DE102012202657A1 - Sensor arrangement for detecting rotational angles of rotary component installed in vehicle, has sensor that determines current position of movement transducer in translation region which represents rotation angle of rotary component - Google Patents

Sensor arrangement for detecting rotational angles of rotary component installed in vehicle, has sensor that determines current position of movement transducer in translation region which represents rotation angle of rotary component Download PDF

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Abstract

The arrangement (1) has a movement transducer (20) that is coupled with a sensor (26) for generating signal representing signal indicating the angle of a rotation rotary component (10). The movement transducer is provided for converting the rotation (12) of rotary component into a translation (24) of the movement transducer. The sensor is arranged on the side of the transducer for monitoring the entire translational region of the transducer. The current position of the transducer in translation region which represents the rotation angle of rotary component, is determined by sensor.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention is based on a sensor arrangement for detecting rotational angles on a rotating component in a vehicle according to the preamble of the independent patent claim 1.

Bei dem bekannten Lenkwinkelsensor wird ein Zählrad zur Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen des Lenkrades berührungslos mittels Magnetfeldsensoren abgetastet. Ein derartiges System hat den Nachteil, dass bei ausgeschalteter Zündung ein Ruhestrom bereitgestellt werden muss, um ein Verdrehen des Lenkrades bei ausgeschalteter Zündung erkennen zu können. Bei dauerhafter Nichtbenutzung des Fahrzeuges führt dies zu einer unerwünschten Entleerung der Fahrzeugbatterie. Wird ein solcher Ruhestrom nicht bereitgestellt, kann der Lenkwinkel nicht mehr eindeutig bestimmt werden, wenn ein Verdrehen des Lenkrades bei ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie erfolgt.In the known steering angle sensor, a counting wheel for determining the number of revolutions of the steering wheel is scanned without contact by means of magnetic field sensors. Such a system has the disadvantage that when the ignition is switched off, a quiescent current must be provided in order to be able to detect a rotation of the steering wheel when the ignition is switched off. With permanent non-use of the vehicle, this leads to an undesirable emptying of the vehicle battery. If such a quiescent current is not provided, the steering angle can no longer be clearly determined if the steering wheel is turned when the ignition is switched off or the battery is disconnected.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 052 162 A1 werden beispielsweise eine Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines linearen Weges sowie ein Pedalmodul mit einer solchen Messeinrichtung beschrieben. Der erfasste Drehwinkel oder der erfasste lineare Weg ergibt sich aufgrund einer Relativbewegung zwischen wenigstens zwei Körpern, welche durch Federmittel gegeneinander in ihrer Ausgangslage vorgespannt sind. Die Federmittel weisen Windungen aus einem elektrisch leitenden Material auf und die Relativbewegung der Körper verursacht eine Längenänderung der Federmittel. Es ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der Windungen der Federmittel von einer magnetischen Spule umfasst sind, welche zusammen mit wenigstens einem Kondensator von einem Schwingkreis umfasst ist. Zudem ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, welche in Abhängigkeit von der Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, welche auf der durch die Relativbewegung der Körper hervorgerufenen Längenänderung der Federmittel beruht, ein Signal aussteuert, dass zur Erkennung und Berechnung der Relativbewegung ausgewertet werden kann. Um die Drehbewegung eines Fahrpedalhebels gegenüber einem Lagerbock in eine hinsichtlich des Messprinzips einfachere lineare Bewegung zu wandeln, können die Federelemente sich mit ihrem einen Ende an einer am Lagerbock ausgebildeten Stützfläche und mit dem anderen Ende an einem in Bezug zu einer Schwenkachse zwischen dem Fahrpedalhebel und dem Lagerbock einen Hebelarm bildenden Stützarm des Fahrpedalhebels abstützen.In the published patent application DE 10 2007 052 162 A1 For example, a measuring device for contactless detection of a rotation angle or a linear path and a pedal module will be described with such a measuring device. The detected angle of rotation or the detected linear path is due to a relative movement between at least two bodies, which are biased by spring means against each other in their initial position. The spring means comprise windings of an electrically conductive material and the relative movement of the body causes a change in length of the spring means. It is envisaged that at least part of the turns of the spring means are covered by a magnetic coil which is included together with at least one capacitor of a resonant circuit. In addition, an evaluation device is provided, which in response to the change in the resonant frequency of the resonant circuit, which is based on the caused by the relative movement of the body length change of the spring means, a signal that can be evaluated for detecting and calculating the relative movement. In order to convert the rotational movement of an accelerator pedal lever relative to a bearing block in a simpler linear motion with respect to the measuring principle, the spring elements can with its one end to a bearing block formed on the support surface and the other end at a with respect to a pivot axis between the accelerator lever and the Bearing support a lever arm forming support arm of the accelerator pedal lever.