführungsform ein an dem Halter drehbar gelagerter Hebel und in einer zweiten Ausführungsform ein verschiebbar gelagerte Gleitschuh vorgesehen. Der Hebel oder Gleitschuh umfasst in der Regel einen Lagerzapfen und ein als Dipol-Magnet ausgebildetes Magnetelement, das in unmittelbarer Nähe zu einem bspw. als Hall- oder AMR-Element ausgebildeten Magnetsensor angeordnet ist, der an einem Halter ggf. über eine Leiterplatte ortsfest angeordnet ist. Dabei wird ein Magnetfeld des Magnetelements mit dem Hall-Element über den Hall-Effekt oder mit dem AMR-Element über den anisotropen magnetoresistiven Effekt erfasst. Der bspw. auf der Leiterplatte angeordnete Halter dient in beiden Ausführungsformen als Träger einer Schaltung und des Magnetsensors sowie als Lager für das als Hebel oder Gleitschuh ausgebildete Glied. Somit werden sehr geringe Toleranzen zwischen dem Magnetelement und dem Magnetsensor erreicht. A rotation angle sensor module as the second component of the sensor arrangement comprises a holder and a member. It is provided as a member in a first embodiment, a rotatably mounted on the holder lever and in a second embodiment, a slidably mounted shoe. The lever or shoe usually comprises a bearing pin and a magnetic element designed as a dipole magnet, which is arranged in close proximity to an example. As a Hall or AMR element formed magnetic sensor which is connected to a Holder is optionally arranged stationarily via a printed circuit board. In this case, a magnetic field of the magnetic element is detected with the Hall element via the Hall effect or with the AMR element via the anisotropic magnetoresistive effect. The example. On the circuit board arranged holder is used in both embodiments as a carrier of a circuit and the magnetic sensor and as a bearing for the formed as a lever or shoe member. Thus, very small tolerances between the magnetic element and the magnetic sensor are achieved.

Das relativ zur drehbaren Welle ortsfest anzuordnende Drehwinkelsensormodul ist in der Nähe der Rille der an der Welle angeordneten Scheibe zu positionieren, wobei der Lagerzapfen des Hebels oder Gleitschuhs in die vertiefte Rille der Scheibe, die als Teil der Magneteinheit des Drehwinkelsensors ausgebildet sein kann, eingreift. Dreht sich nun die Scheibe entsprechend einer Drehbewegung der Welle, an der die Scheibe angeordnet ist, so ändert der Hebel oder Gleitschuh als Glied relativ zu dem ortsfesten Halter üblicherweise linear zu der Umdrehung der Welle seine Lage. Eine Änderung der Lage des Glieds, d. h. eine Drehung des Hebels oder eine Verschiebung des Gleitschuhs, betrifft somit auch eine Lage des Magnetelements relativ zu dem Magnetsensor. Die Änderung einer Feldrichtung und/oder Feldstärke eines Magnetfelds des Magnetelements kann mit dem AMR- oder Hall-Element als Magnetsensor gemessen werden. Eine positionsabhängige Änderung des Magnetfelds korreliert üblicherweise linear mit dem Drehwinkel der Welle. Somit ist eine absolute Messung des Drehwinkels möglich. The rotational angle sensor module to be stationarily arranged relative to the rotatable shaft is to be positioned in the vicinity of the groove of the disc arranged on the shaft, wherein the bearing pin of the lever or sliding shoe engages in the recessed groove of the disc, which may be formed as part of the magnet unit of the rotational angle sensor. Now, if the disc rotates according to a rotational movement of the shaft on which the disc is arranged, the lever or sliding shoe as a member relative to the stationary holder usually changes its position linearly with respect to the rotation of the shaft. A change in the position of the limb, d. H. a rotation of the lever or a displacement of the sliding shoe, thus also relates to a position of the magnetic element relative to the magnetic sensor. The change of a field direction and / or field strength of a magnetic field of the magnetic element can be measured with the AMR or Hall element as a magnetic sensor. A position-dependent change of the magnetic field usually correlates linearly with the angle of rotation of the shaft. Thus, an absolute measurement of the rotation angle is possible.

Die Erfindung kann für Lenkwinkelsensoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei kann ein absoluter Drehwinkel von 4 (+/–2) Lenkradumdrehungen, also absolut 1440°, gemessen werden. Daher weist die Rille in der Scheibe vier vollständig umlaufende Spuren auf. Über diese 1440° wird der Hebel in der ersten Ausführungsform um einen Winkelbetrag X, wobei X bspw. 90° ist, ausgelenkt oder der Gleitschuh in der zweiten Ausführungsform um einen Betrag Y, wobei Y bspw. 12 mm ist, verschoben. Ein mit der Sensoranordnung zu erfassender Winkelbereich kann durch eine Anzahl an Umläufen der als Spur vorgesehenen Rille in der Spule je nach Bedarf eingestellt werden. Falls die Rille die Drehachse der Welle x-mal umläuft, kann ein Winkelbereich von 360°·x abgedeckt werden, wobei x eine reelle und somit nicht notwendigerweise ganze natürliche Zahl ist.The invention can be used for steering angle sensors in motor vehicles. Here, an absolute rotation angle of 4 (+/- 2) steering wheel revolutions, ie absolute 1440 °, can be measured. Therefore, the groove in the disc has four completely circumferential tracks. About this 1440 °, the lever is in the first embodiment by an angular amount X, wherein X, for example, 90 °, deflected or the shoe in the second embodiment by an amount Y, wherein Y, for example. 12 mm, moved. An angular range to be detected by the sensor arrangement can be adjusted by a number of revolutions of the groove provided as a track in the coil as needed. If the groove rotates x times around the axis of rotation of the shaft, an angular range of 360 ° x can be covered, where x is a real and thus not necessarily integer natural number.

Zur Reduktion eines Lagerspiels zwischen dem Lagerzapfen und der vertieften Rille in der Scheibe kann der Hebel oder Gleitschuh mit einer weichen Feder um eine Kraft von wenigen Newton vorgespannt werden, wobei bei geeigneter Vorspannung der Feder eine toleranzfreie Messung des Drehwinkels möglich ist. Somit werden Berührungsflächen zwischen dem Lagerzapfen und der Rille eindeutig vordefiniert und somit das Lagerspiel zwischen dem Lagerzapfen und der Rille reduziert.To reduce a bearing clearance between the bearing pin and the recessed groove in the disc, the lever or shoe can be biased by a force of a few Newton with a soft spring, with a suitable bias of the spring tolerance-free measurement of the rotation angle is possible. Thus, contact surfaces between the bearing pin and the groove are clearly predefined and thus reduces the bearing clearance between the bearing pin and the groove.

Mit der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Sensoranordnung wird eine kompakte über bspw. vier Umdrehungen einer Welle absolut messende Winkelmessvorrichtung, die eine spiralförmige Rille umfasst, bereitgestellt. Dabei ist eine direkte Korrelation eines ermittelten Winkelmesssignals zu einem Umdrehungswinkel der Welle gegeben, so dass ein Drehwinkel ohne zusätzliche Berechnung durch absolute Messung bestimmt werden kann. Demnach kann auch auf einen hierfür ansonsten erforderlichen Mikrocontroller verzichtet werden.With the sensor arrangement provided in the context of the invention, a compact angle measuring device absolutely measuring, for example, four revolutions of a shaft, which comprises a spiral groove, is provided. In this case, a direct correlation of a determined angle measurement signal is given to a rotation angle of the shaft, so that a rotation angle can be determined without additional calculation by absolute measurement. Accordingly, a microcontroller otherwise required for this purpose can be dispensed with.

Die Sensoranordnung ist kompakt aufgebaut und benötigt einen geringen Platzbedarf sowie eine relativ einfache Aufbau- und Verbindungstechnik. Außerdem bietet die Sensoranordnung eine sogenannte TPO(True-Power-On)-Funktionalität. Somit ist unmittelbar nach dem Einschalten der Sensoranordnung auch ohne Bewegung der Welle deren Winkelstellung bekannt, da diese durch die Position und/oder Stellung des Glieds zu dem Halter vorgegeben ist. Gleiches gilt für eine Drehbewegung der Welle ohne Bestromung, falls z. B. eine Batterie zur Versorgung der Sensoranordnung abgeklemmt ist. Die Sensoranordnung ist bei geeigneter Auswahl eines Gleitlagerstoffs, bspw. eines Gleitlagerkunststoffs, als Material für die Scheibe und/oder für den Lagerzapfen verschleißarm. The sensor arrangement is compact and requires a small footprint and a relatively simple construction and connection technology. In addition, the sensor arrangement offers a so-called TPO (True Power On) functionality. Thus, immediately after switching on the sensor arrangement, even without movement of the shaft whose angular position is known, since this is predetermined by the position and / or position of the member to the holder. The same applies to a rotational movement of the shaft without energization, if z. B. a battery is disconnected to supply the sensor assembly. The sensor arrangement is wear-resistant as a material for the disc and / or for the journal with a suitable selection of a plain bearing material, for example. A plain bearing plastic.

Mit der Erfindung wird eine Alternative zu herkömmlichen Drehwinkelsensoren bereitgestellt. Weiterhin kann die Scheibe der Sensoranordnung als Modul eines Drehmomentsensors in diesem Drehmomentsensor integriert sein, so dass nunmehr auf eine ansonsten übliche sogenannte Index-Funktion zur Umdrehungszählung bei Drehwinkelsensoren verzichtet werden kann. The invention provides an alternative to conventional rotation angle sensors. Furthermore, the disk of the sensor arrangement can be integrated as a module of a torque sensor in this torque sensor, so that now can be dispensed with an otherwise usual so-called index function for counting rotation in rotation angle sensors.

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.The sensor arrangement according to the invention is designed to carry out all the steps of the presented method. In this case, individual steps of this method can also be carried out by individual components of the sensor arrangement. Furthermore, functions of the sensor arrangement or functions of individual components of the sensor arrangement can be implemented as steps of the method. In addition, it is possible for steps of the method to be realized as functions of at least one component of the sensor arrangement or of the entire sensor arrangement.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

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. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt verschiedene schematische Darstellungen einer ersten Komponente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die bei einer in den nachfolgenden Figuren beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung verwendet werden kann. 1 shows various schematic representations of a first component of a sensor arrangement according to the invention, which can be used in an embodiment of the sensor arrangement according to the invention described in the following figures.

2 zeigt verschiedene schematische Darstellungen einer ersten als Drehwinkelsensormodul ausgebildeten Komponente für eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. 2 shows various schematic representations of a first formed as a rotation angle sensor module component for a first embodiment of a sensor arrangement according to the invention.

3 zeigt die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischen Darstellungen. 3 shows the first embodiment of the sensor arrangement according to the invention in schematic representations.

4 zeigt in schematischer Darstellung eine Funktionsweise der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. 4 shows a schematic representation of an operation of the first embodiment of the sensor arrangement according to the invention.

5 zeigt verschiedene schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines Drehwinkelsensormoduls für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. 5 shows various schematic representations of a second embodiment of a rotation angle sensor module for a second embodiment of the sensor arrangement according to the invention.

6 zeigt in schematischer Darstellung die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in verschiedenen Ansichten. 6 shows a schematic representation of the second embodiment of the sensor arrangement according to the invention in different views.

7 zeigt in schematischer Darstellung eine Funktionsweise der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. 7 shows a schematic representation of an operation of the second embodiment of the sensor arrangement according to the invention.

8 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensor in schematischen Darstellungen. 8th shows a known from the prior art torque sensor in schematic representations.

9 zeigt in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes Beispiel für einen Drehwinkelsensor. 9 shows a schematic representation of a known from the prior art example of a rotation angle sensor.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and will be described in detail below with reference to the drawings.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.The figures are described in a coherent and comprehensive manner, like reference numerals designate like components.

Die in 1 schematisch dargestellte erste Komponente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle 2 ist als kreisförmige Scheibe 4 ausgebildet, die die Welle 2 koaxial umschließt und hier auf einer Unterseite als axial orientierte Seite der Scheibe 4 eine spiralförmige Rille 6 aufweist, die eine Drehachse 8 der Welle 2 viermal vollständig umläuft. Dabei zeigt 1a die Unterseite der Scheibe 4, 1b die Scheibe 4 in Schnittdarstellung und 1c die Scheibe 4 von oben. Es ist vorgesehen, dass die Scheibe 4 eine Hülse 10 aufweist, über die die Scheibe 4 an der Welle 2 drehfest angeordnet und somit befestigt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass an der Oberseite der Scheibe 4 zusätzlich ein Magnetkreis 12 angeordnet ist, der als Komponente eines hier nicht weiter dargestellten Drehmomentsensors ausgebildet ist. Demnach ist vorgesehen, dass die hier gezeigte Scheibe 4 als Träger des Magnetkreises 12 einer sogenannten Magneteinheit des Drehmomentsensors und zugleich als Komponente einer der nachfolgend beschriebenen Sensoranordnungen verwendet werden kann. In diesem Fall ist in der Scheibe 4 zudem ein Schirmblech 14 angeordnet, über das der Magnetkreis 12 von der insbesondere in 1b deutlich erkennbaren Nut der spiralförmigen Rille 6 elektromagnetisch abgeschirmt ist.In the 1 schematically illustrated first component of a sensor arrangement according to the invention for determining a rotation angle of a shaft 2 is as a circular disk 4 formed the shaft 2 Coaxially surrounds and here on a bottom as an axially oriented side of the disc 4 a spiral groove 6 having an axis of rotation 8th the wave 2 completely revolving four times. It shows 1a the bottom of the disc 4 . 1b the disc 4 in sectional view and 1c the disc 4 from above. It is intended that the disc 4 a sleeve 10 has over which the disc 4 on the shaft 2 arranged rotationally fixed and thus fixed. In the present embodiment, it is further provided that at the top of the disc 4 in addition a magnetic circuit 12 is arranged, which is formed as a component of a torque sensor not shown here. Accordingly, it is provided that the disc shown here 4 as a carrier of the magnetic circuit 12 a so-called magnet unit of the torque sensor and at the same time can be used as a component of one of the sensor arrangements described below. In this case is in the disk 4 also a shroud 14 arranged over which the magnetic circuit 12 from the particular in 1b clearly visible groove of the spiral groove 6 is electromagnetically shielded.