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2008 011 448 A1 wird beispielsweise eine Anordnung zur Erfassung eines Drehwinkels beschrieben. Die beschriebene Anordnung umfasst Geber und Sensoren, welche in Abhängigkeit von einer Drehwinkeländerung eines rotierenden Bauteils von den Gebern erzeugte Änderungen einer physikalischen Größe als digital auswertbare Signale detektieren. Das rotierende Bauteil weist mindestens einen an seinem Umfang gekoppelten, durch seine Rotation sich drehenden Satelliten kleineren Umfangs, vorzugsweise mit einem Winkelsensor auf, welcher über ein axial gekoppeltes Hypozykloidgetriebe eine ebenfalls rotierende Hyperzykloidscheibe oder Hypozykloidzahnrad antreibt, deren Umdrehungsgeschwindigkeit durch das Hypozykloidgetriebe derart untersetzt ist, dass hieraus eine Umdrehungszahl des rotierenden Bauteils und der absolute Lenkwinkel über mehrere Umdrehungen der Lenkwelle mit einem Umdrehungssensorsystem ermittelbar ist.In the published patent application DE 10 2008 011 448 A1 For example, an arrangement for detecting a rotation angle will be described. The arrangement described comprises encoders and sensors which, as a function of a rotation angle change of a rotating component, detect changes in a physical variable produced by the encoders as signals which can be evaluated digitally. The rotating member has at least one coupled to its circumference, rotating by its rotation satellites small scale, preferably with an angle sensor which drives via an axially coupled hypocycloidal a likewise rotating Hyperzykloidscheibe or Hypozykloidzahnrad whose speed of rotation is undercut by the Hypozykloidgetriebe such that From this, a number of revolutions of the rotating component and the absolute steering angle over several revolutions of the steering shaft with a revolution sensor system can be determined.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Überführung der Drehbewegung in eine mechanische Wegänderung bzw. Translation immer eine eindeutige Drehposition auch bei mehrfachen Umdrehungen des rotierenden Bauteils möglich ist. In vorteilhafter Weise bleibt beim Versagen der Elektronik, die Drehbewegung in der mechanischen veränderten Wegposition erhalten. Aufgrund der mechanischen Wegänderung bzw. Translation steht auch nach ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie der richtige absolute Drehwinkel zur Verfügung, wobei gleichzeitig ein besonders sicherer Betrieb bzw. eine besonders sichere Erkennung des Drehwinkels mittels einer Positionserfassung innerhalb eines Translationsbereichs möglich ist. Ein weiterer Vorteil kann die mechanische Vereinfachung darstellen, was zu einer Kostenersparnis führen kann. Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Dabei ist das rotierende Bauteil bzw. Zahnrad vorzugsweise mit dem Lenkrad bzw. der Lenksäule des Fahrzeugs drehfest gekoppelt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überführen die Lenkbewegung in eine Wegänderung bzw. Translation, welche über eine Positionsbestimmung berührungslos detektiert und in einen Lenkwinkel umgerechnet werden kann.The sensor unit according to the invention for a vehicle having the features of independent claim 1 has the advantage that is always possible by the transfer of the rotational movement in a mechanical path change or translation a unique rotational position even with multiple revolutions of the rotating component. Advantageously, the failure of the electronics, the rotational movement in the mechanical changed path position is maintained. Due to the mechanical path change or translation, the correct absolute rotation angle is available even after the ignition or battery has been switched off, at the same time allowing particularly safe operation or particularly reliable detection of the rotation angle by means of position detection within a translational range. Another advantage can be the mechanical simplification, which can lead to cost savings. Preferably, the sensor arrangement according to the invention can be used for determining the steering angle of a vehicle. In this case, the rotating component or gear is preferably rotatably coupled to the steering wheel or the steering column of the vehicle. Embodiments of the present invention convert the steering movement into a path change or translation, which can be detected contactlessly via a position determination and converted into a steering angle.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug zur Verfügung. Das rotierende Bauteil ist an seinem Umfang mit einem Messwertgeber gekoppelt, welcher in Verbindung mit mindestens einem Sensor ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils repräsentierendes Signal erzeugt. Erfindungsgemäß ist der Messwertgeber als Bewegungswandler ausgeführt, welcher die Rotation des rotierenden Bauteils in eine Translation des Messwertgebers umwandelt. Der mindestens eine Sensor ist seitlich des Messwertgebers angeordnet und überwacht den gesamten Translationsbereich des Messwertgebers, wobei der mindestens eine Sensor eine aktuelle Position des Messwertgebers im Translationsbereich ermittelt, welche den Drehwinkel des rotierenden Bauteils repräsentiert.Embodiments of the present invention provide a sensor assembly for detecting rotational angles on a rotating component in a vehicle. The rotating component is coupled at its circumference to a transmitter which, in conjunction with at least one sensor, generates a signal representing the angle of rotation of the rotating component. According to the invention, the transmitter is as Implemented motion converter, which converts the rotation of the rotating component in a translation of the transmitter. The at least one sensor is arranged laterally of the transmitter and monitors the entire translational range of the transmitter, wherein the at least one sensor determines a current position of the transmitter in the translation region, which represents the rotation angle of the rotating component.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug möglich.The measures and refinements recited in the dependent claims, advantageous improvements of the independent claim 1 sensor arrangement for detecting rotation angles on a rotating component in a vehicle are possible.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Messwertgeber die Rotation des rotierenden Bauteils in eine axiale Translation des Messwertgebers in Bezug auf das rotierende Bauteil umwandeln kann. Der Messwertgeber kann beispielsweise ein Ritzel umfassen, welches über ein Innengewinde längsbeweglich auf einem Bolzen mit einem korrespondierendem Außengewinde geführt und so positioniert ist, dass ein erster Zahnkranz des rotierenden Bauteils einen zweiten Zahnkranz des Ritzel kämmt, so dass das Ritzel eine die Rotation des rotierenden Bauteils repräsentierende Rotationsbewegung aufnimmt und auf dem Bolzen eine Schraubbewegung entlang des Translationsbereichs ausführt. Dadurch kann die vom rotierenden Bauteil auf das Ritzel übertragene Drehbewegung in eine Höhenänderung des Ritzels des Messwertgebers umgewandelt werden, wobei die Höhenänderung des Messwertgebers über den mindestens einen Sensor als Position des Messwertgebers innerhalb des Translationsbereichs gemessen werden kann. In vorteilhafter Weise kann eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils über ein Übersetzungsverhältnis des vorzugsweise als Zahnrad ausgeführten rotierenden Bauteils und dem Messwertgeber und/oder über eine Ganghöhe des Innengewindes und/oder des Außengewindes des Bolzens vorgegeben werden. Durch das Gewinde kann die Höhenänderung entkoppelt vom Übersetzungsverhältnis zusätzliche an die Charakteristik des mindestens einen Sensors zur Ermittlung der Position angepasst werden. Zudem kann der Messwertgeber zur Reduzieren des axialen Spiels mit einer Federkraft belastet werden, welche beispielsweise von mindestens einem Federstift erzeugt wird.It is particularly advantageous that the transmitter can convert the rotation of the rotating component into an axial translation of the transmitter with respect to the rotating component. The transmitter may for example comprise a pinion, which is longitudinally movably guided on a bolt with a corresponding external thread via an internal thread and positioned so that a first ring gear of the rotating component meshes with a second ring gear of the pinion, so that the pinion a rotation of the rotating member representing representative rotational movement and on the bolt performs a screwing movement along the translation region. As a result, the rotational movement transmitted by the rotating component to the pinion can be converted into a change in the height of the pinion of the transmitter, wherein the height change of the transmitter can be measured via the at least one sensor as the position of the transmitter within the translation range. Advantageously, a resolution of the determined angle of rotation of the rotating component via a transmission ratio of the preferably designed as a gear rotating component and the transmitter and / or a pitch of the internal thread and / or the external thread of the bolt can be specified. Through the thread, the height change can be decoupled from the gear ratio additional adapted to the characteristic of the at least one sensor for determining the position. In addition, the transmitter can be charged to reduce the axial play with a spring force, which is generated for example by at least one spring pin.