Die Scheibe 4 ist hier als Kunststoffträger ausgebildet. Die spiralförmige Rille 6 kann bspw. bei einem Gießverfahren der Scheibe 4 in diese eingefügt oder in einen fertigen Rohling der Scheibe 4 durch ein materialabtragendes Verfahren eingefügt werden. Da die spiralförmige Rille 6 die Drehachse 8 der Welle 2 hier viermal vollständig umläuft und/oder umrundet, ist mit einer Sensoranordnung, die eine Scheibe 4 mit einer derart ausgebildeten spiralförmigen Rille 6 umfasst, ein Drehwinkel der Welle 2 um bis zu vier Umdrehungen ermittelbar. Dabei ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Abstand A eines Mittelpunkts der Rille 6 in radialer Richtung der Scheibe 4 und/oder der Rille 6 von der Drehachse 8 der Welle mit zunehmendem Winkel α ebenfalls zunimmt. Ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem Abstand A(α) und dem Winkel α, wobei dA/dα > 0 ist, kann bspw. durch die Formel: A(α) = A₀ + mα (1) beschrieben werden, wobei A₀ ein festzulegender minimaler Abstand eines Punkts der Rille 6 von der Drehachse 8, α ein Drehwinkel der Welle 2 und m ein Proportionalitätsfaktor, der eine Spreizung der Rille 6 beschreibt, ist. Falls eine Form der Rille 6 mit der Formel (1) beschrieben werden kann, ist die Rille 6 entsprechend einer archimedischen Spirale oder eines Teils einer archimedischen Spirale geformt, wobei der Abstand A proportional zum Winkel α ist.The disc 4 is designed here as a plastic carrier. The spiral groove 6 can, for example, in a casting process of the disc 4 inserted into this or into a finished blank of the disc 4 be inserted by a material removing process. Because the spiral groove 6 the axis of rotation 8th the wave 2 Completely circumscribing and / or circling four times here is using a sensor array that is a disk 4 with a spiral groove formed in this way 6 includes a rotation angle of the shaft 2 can be determined by up to four revolutions. It is provided in an embodiment of the invention that a distance A of a center of the groove 6 in the radial direction of the disk 4 and / or the groove 6 from the axis of rotation 8th the wave also increases with increasing angle α. A functional relationship between the distance A (α) and the angle α, where dA / dα> 0, can, for example, by the formula: A (α) = A ₀ + mα (1) where A _{0 is} a minimum distance to be determined of a point of the groove 6 from the axis of rotation 8th , α is a rotation angle of the shaft 2 and m is a proportionality factor, which is a spread of the groove 6 describes is. If a shape of the groove 6 with the formula (1) is the groove 6 formed according to an Archimedean spiral or part of an Archimedean spiral, the distance A being proportional to the angle α.

Die anhand der 1 vorgestellte, als Scheibe 4 mit einer spiralförmigen Rille 6 ausgebildete erste Komponente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann für die erste nachfolgend beschriebene Ausführungsform der Sensoranordnung 44 (3 und 4) sowie für die zweite nachfolgend beschriebene Ausführungsform der Sensoranordnung 72 (6 und 7) eingesetzt werden.The basis of the 1 presented as a disk 4 with a spiral groove 6 formed first component of a sensor arrangement according to the invention can for the first embodiment of the sensor arrangement described below 44 ( 3 and 4 ) as well as for the second embodiment of the sensor arrangement described below 72 ( 6 and 7 ) are used.

Die in 2 gezeigte erste Ausführungsform eines Drehwinkelsensormoduls 20 umfasst einen Halter 22 sowie ein als Hebel 24 ausgebildetes Glied aus Gleitlagerkunststoff, wobei an einem ersten Ende dieses Hebels 24 ein Lagerzapfen 26 aus Gleitlagerkunststoff angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Drehwinkelsensormodul 20 eine Leiterplatte 28, auf der der Halter 22 befestigt ist.In the 2 shown first embodiment of a rotation angle sensor module 20 includes a holder 22 as well as a lever 24 formed member of plain bearing plastic, wherein at a first end of this lever 24 a journal 26 made of plain bearing plastic is arranged. Furthermore, the rotation angle sensor module comprises 20 a circuit board 28 on which the holder 22 is attached.

Im Detail zeigt 2a das Drehwinkelsensormodul 20 in Draufsicht, 2b das Drehwinkelsensormodul 20 in Schnittansicht, 2c das Drehwinkelsensormodul 20 in seitlicher Ansicht, 2d die Leiterplatte 28 und 2e das als Hebel 24 ausgebildete Glied in Draufsicht sowie in Schnittansicht.In detail shows 2a the rotation angle sensor module 20 in plan view, 2 B the rotation angle sensor module 20 in sectional view, 2c the rotation angle sensor module 20 in lateral view, 2d the circuit board 28 and 2e as a lever 24 trained member in plan view and in sectional view.

Es ist vorgesehen, dass ein zweites Ende des Hebels 24 in einer Lagerführung 30 des Halters 22 relativ zu dem Halter 22 um einen Winkel von 90° (gebogener Doppelpfeil) drehbar gelagert ist. Im Bereich des zweiten Endes des Hebels 24 ist in dem oder an dem Hebel 24 ein hier als Dipol-Magnet ausgebildetes Magnetelement 32 angeordnet. Außerdem ist im Bereich des Magnetelements 32 als weitere Komponente des Drehwinkelsensormoduls 20 ein Magnetsensor 34 vorgesehen, der hier über die Leiterplatte 28 mit dem Halter 22 verbunden und somit an dem Halter 22 angeordnet ist.It is envisaged that a second end of the lever 24 in a warehouse management 30 of the owner 22 relative to the holder 22 is rotatably mounted at an angle of 90 ° (curved double arrow). In the area of the second end of the lever 24 is in or on the lever 24 a magnetic element formed here as a dipole magnet 32 arranged. In addition, in the area of the magnetic element 32 as another component of the rotation angle sensor module 20 a magnetic sensor 34 provided here on the circuit board 28 with the holder 22 connected and thus to the holder 22 is arranged.

Wie die nachfolgenden 3 und 4 verdeutlichen, ist das anhand von 2 vorgestellte Drehwinkelsensormodul 20 ortsfest neben einer drehbaren Welle 2 im Bereich einer Scheibe 4 mit einer spiralförmigen Rille 6 anzuordnen (1). Dabei könnte eine ortsfeste Befestigung des Drehwinkelsensormoduls 20 z. B. über Zapfen 36, welche die Leiterplatte 28 mit dem Halter 22 durch Warmverstemmen verbinden, gleichzeitig erfolgen.Like the following ones 3 and 4 clarify that is based on 2 presented rotation angle sensor module 20 stationary next to a rotatable shaft 2 in the area of a disk 4 with a spiral groove 6 to arrange 1 ). It could be a fixed attachment of the rotation angle sensor module 20 z. B. via pins 36 which the circuit board 28 with the holder 22 connect by warm caulking, done simultaneously.

2 zeigt zudem, dass der Lagerzapfen 26 einen Lagerkopf 38 aufweist, der bei Betrieb der anhand der nachfolgenden 3 und 4 beschriebenen ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 44 in der spiralförmigen Rille 6 der Scheibe 4 angeordnet ist. Außerdem sind in den 2a und 2c eine optionale Feder 40 und in 2d eine Lagerbohrung 42 gezeigt. 2 also shows that the journal 26 a camp head 38 which, in operation, is based on the following 3 and 4 described first embodiment of the sensor arrangement according to the invention 44 in the spiral groove 6 the disc 4 is arranged. In addition, in the 2a and 2c an optional spring 40 and in 2d a bearing bore 42 shown.