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der mindestens eine Sensor mehrere Wirbelstromsensoren umfassen, welche jeweils mindestens eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufweisen, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit die aktuelle Position des Messwertgebers innerhalb des Translationsbereichs durch Auswerten der erzeugten Magnetfelder ermittelt. Jeder Wirbelstromsensor kann beispielsweise zwei Spulen zur Erzeugung von korrespondierenden Magnetfeldern aufweisen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit eine differenzielle Auswertung der von den zwei Spulen erzeugten Magnetfeldern durchführen kann, um die aktuelle Position des Messwertgebers innerhalb des Translationsbereichs zu ermitteln.In an advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the at least one sensor may comprise a plurality of eddy current sensors each having at least one coil for generating a magnetic field, wherein an evaluation and control unit determines the current position of the transducer within the translation range by evaluating the generated magnetic fields. For example, each eddy-current sensor can have two coils for generating corresponding magnetic fields, wherein the evaluation and control unit can perform a differential evaluation of the magnetic fields generated by the two coils in order to determine the current position of the transmitter within the translation range.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der mindestens eine Sensor zusätzlich eine Zahnstellung des zweiten Zahnkranzes des Ritzels des Messwertgebers erfassen, welche die Auswerte- und Steuereinheit zur Ermittlung des Drehwinkels auswertet.In a further advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the at least one sensor can additionally detect a tooth position of the second toothed ring of the pinion of the measuring transmitter, which evaluates the evaluation and control unit for determining the angle of rotation.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können die beiden Spulen innerhalb des korrespondierenden Wirbelstromsensors beispielsweise übereinander in verschiedenen Höhenpositionen mit einer gemeinsamen Hochachse angeordnet werden, welche parallel zur Drehachse des Messwertgebers verläuft. Durch die Zahnstruktur des Ritzels des Messwertgebers und die Detektion über einen Wirbelstromsensor könnte die Drehwinkelerfassung möglicherweise mehrdeutig sein. Um diese Mehrdeutigkeit herauszurechnen können die Spulen statt übereinander alternativ versetzt zueinander in verschiedenen Höhenpositionen und mit verschiedenen Hochachsen angeordnet werden, welche jeweils parallel zur Drehachse des Messwertgebers verlaufen. Dadurch erhält man zwei Signale mit unterschiedlicher Phase bezogen auf die Ritzelstellung, und die Zahnstellung des Ritzels kann durch die Auswerteund Steuereinheit herausgerechnet werden. Eine alternative Möglichkeit eine Mehrdeutigkeit zu vermeiden wäre ein zeitlich abwechselnder Betrieb der differentiellen Spulen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann die beiden Spulen innerhalb des korrespondierenden Wirbelstromsensors erst zeitlich versetzt zueinander und dann gleichzeitig ansteuern und die unterschiedlich ausgeformten Magnetfelder erfassen und auswerten. Dadurch führt die Auswerte- und Steuereinheit insgesamt drei Messungen mit jeweils unterschiedlich ausgeformten Magnetfeldern durch, welche die Mehrdeutigkeit aufheben können. Die Ansteuerung der Spulen kann beispielsweise durch eine entsprechende Umschaltung oder durch eine sinusförmige Variation der Spulenströme mit einem entsprechenden Phasenversatz zwischen den Spulen erfolgen.In a further advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, the two coils can be arranged within the corresponding eddy current sensor, for example, one above the other in different height positions with a common vertical axis, which runs parallel to the axis of rotation of the transmitter. Due to the tooth structure of the pinion of the transmitter and the detection via an eddy current sensor, the rotation angle detection could possibly be ambiguous. To eliminate this ambiguity, the coils can be arranged alternately offset from one another in different height positions and with different vertical axes instead of one above the other, which run in each case parallel to the axis of rotation of the transmitter. This gives two signals with different phase based on the pinion position, and the tooth position of the pinion can be excluded by the Auswerteund control unit. An alternative way of avoiding ambiguity would be a time-varying operation of the differential coils. The evaluation and control unit can control the two coils within the corresponding eddy current sensor only offset in time from one another and then simultaneously and detect and evaluate the differently shaped magnetic fields. As a result, the evaluation and control unit performs a total of three measurements, each with differently shaped magnetic fields, which can remove the ambiguity. The control of the coils can be done for example by a corresponding switching or by a sinusoidal variation of the coil currents with a corresponding phase offset between the coils.

Die differenzielle Auswertung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Kompensation von Störeinflüssen, wie beispielsweise einer Temperaturänderung usw. Zudem ermöglicht die Verwendung von mehreren Sensoren bzw. Spulen in vorteilhafter Weise eine redundante Ermittlung des Drehwinkels an einem rotierenden Bauteil.The differential evaluation advantageously makes it possible to compensate for disturbing influences, such as, for example, a temperature change, etc. In addition, the use of a plurality of sensors or coils advantageously enables a redundant determination of the angle of rotation on a rotating component.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. In the drawings, like reference numerals designate components that perform the same or analog functions.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer ersten Stellung. 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a first position.

2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer zweiten Stellung. 2 shows a schematic perspective view of the embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a second position.

3 zeigt eine schematische Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus 1 oder 2. 3 shows a schematic detail of the sensor arrangement according to the invention 1 or 2 ,

4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Messwertgeber für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 1 und 2. 4 shows a schematic plan view of a transmitter for the sensor arrangement according to the invention 1 and 2 ,

5 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wirbelstromsensors mit zwei Spulen für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 1 und 2. 5 shows a schematic representation of a first embodiment of an eddy current sensor with two coils for the sensor arrangement according to the invention 1 and 2 ,

6 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Wirbelstromsensors mit zwei Spulen für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 1 und 2. 6 shows a schematic representation of a second embodiment of an eddy current sensor with two coils for the sensor arrangement according to the invention 1 and 2 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Wie aus 1 bis 6 ersichtlich ist, umfassen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil 10 in einem Fahrzeug einen Messwertgeber 20 und mindestens einen Sensor 26, dessen Ausgabesignal von einer Auswerte- und Steuereinheit 30 ausgewertet wird. Das rotierenden Bauteil 10 ist an seinem Umfang mit dem Messwertgeber 20 gekoppelt, welcher in Verbindung mit dem mindestens einen Sensor 26 ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils 10 repräsentierendes Signal erzeugt und an die Auswerte- und Steuereinheit 30 ausgibt. Erfindungsgemäß ist der Messwertgeber 20 als Bewegungswandler ausgeführt, welcher die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 in eine Translation 24 des Messwertgebers 20 umwandelt, wobei der mindestens eine Sensor 26 seitlich des Messwertgebers 20 angeordnet ist und den gesamten Translationsbereich des Messwertgebers 20 überwacht. Der mindestens eine Sensor 26 ermittelt eine aktuelle Position des Messwertgebers 20 im Translationsbereich, welche den Drehwinkel des rotierenden Bauteils 10 repräsentiert.How out 1 to 6 can be seen include embodiments of a sensor arrangement according to the invention 1 for detecting angles of rotation on a rotating component 10 in a vehicle a transmitter 20 and at least one sensor 26 , whose output signal from an evaluation and control unit 30 is evaluated. The rotating component 10 is at its periphery with the transmitter 20 coupled, which in conjunction with the at least one sensor 26 a the angle of rotation of the rotating component 10 representing signal generated and to the evaluation and control unit 30 outputs. According to the invention, the transmitter 20 designed as a motion converter, which rotation 12 of the rotating component 10 in a translation 24 of the transmitter 20 converts, wherein the at least one sensor 26 at the side of the transmitter 20 is arranged and the entire translational range of the transmitter 20 supervised. The at least one sensor 26 determines a current position of the transmitter 20 in the translation area, which determines the angle of rotation of the rotating component 10 represents.