Der Hebel 24 ist in der Lagerführung 30 des Halters 22 und an der Lagerbohrung 42 in der Leiterplatte 28 in radialer Richtung und in axialer Richtung zwischen dem Halter 22 und der Leiterplatte 28 drehbar gelagert. Zur Reduktion der Toleranzen oder zur Reduktion des Lagerspiels zwischen dem Hebel 24 und dem Halter 22 kann der Hebel 24 durch die Feder 40 optional mit einer Kraft von wenigen Newton geringfügig vorgespannt werden.The lever 24 is in the camp management 30 of the owner 22 and at the bearing bore 42 in the circuit board 28 in the radial direction and in the axial direction between the holder 22 and the circuit board 28 rotatably mounted. To reduce the tolerances or to reduce the bearing clearance between the lever 24 and the holder 22 can the lever 24 through the spring 40 optionally slightly biased with a force of a few Newtons.

Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 44 ist in 3 in verschiedenen Ansichten schematisch dargestellt. Dabei umfasst diese erste Ausführungsform der Sensoranordnung 44 zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle 2 die in 1 vorgestellte Scheibe 4, die die spiralförmige Rille 6 aufweist, sowie das anhand von 2 vorgestellte erste Drehwinkelsensormodul 20.The first embodiment of the sensor arrangement according to the invention 44 is in 3 shown schematically in different views. In this case, this first embodiment comprises the sensor arrangement 44 for determining a rotation angle of a shaft 2 in the 1 featured disc 4 holding the spiral groove 6 as well as the basis of 2 presented first rotation angle sensor module 20 ,

Die erste Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 20, das in axialer Richtung unterhalb der Scheibe 4 positioniert und relativ zu der Welle 2 an einem hier nicht dargestelltem Bauteil ortsfest befestigt ist, greift mit dem Lagerkopf 38 des Lagerzapfens 26 in die spiralförmige Rille 6, die auch als Spur bezeichnet werden kann, ein. Der Lagerzapfen 26 wird in der Rille 6 lagernd geführt. Dreht sich die Scheibe 4 relativ zum feststehenden Drehwinkelsensormodul 20, so ändert sich die Lage des Hebels 24, bspw. an der Lagerbohrung 42, und somit des Magnetelements 32, das in einem Drehpunkt des Hebels 24 positioniert ist, relativ zu dem Magnetsensor 34.The first embodiment of the rotation angle sensor module 20 in the axial direction below the disc 4 positioned and relative to the shaft 2 is fixedly attached to a not shown here component, engages with the bearing head 38 of the journal 26 in the spiral groove 6 , which can also be referred to as a track, a. The journal 26 gets in the groove 6 stocked. Turns the disc 4 relative to the fixed rotation angle sensor module 20 , so the position of the lever changes 24 , for example, at the bearing bore 42 , and thus the magnetic element 32 that in a pivot point of the lever 24 is positioned relative to the magnetic sensor 34 ,

In Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle 2 innerhalb der vier vorgesehenen Umdrehungen ändert sich die Lage des Hebels 24 mit dem in der spiralförmigen Rille 6 geführten Lagerzapfen 26. Somit ändert sich auch die Feldrichtung und/oder Feldstärke des Magnetfelds des Magnetelements 32 zum Magnetsensor 34. Die Änderung der Feldrichtung und/oder Feldstärke ist somit ein Maß für den Drehwinkel des Magnetelements 32. Die Winkelposition des Hebels 24 ist zum Drehwinkel der Welle 2 innerhalb von 1440°, was vier Umdrehungen entspricht, im Rahmen der Herstellungstoleranzen aller Komponenten immer absolut eindeutig.Depending on the angle of rotation of the shaft 2 within the four provided revolutions, the position of the lever changes 24 with that in the spiral groove 6 guided journal 26 , Thus, the field direction and / or field strength of the magnetic field of the magnetic element also changes 32 to the magnetic sensor 34 , The change in the field direction and / or field strength is thus a measure of the angle of rotation of the magnetic element 32 , The angular position of the lever 24 is the angle of rotation of the shaft 2 Within 1440 °, which corresponds to four revolutions, within the manufacturing tolerances of all components always absolutely unique.

Hier ist es möglich, einen Zusammenhang eines Drehwinkels β des Hebels 24 zu dem bspw. anhand von Formel (1) beschriebenen Abstand A des Lagerkopfs 38 und/oder des Lagerzapfens 26 von der Drehachse 8 und somit einen Zusammenhang des Drehwinkels β des Hebels 24 mit dem zu ermittelnden Drehwinkel α der Welle 2 bereitzustellen. Der Drehwinkel β des Hebels 24 ist mit dem Magnetsensor 34 bspw. über die Feldrichtung und/oder Feldstärke des Magnetfelds des Magnetelements 32 an der Position des Magnetsensors 34 bestimmbar. In Ausgestaltung entsprechen vier Umdrehungen und somit ein Drehwinkel α = 1440° der Welle 2 z. B. 90° des Drehwinkels β des Hebels 24.Here it is possible, a relationship of a rotation angle β of the lever 24 to the example, on the basis of formula (1) described distance A of the bearing head 38 and / or the trunnion 26 from the axis of rotation 8th and thus a relationship of the rotation angle β of the lever 24 with the determined angle of rotation α of the shaft 2 provide. The angle of rotation β of the lever 24 is with the magnetic sensor 34 for example via the field direction and / or field strength of the magnetic field of the magnetic element 32 at the position of the magnetic sensor 34 determinable. In an embodiment correspond to four revolutions and thus one Angle of rotation α = 1440 ° of the shaft 2 z. B. 90 ° of the rotation angle β of the lever 24 ,

Ein typisches AMR-Element als Magnetsensor 34 weist eine Winkelauflösung von 0,05° auf. Es gilt: 90°/0,05° = 1800. Die Auflösung bei vier Umdrehungen = 1440°/1800 beträgt 0,8°. Bei einem Messfehler von 25 % ergibt sich somit bspw. eine Auflösung von 1°.A typical AMR element as a magnetic sensor 34 has an angular resolution of 0.05 °. The following applies: 90 ° / 0.05 ° = 1800. The resolution at four revolutions = 1440 ° / 1800 is 0.8 °. With a measurement error of 25%, this results in a resolution of 1 °, for example.

In 4 ist anhand von mehreren Beispielen eine vom Drehwinkel der Welle 2 sowie der Scheibe 6 abhängige Position des Lagerzapfens 26 in der Rille 6 sowie eine Stellung des Hebels 24 dargestellt. Dabei zeigt 4a die Situation bei einem Drehwinkel α = –720° gegen den Uhrzeigersinn, 4b bei α = –360° gegen den Uhrzeigersinn, 4c bei α = 0°, 4d bei α = +360° im Uhrzeigersinn und 4e bei α = +720° im Uhrzeigersinn.In 4 is based on several examples one of the rotation angle of the shaft 2 as well as the disc 6 dependent position of the trunnion 26 in the groove 6 and a position of the lever 24 shown. It shows 4a the situation at a rotation angle α = -720 ° counterclockwise, 4b at α = -360 ° counterclockwise, 4c at α = 0 °, 4d at α = + 360 ° clockwise and 4e at α = + 720 ° clockwise.

5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Drehwinkelsensormoduls 50, das als Komponente der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 72, die anhand der nachfolgenden 6 und 7 vorgestellt wird, ausgebildet ist. Dieses zweite Drehwinkelsensormodul 50 umfasst einen Halter 52 aus Gleitlagerkunststoff als Glied, einen ebenfalls aus Gleitlagerkunststoff gebildeten Gleitschuh 54, an dem ein im Querschnitt ellipsenförmiger Lagerzapfen 56 angeordnet ist. Im Detail zeigt 5a das Drehwinkelsensormodul 50 in Draufsicht, 5b in Schnittansicht und 5c in seitlicher Ansicht. 5d zeigt eine Leiterplatte 58 als weitere Komponente des Drehwinkelsensormoduls 50. 5e zeigt das hier als Gleitschuh 54 ausgebildete Glied aus verschiedenen Perspektiven. 5 shows a second embodiment of a rotation angle sensor module 50 , as a component of the second embodiment of the sensor arrangement according to the invention 72 , based on the following 6 and 7 is presented, is formed. This second rotation angle sensor module 50 includes a holder 52 made of plain bearing plastic as a member, also formed of plain bearing plastic shoe 54 , on which a cross-sectionally elliptical bearing journal 56 is arranged. In detail shows 5a the rotation angle sensor module 50 in plan view, 5b in sectional view and 5c in lateral view. 5d shows a circuit board 58 as another component of the rotation angle sensor module 50 , 5e shows this as a sliding shoe 54 trained member from different perspectives.