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 können beispielsweise als Lenkwinkelsensor zur Bestimmung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Dabei ist das rotierende Bauteil 10 beispielsweise als Zahnrad ausgeführt und vorzugsweise mit einem Lenkrad und/oder einer Lenksäule des Fahrzeugs drehfest gekoppelt.Embodiments of the sensor arrangement according to the invention 1 For example, they can be used as a steering angle sensor for determining the steering angle of a vehicle. Here is the rotating component 10 for example, designed as a gear and preferably rotatably coupled to a steering wheel and / or a steering column of the vehicle.

Wie aus 1 bis 4 weiter ersichtlich ist, umfasst der Messwertgeber 20 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 ein Ritzel 20a, welches über ein Innengewinde 20.3 längsbeweglich auf einem Bolzen 22 mit einem korrespondierendem Außengewinde 22.1 geführt ist. Der als Ritzel 20a ausgeführte Messwertgeber 20 ist so positioniert, dass ein erster Zahnkranz 14 des als Zahnrad ausgeführten rotierenden Bauteils 10 einen zweiten Zahnkranz 20.1 des Ritzels 20a kämmt. Dadurch wird die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 auf das Ritzel 20a des Messwertgebers 20 übertragen, welcher durch die übertragene Drehbewegung 12‘ seine Position in axialer Richtung 24 ändert. Das bedeutet, dass das Ritzel 20a eine die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 repräsentierende Rotationsbewegung 12‘ aufnimmt und auf dem Bolzen 22 eine Schraubbewegung 24 entlang des Translationsbereichs ausführt und die Rotation 12, 12‘ bzw. Drehbewegung in eine axiale Translation 24 in Form einer Höhenänderung des Messwertgebers 20 umwandelt. Wie aus einem Vergleich zwischen 1 und 2 ersichtlich ist, verändert sich durch die dargestellte Drehrichtung der Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 die Position des Ritzels 20a des Messwertgebers 20 innerhalb des Translationsbereichs nach oben. Eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils 10 kann beispielsweise über ein Übersetzungsverhältnis des rotierenden Bauteils 10 und des Ritzels 20a des Messwertgebers 20 und/oder über eine Ganghöhe des Innengewindes 20.3 und/oder des Außengewindes 22.1 des Bolzens 22 vorgegeben werden. Zudem kann der Messwertgeber 20 bzw. das Ritzel 20a zur Reduzieren des axialen Spiels mit einer Federkraft belastet werden, welche beispielsweise von mindestens einem Federstift erzeugt wird.How out 1 to 4 can be further seen, includes the transmitter 20 in the illustrated embodiment of the sensor arrangement according to the invention 1 a pinion 20a , which has an internal thread 20.3 longitudinally movable on a bolt 22 with a corresponding external thread 22.1 is guided. The as pinion 20a executed transducers 20 is positioned so that a first sprocket 14 of the gear designed as a rotating component 10 a second sprocket 20.1 of the pinion 20a combs. This will cause the rotation 12 of the rotating component 10 on the pinion 20a of the transmitter 20 transmitted, which by the transmitted rotary motion 12 ' its position in the axial direction 24 changes. That means the pinion 20a one the rotation 12 of the rotating component 10 representing rotational movement 12 ' takes up and on the bolt 22 a screwing movement 24 along the translation area and the rotation 12 . 12 ' or rotational movement in an axial translation 24 in the form of a height change of the transmitter 20 transforms. As if from a comparison between 1 and 2 can be seen changes through the illustrated direction of rotation 12 of the rotating component 10 the position of the pinion 20a of the transmitter 20 within the translation area upwards. A resolution of the determined angle of rotation of the rotating component 10 can for example via a transmission ratio of the rotating component 10 and the pinion 20a of the transmitter 20 and / or over a pitch of the internal thread 20.3 and / or the external thread 22.1 of the bolt 22 be specified. In addition, the transmitter 20 or the pinion 20a be loaded to reduce the axial play with a spring force, which is generated for example by at least one spring pin.