Der hier im Querschnitt U-förmige ausgebildete Halter 52 umschließt einen Gleitbereich 60, entlang dem der Gleitschuh 54 axial verschiebbar gelagert ist. Dabei ist der Gleitschuh 54 zwischen zueinander parallel angeordneten Schenkeln 65 des Halters 52 angeordnet. Hierbei berührt der Gleitschuh 54 eine als Gleitlagerführung 63 ausgebildete Innenwandung des Halters 52. Außerdem ist in den 5a und 5c eine optionale Feder 62 dargestellt, über die der Gleitschuh 54 mit dem Halter 52 verbunden und zur Reduktion der Toleranzen oder zur Reduktion eines Lagerspiels zwischen dem Lagerzapfen 56 und dem Gleitschuh 54 mit einer Kraft von wenigen Newton vorgespannt ist. Der in 5d auf der Leiterplatte 58 gestrichelt angedeutete Gleitbereich 60 ist aus gleitfähigem Material, bspw. metallisch beschichtet, so dass sich der Gleitschuh 54 relativ zu dem Halter 52 reibungsarm bewegen kann.The here in cross section U-shaped trained holder 52 encloses a sliding area 60 , along which the sliding shoe 54 is mounted axially displaceable. Here is the shoe 54 between legs arranged parallel to each other 65 of the owner 52 arranged. Here, the sliding shoe touches 54 as a plain bearing guide 63 trained inner wall of the holder 52 , Moreover, in the 5a and 5c an optional spring 62 represented, over which the sliding shoe 54 with the holder 52 connected and to reduce the tolerances or to reduce a bearing clearance between the journal 56 and the sliding shoe 54 is biased with a force of a few Newton. The in 5d on the circuit board 58 Dashed line indicated sliding area 60 is made of lubricious material, eg. Metallic coated, so that the sliding shoe 54 relative to the holder 52 can move with little friction.

Es ist vorgesehen, dass der in dieser Ausführungsform U-förmige Halter 52 auf der Leiterplatte 58 über Zapfen 64, bspw. über Warmverstemmen, befestigt ist. Eine ortsfeste Verbindung zu einem nicht dargestellten Bauteil, das neben einer drehbaren Welle 2 angeordnet ist, an der wiederum eine Scheibe 4 mit einer spiralförmigen Rille 6 (1) anzuordnen ist, kann über die gleichen Zapfen 64 erfolgen.It is envisaged that in this embodiment U-shaped holder 52 on the circuit board 58 over cones 64 , For example. About warm caulking, is attached. A stationary connection to a component, not shown, in addition to a rotatable shaft 2 is arranged, in turn, a disc 4 with a spiral groove 6 ( 1 ) can be arranged over the same pin 64 respectively.

Somit ist es möglich, zur Bereitstellung der mit 6 vorgestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 72 zum Bestimmen des Drehwinkels der Welle 2 den Halter 52 der zweiten Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50 ortsfest neben der um die Drehachse 8 drehbaren Welle 2 anzuordnen. Thus, it is possible to provide with 6 presented second embodiment of the sensor arrangement according to the invention 72 for determining the angle of rotation of the shaft 2 the holder 52 the second embodiment of the rotation angle sensor module 50 fixed next to the around the axis of rotation 8th rotatable shaft 2 to arrange.

Weiterhin ist vorgesehen, einen Lagerkopf 66 des an dem Gleitschuh 54 angeordneten Lagerzapfens 56 in der spiralförmigen Rille 6 der Scheibe 4 anzuordnen. Dabei wird eine große Halbachse des im Querschnitt ellipsenförmigen Lagerzapfens 56 in tangentialer Richtung der Rille 6 angeordnet, wohingegen eine kleine Halbachse des Lagerzapfens 56 in radialer Richtung der spiralförmigen Rille 6 anzuordnen ist. Insgesamt ist die zweite Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50 relativ zu der Scheibe 4 sowie der spiralförmigen Rille 6 so anzuordnen, dass eine Verschiebung des Gleitschuhs 54 relativ zu dem Halter 52 bei einer Drehung der Welle 2 um ihre Drehachse 8 in radialer Richtung verschoben wird, wenn der Lagerzapfen 56 in der spiralförmigen Rille 6 angeordnet ist und sich bei einer Drehung der Welle 2 entlang der Rille 6 bewegt.Furthermore, it is provided a bearing head 66 the on the shoe 54 arranged trunnion 56 in the spiral groove 6 the disc 4 to arrange. In this case, a large semi-axis of the elliptical cross-section bearing journal 56 in the tangential direction of the groove 6 arranged, whereas a small half-axis of the journal 56 in the radial direction of the spiral groove 6 is to be arranged. Overall, the second embodiment of the rotation angle sensor module 50 relative to the disc 4 as well as the spiral groove 6 arrange so that a shift of the shoe 54 relative to the holder 52 upon rotation of the shaft 2 around its axis of rotation 8th is displaced in the radial direction when the bearing pin 56 in the spiral groove 6 is arranged and at a rotation of the shaft 2 along the groove 6 emotional.

In dem Gleitschuh 54 als Glied der zweiten Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50 ist ein als Dipol ausgebildetes Magnetelement 68 angeordnet, das sich bei einer Verschiebung des Gleitschuhs 54 relativ zu dem Halter 52 relativ zu einem Magnetsensor 70 bewegen kann, der auf einer Unterseite der Leiterplatte 58 befestigt und demnach über die Leiterplatte 58 an dem Halter 52 befestigt ist.In the shoe 54 as a member of the second embodiment of the rotation angle sensor module 50 is a magnetic element designed as a dipole 68 arranged, resulting in a displacement of the shoe 54 relative to the holder 52 relative to a magnetic sensor 70 can move on a bottom of the circuit board 58 attached and therefore on the circuit board 58 on the holder 52 is attached.

6 zeigt die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 72 aus verschiedenen Perspektiven. Diese zweite Ausführungsform der Sensoranordnung 72 zum Bestimmen eines Drehwinkels der Welle 2 umfasst als Komponenten die anhand von 1 vorgestellte Scheibe 4 mit der spiralförmigen Rille 6 sowie die zweite Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50, das anhand von 5 beschrieben ist. 6 shows the second embodiment of the sensor arrangement according to the invention 72 from different perspectives. This second embodiment of the sensor arrangement 72 for determining a rotation angle of the shaft 2 includes as components the basis of 1 featured disc 4 with the spiral groove 6 and the second embodiment of the rotation angle sensor module 50 that is based on 5 is described.

Das Drehwinkelsensormodul 50, das unterhalb der Scheibe 4 positioniert und üblicherweise mit einem hier nicht gezeigten Bauteil verbunden ist, greift mit dem Lagerzapfen 56 in die spiralförmige Rille 6 ein. Der Lagerzapfen 56 wird in der Rille 6 als Spur lagernd geführt. Dreht sich die Scheibe 4 relativ zu dem feststehenden Drehwinkelsensormodul 50, so ändert sich die Lage des Gleitschuhs 54 und somit des Magnetelements 68 relativ zum Magnetsensor 70.The rotation angle sensor module 50 That's below the disk 4 positioned and usually connected to a component not shown here, engages with the bearing pin 56 in the spiral groove 6 one. The journal 56 gets in the groove 6 stocked as a track. Turns the disc 4 relative to the fixed rotation angle sensor module 50 , so the position of the shoe changes 54 and thus the magnetic element 68 relative to the magnetic sensor 70 ,

In Abhängigkeit des Drehwinkels der Scheibe 4 innerhalb der vier vorgesehenen Umdrehungen ändert sich die horizontale und/oder radiale Lage des Gleitschuhs 54 entsprechend dem in der spiralförmigen Rille 6 als Spur geführten Lagerzapfen 56, dessen Abstand sich von der Drehachse 8 der Welle 2 entsprechend einer Position entlang der Rille 6 ändert. Somit ändert sich auch die Feldrichtung und/oder Feldstärke des Magnetfelds des Magnetelements 68 zum Magnetsensor 70. Die Änderung der Feldrichtung und/oder Feldstärke ist somit ein Maß für den Drehwinkel der Scheibe 4. Eine Position des Gleitschuhs 54 ist zum Drehwinkel der Magneteinheit im Bereich von 0° bis 1440°, d. h. von vier Umdrehungen der Welle 2, im Rahmen der Herstellongstoleranzen aller Komponenten immer absolut eindeutig.Depending on the angle of rotation of the disc 4 Within the four provided revolutions, the horizontal and / or radial position of the shoe changes 54 corresponding to that in the spiral groove 6 as a track led bearing pin 56 whose distance is from the axis of rotation 8th the wave 2 according to a position along the groove 6 changes. Thus, the field direction and / or field strength of the magnetic field of the magnetic element also changes 68 to the magnetic sensor 70 , The change in the field direction and / or field strength is thus a measure of the angle of rotation of the disc 4 , A position of the shoe 54 is to the rotation angle of the magnet unit in the range of 0 ° to 1440 °, ie of four turns of the shaft 2 , within the scope of manufacturing tolerances of all components always absolutely unique.

Unterschiedliche drehwinkelabhängige Positionen des Gleitschuhs 54 mit dem in der Rille 6 angeordneten Lagerzapfen 56 sind in 7 im Detail dargestellt. Dabei zeigt 7a die Situation bei einem Drehwinkel von –720° gegen den Uhrzeigersinn, 7b bei einem Drehwinkel von –360° gegen den Uhrzeigersinn, 7c bei 0°, 7d bei +360° im Uhrzeigersinn und 7e bei +720° im Uhrzeigersinn. Different rotation angle dependent positions of the shoe 54 with that in the groove 6 arranged bearing journal 56 are in 7 shown in detail. It shows 7a the situation at a rotation angle of -720 ° counterclockwise, 7b at a rotation angle of -360 ° counterclockwise, 7c at 0 °, 7d at + 360 ° clockwise and 7e at + 720 ° clockwise.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass ein Abstand A des in der Rille 6 geführten Lagerzapfens 56 von der Drehachse 8 proportional zum Drehwinkel α der Welle 2 ist und durch die Formel (1) beschrieben werden kann. Die Position des Lagerzapfens 56 entlang der Rille 6 und somit dessen Abstand A zu der Drehachse 8 kann weiterhin aus der Position des Magnetelements 68 zu dem Magnetsensor 70 direkt abgeleitet werden. Somit ist es möglich, einen Drehwinkel α der Welle 2 einer Richtung und/oder Stärke des von dem Magnetsensor 70 erfassten Magnetfelds zuzuordnen.In an embodiment of the invention, it is possible that a distance A of the groove in the groove 6 guided journal 56 from the axis of rotation 8th proportional to the angle of rotation α of the shaft 2 and can be described by the formula (1). The position of the journal 56 along the groove 6 and thus its distance A to the axis of rotation 8th can continue from the position of the magnetic element 68 to the magnetic sensor 70 be derived directly. Thus, it is possible to have a rotation angle α of the shaft 2 a direction and / or strength of the magnetic sensor 70 assigned magnetic field.

Bei beiden Ausführungsformen der Sensoranordnung 44, 72 umläuft die spiralförmige Rille 6 als Spur in der Scheibe 4 zumindest einmal die Drehachse 8 der Welle 2. Der Lagerzapfen 26, 56 ist in der Rille 6 geführt, und nimmt in Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle 2 eine Position und somit einen Abstand A zu der Drehachse 8 ein, woraus von dem Drehwinkelsensormodul 20, 50 der Drehwinkel α bestimmt wird. Ein Abstand eines Punkts der spiralförmigen Rille 4 von der Drehachse 8 der Welle 2 nimmt mit einem Wert des Drehwinkels α zu.In both embodiments of the sensor arrangement 44 . 72 runs around the spiral groove 6 as a track in the disc 4 at least once the axis of rotation 8th the wave 2 , The journal 26 . 56 is in the groove 6 guided, and increases depending on the angle of rotation of the shaft 2 a position and thus a distance A to the axis of rotation 8th a, from which of the rotation angle sensor module 20 . 50 the angle of rotation α is determined. A distance of a point of the spiral groove 4 from the axis of rotation 8th the wave 2 increases with a value of the rotation angle α.

Jedes vorgestellte Drehwinkelsensormodul 20, 50 weist einen Halter 22, 52 und ein Glied auf, an dem der Lagerzapfen 26, 56 angeordnet ist. Das Glied ist relativ zu dem Halter 22, 52 bewegbar gelagert, wobei eine Position des Glieds relativ zu dem Halter 22, 52 von einer Position des Lagerzapfens 26, 56 in der Rille 6 abhängig ist.Each presented rotation angle sensor module 20 . 50 has a holder 22 . 52 and a member on which the trunnion 26 . 56 is arranged. The limb is relative to the holder 22 . 52 movably supported, wherein a position of the member relative to the holder 22 . 52 from a position of the trunnion 26 . 56 in the groove 6 is dependent.

Das Glied weist ein Magnetelement 32, 68 auf, das ein Magnetfeld erzeugt. Der Halter 22, 52 weist einen Magnetsensor 36, 70, bspw. einen Hall- oder AMR-Sensor, auf. Dabei kann das Magnetelement 32, 68 in und/oder an dem Glied und der Magnetsensor 36, 70 in und/oder an dem Halter 22, 52 angeordnet sein. Der Magnetsensor 36, 70 erfasst eine Feldstärke und/oder eine Feldrichtung des Magnetfelds. Aus diesen Parametern des Magnetfelds wird die Position des Lagerzapfens 26, 56 entlang der Rille 6 und daraus der Drehwinkel der Welle 2 bestimmt. Ein Zusammenhang des Drehwinkels der Welle 2 und der Position des Lagerzapfens 26, 56, üblicherweise der radiale Abstand A des Lagerzapfens 26, 56 von der Drehachse 8 der Welle 2, hängt von der Form der Rille 6 als Spur für den Lagerzapfen 26, 56 ab und kann in der Regel über eine einfache Formel dargestellt werden. Ein Zusammenhang zwischen der drehwinkelabhängigen Position des Lagerzapfens 26, 56 und der Feldstärke und/oder Feldrichtung des Magnetfelds des Magnetelements 32, 68, die von dem zur Welle 2 sowie der Scheibe 4 ortsfest angeordneten Magnetsensor 36, 70 erfasst wird, kann ebenfalls über eine Formel beschrieben werden. The member has a magnetic element 32 . 68 which generates a magnetic field. The holder 22 . 52 has a magnetic sensor 36 . 70 , for example, a Hall or AMR sensor on. In this case, the magnetic element 32 . 68 in and / or on the member and the magnetic sensor 36 . 70 in and / or on the holder 22 . 52 be arranged. The magnetic sensor 36 . 70 detects a field strength and / or a field direction of the magnetic field. From these parameters of the magnetic field, the position of the journal 26 . 56 along the groove 6 and from this the angle of rotation of the shaft 2 certainly. A relationship of the angle of rotation of the shaft 2 and the position of the trunnion 26 . 56 , usually the radial distance A of the journal 26 . 56 from the axis of rotation 8th the wave 2 depends on the shape of the groove 6 as a track for the journal 26 . 56 and can usually be represented by a simple formula. A relationship between the rotational angle-dependent position of the journal 26 . 56 and the field strength and / or field direction of the magnetic field of the magnetic element 32 . 68 that from the to the shaft 2 as well as the disc 4 fixed magnetic sensor 36 . 70 can also be described using a formula.

Bei der ersten Ausführungsform der Sensoranordnung 44 ist das Glied als Hebel 24 ausgebildet, wobei an einem ersten Ende des Hebels 24 der Lagerzapfen 26 angeordnet ist. Ein zweites Ende des Hebels 24 ist an dem Halter 22 radial drehbar gelagert. Bei der zweiten Ausführungsform der Sensoranordnung 72 ist das Glied als Gleitschuh 54 ausgebildet, der den Lagerzapfen 56 aufweist und der entlang des Halters 52, bspw. in radialer Richtung zu der Drehachse 8, verschiebbar gelagert ist. In the first embodiment of the sensor arrangement 44 is the limb as a lever 24 formed, wherein at a first end of the lever 24 the journal 26 is arranged. A second end of the lever 24 is on the holder 22 mounted radially rotatable. In the second embodiment of the sensor arrangement 72 is the link as a sliding shoe 54 formed, the bearing pin 56 and along the holder 52 , For example, in the radial direction to the axis of rotation 8th , is slidably mounted.

In beiden Ausführungsformen ist das Glied, d. h. entweder der Hebel 24 oder der Gleitschuh 54, über eine Feder 40, 62 mit dem Halter 22, 52 verbunden. Die Scheibe 4 sowie der Lagerzapfen 26, 56 mit dem Lagerkopf 38, 66 können aus Gleitlagerkunststoff gebildet sein.In both embodiments, the link is either the lever 24 or the shoe 54 , about a spring 40 . 62 with the holder 22 . 52 connected. The disc 4 and the journal 26 . 56 with the bearing head 38 . 66 can be formed of plain bearing plastic.

Eine der beschriebenen Sensoranordnungen 44, 72 zur Bestimmung des Drehwinkels der Welle 2 kann auch mit einem Drehmomentsensor kombiniert werden, wobei die Scheibe 4 mit der Rille 6 als ein Modul des Drehmomentsensors ausgebildet ist. Üblicherweise umfasst ein derartiger Drehmomentsensor ebenfalls eine scheibenförmige Komponente, die koaxial zu einer Welle 2 angeordnet ist und bspw. als Magneteinheit bezeichnet wird. Somit kann eine vorgestellte Sensoranordnung 44, 72 zum Bestimmen des Drehwinkels mit einem Drehmomentsensor kombiniert werden. Es ist auch möglich, die Rille 6 in einer anderen Scheibe 4, die die Welle 2 koaxial umschließt und an der Welle 2 bereits zu einem anderen Zweck angeordnet ist, vorzusehen. Somit kann die beschriebene Sensoranordnung 44, 72 in Kombination mit anderen Einrichtungen, die ohnehin für die Welle 2 vorgesehen sind und eine Scheibe 4 aufweisen, bspw. dem erwähnten Drehmomentsensor, aber auch unabhängig davon realisiert werden.One of the described sensor arrangements 44 . 72 for determining the angle of rotation of the shaft 2 can also be combined with a torque sensor, the disc 4 with the groove 6 is formed as a module of the torque sensor. Typically, such a torque sensor also includes a disc-shaped component coaxial with a shaft 2 is arranged and, for example, is referred to as a magnetic unit. Thus, an imaginary sensor arrangement 44 . 72 be combined with a torque sensor for determining the angle of rotation. It is also possible the groove 6 in another disc 4 that the wave 2 coaxial encloses and on the shaft 2 already arranged for another purpose. Thus, the described sensor arrangement 44 . 72 in combination with other facilities, anyway for the wave 2 are provided and a disc 4 have, for example, the aforementioned torque sensor, but also be realized independently.

8 zeigt in schematischer Darstellung einen aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensor 100, der dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment zwischen einer ersten Welle 102 und einer zweiten Welle 104, die über einen Torsionsstab 106 miteinander verbunden sind, zu bestimmen. Dabei sind als Komponenten dieses Drehmomentsensors 100 an der ersten Welle 102 eine Magnetflusseinheit 108 und an der zweiten Welle 104 eine Magneteinheit 110 angeordnet. Weiterhin umfasst dieser Drehmomentsensor 100 eine Sensoreinheit 112, die relativ zu den beiden Wellen 102, 104 ortsfest angeordnet ist, einen zwischen der Magnetflusseinheit 108 und der Sensoreinheit 112 angeordneten axialen Befestigungsring 114 sowie einen ebenfalls ortsfest zu befestigenden Deckel 116 mit einem Antirotationspin, an dem eine mit einem Magnetsensor bestückte Leiterplatte 118 angeordnet ist. Dabei ist der Magnetsensor zwischen zwei Ringen aus ferromagnetischem Material, die als Komponenten der Magnetflusseinheit 108 ausgebildet sind, angeordnet. Bei einer relativen Drehung der beiden Wellen 102, 104 zueinander wird ein Magnetfeld, das von der Magneteinheit 110 erzeugt wird und sich mit der zweiten Welle 104 dreht, in einem Bereich zwischen den beiden magnetflussleitenden Ringen der Magnetflusseinheit 108 verstärkt und von dem Magnetsensor erfasst. 8th shows a schematic representation of a known from the prior art torque sensor 100 which is adapted to torque between a first shaft 102 and a second wave 104 that have a torsion bar 106 to determine each other. Here are as components of this torque sensor 100 at the first wave 102 a magnetic flux unit 108 and at the second wave 104 a magnet unit 110 arranged. Furthermore, this torque sensor comprises 100 a sensor unit 112 that is relative to the two waves 102 . 104 is arranged stationary, one between the magnetic flux unit 108 and the sensor unit 112 arranged axial mounting ring 114 and also a fixed lid to be fixed 116 with an anti-rotation pin on which a printed circuit board equipped with a magnetic sensor 118 is arranged. In this case, the magnetic sensor between two rings of ferromagnetic material, which are components of the magnetic flux unit 108 are formed, arranged. With a relative rotation of the two shafts 102 . 104 each other becomes a magnetic field coming from the magnet unit 110 is generated and deals with the second wave 104 rotates, in a region between the two magnetic flux conducting rings of the magnetic flux unit 108 amplified and detected by the magnetic sensor.

Es ist möglich, den anhand von 8 vorgestellten Drehmomentsensor 100 durch eine Ausführungsform einer voranstehend vorgestellten Sensoranordnungen 44, 72 zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle zu ergänzen. Diesbezüglich wird auf die 8c und 8d verwiesen, in denen gezeigt ist, dass an der zweiten Welle 104 eine Scheibe 120 angeordnet ist, die über eine Hülse 122 an der zweiten Welle 104 befestigt ist. Es ist denkbar, diese Scheibe 120 ebenfalls mit einer spiralförmigen Rille 6 auszustatten, wie sie anhand einer der voranstehenden 1 bis 7 bereits beschrieben ist. Weiterhin ist es möglich, neben der zweiten Welle 104 unterhalb der Scheibe 120 eines der beiden vorgestellten Drehwinkelsensormodule 20, 50 anzuordnen, wobei ein Lagerzapfen 26, 56 eines derartigen Drehwinkelsensormoduls 20, 50 in der spiralförmigen Rille 6 anzuordnen ist. Somit ist es möglich, den ohnehin vorgesehenen Drehmomentsensor 100 durch eine Modifikation der Scheibe 120, wobei in diese die spiralförmige Rille 6 einzufügen ist, und durch Befestigung eines Drehwinkelsensormoduls 20, 50 zu ergänzen und somit eine Einrichtung zum Bestimmen eines Drehmoments und eines Drehwinkels bereitzustellen.It is possible to use the 8th featured torque sensor 100 by an embodiment of a sensor arrangement presented above 44 . 72 to supplement a rotation angle of a shaft. In this regard is on the 8c and 8d referenced, in which it is shown that on the second wave 104 a disk 120 is arranged over a sleeve 122 at the second wave 104 is attached. It is conceivable, this disc 120 also with a spiral groove 6 to equip them as described above 1 to 7 already described. Furthermore, it is possible, in addition to the second wave 104 below the disc 120 one of the two presented rotation angle sensor modules 20 . 50 to arrange, with a journal 26 . 56 such a rotation angle sensor module 20 . 50 in the spiral groove 6 is to be arranged. Thus, it is possible the already provided torque sensor 100 by a modification of the disc 120 , in which the spiral groove 6 and by attaching a rotation angle sensor module 20 . 50 to complement and thus provide a means for determining a torque and a rotation angle.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin der in 9 schematisch dargestellte Lenkwinkelsensor 130 bekannt, mit dem ein Drehwinkel und somit Lenkwinkel einer als Lenksäule 132 ausgebildeten Welle bestimmt werden kann. Dieser Lenkwinkelsensor 130 umfasst ein Masterzahnrad 134, zwei Messzahnräder 136, Magnete 138, einen als Mikrocontroller ausgebildeten Schaltkreis 140 sowie Sensorelemente 142, die hier als GMR-Elemente mit Analog-Digital-Wandlern zur Bereitstellung einer seriellen Datenübertragung ausgebildet sind.From the prior art, the in 9 schematically illustrated steering angle sensor 130 known, with a rotation angle and thus steering angle as a steering column 132 trained wave can be determined. This steering angle sensor 130 includes a master gear 134 , two measuring gears 136 , Magnets 138 , a circuit formed as a microcontroller 140 as well as sensor elements 142 , which are here designed as GMR elements with analog-to-digital converters for providing a serial data transmission.

Dieser Lenkwinkelsensor 130 funktioniert nach dem Nonius-Prinzip. Dabei ist vorgesehen, dass die Messzahnräder 136 eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen und somit eine unterschiedliche Übersetzungen aufweisen, so dass die Messzahnräder 136 ihre Drehlage relativ zu dem Masterzahnrad 134 unterschiedlich schnell ändern.This steering angle sensor 130 works on the vernier principle. It is envisaged that the measuring gears 136 have a different number of teeth and thus a different translations, so that the measuring gears 136 its rotational position relative to the master gear 134 Change different fast.

Aus der Kombination der beiden aktuellen Winkel, die durch die Messzahnräder 176 ermittelt werden, kann über eine mathematische Funktion der Gesamtwinkel errechnet werden. Daher kann mit diesem Messprinzip ohne Umdrehungszähler ein Messbereich von mehreren Wellenumdrehungen abgedeckt werden. From the combination of the two current angles, through the measuring gears 176 can be determined, the total angle can be calculated using a mathematical function. Therefore, a measuring range of several shaft revolutions can be covered with this measuring principle without revolution counter.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005031086 A1 [0005]

Claims

Sensor arrangement for determining a rotation angle of a shaft ( 2 ) and one on the shaft ( 2 ) arranged disc ( 4 ) with a spiral groove ( 6 ), which has a rotation axis ( 8th ) the wave ( 2 ) rotates at least once, and a rotation angle sensor module ( 20 . 50 ) with a journal ( 26 . 56 ), which in the groove ( 6 ) is guided, wherein the journal ( 26 . 56 ) as a function of the angle of rotation of the shaft ( 2 ) occupies a position, and wherein the rotation angle sensor module ( 20 . 50 ) from the position of the trunnion ( 26 . 56 ) determines the angle of rotation.

Sensor arrangement according to claim 1, wherein the rotation angle sensor module ( 20 . 50 ) a holder ( 22 . 52 ) and a member, on which the journal ( 26 . 56 ) and that relative to the holder ( 22 . 52 ) is movably mounted, wherein a position of the member relative to the holder ( 22 . 52 ) from a position of the trunnion ( 26 . 56 ) in the groove ( 6 ) is dependent.

Sensor arrangement according to claim 2, in which the member is a magnetic element ( 32 . 68 ), which generates a magnetic field, and the holder ( 22 . 52 ) a magnetic sensor ( 36 . 70 ), wherein the magnetic sensor ( 36 . 70 ) detects a field strength and / or a field direction of the magnetic field.

Sensor arrangement according to claim 3, wherein the rotation angle sensor module ( 20 . 50 ) via the field strength and / or the field direction of the magnetic field, the position of the bearing journal ( 26 . 56 ) and further the angle of rotation of the shaft ( 2 ) certainly.

Sensor arrangement according to one of claims 2 or 4, in which the member is used as a lever ( 24 ) is formed, wherein at a first end of the lever ( 24 ) of the journals ( 26 ), and wherein a second end of the lever ( 24 ) on the holder ( 22 ) is rotatably mounted.

Sensor arrangement according to one of claims 2 to 4, wherein the member as a sliding shoe ( 54 ) is formed, the the journal ( 56 ) and along the holder ( 52 ) is slidably mounted.

Sensor arrangement according to one of claims 2 to 6, wherein the member via a spring ( 40 . 62 ) with the holder ( 22 . 52 ) connected is.

Sensor arrangement according to one of the preceding claims, in which the disc ( 4 ) is formed of plain bearing plastic and the shaft ( 2 ) encloses.

Sensor arrangement according to one of the preceding claims, in which the disc ( 4 ) as a module of a torque sensor for determining a torque of the shaft ( 2 ) is trained.

Method for determining a rotation angle of a shaft ( 2 ) with a sensor arrangement ( 44 . 72 ), one on the shaft ( 2 ) arranged disc ( 4 ) with a spiral groove ( 6 ), which has a rotation axis ( 8th ) the wave ( 2 ) rotates at least once, and a rotation angle sensor module ( 20 . 50 ) with a journal ( 26 . 56 ), which in the groove ( 6 ) is guided, wherein the journal ( 26 . 56 ) as a function of the angle of rotation of the shaft ( 2 ) assumes a position, and wherein the angle of rotation of the rotation angle sensor module ( 20 . 50 ) from the position of the trunnion ( 26 . 56 ) is determined.