Durch die Überführung der Rotation 12 bzw. Lenkbewegung in eine mechanische Translation 24 des Messwertgebers 20, dessen Position innerhalb des Translationsbereichs ermittelt wird, ist immer eine eindeutige Drehposition bzw. ein eindeutiger Lenkwinkel auch bei mehrfachen Umdrehungen des Lenkrades möglich. Ebenfalls bleibt beim Versagen der Elektronik, die Drehbewegung in der mechanischen veränderten Höhenposition erhalten. Aufgrund der mechanischen Translation 24 steht auch nach ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie der richtige absolute Drehwinkel bzw. Lenkwinkel zur Verfügung, wobei gleichzeitig ein besonders sicherer Betrieb bzw. eine besonders sichere Erkennung des Drehwinkels bzw. Lenkwinkels mittels der Positionserfassung möglich ist. By transferring the rotation 12 or steering movement in a mechanical translation 24 of the transmitter 20 , whose position is determined within the translation range, is always a clear rotational position or a unique steering angle possible even with multiple revolutions of the steering wheel. Also remains in the failure of the electronics, the rotational movement in the mechanical changed height position. Due to the mechanical translation 24 is also after switched off ignition or disconnected battery, the correct absolute angle of rotation or steering angle available, at the same time a particularly safe operation or a particularly secure detection of the rotation angle or steering angle by means of position detection is possible.

Wie aus 1 bis 4 weiter ersichtlich ist, umfasst der mindestens eine Sensor 26 mehrere Wirbelstromsensoren 26.1 bis 26.5, welche jeweils mindestens eine Spule 27.1, 27.2 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 28 aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinheit 30 ermittelt die aktuelle Position des Messwertgebers 20 innerhalb des Translationsbereichs durch Auswerten der erzeugten Magnetfelder 28. Zur Erhöhung der Auflösung erfasst der mindestens eine Sensor 26 zusätzlich eine Stellung der Zähne 20.2 des zweiten Zahnkranzes 20.1 des Ritzels 20a des Messwertgebers 20, welche die Auswerte- und Steuereinheit 30 zur genaueren Ermittlung des Drehwinkels auswertet. Die Verwendung von Wirbelstromsensoren 26.1 bis 26.5 ermöglicht eine kostengünstige Implementierung der Positionsmessung. Selbstverständlich können auch andere dem Fachmann bekannte Messverfahren zur Ermittlung der Position des Messwertgebers 20 implementiert werden.How out 1 to 4 can be seen further comprises the at least one sensor 26 several eddy current sensors 26.1 to 26.5 , which in each case at least one coil 1.27 . 27.2 for generating a magnetic field 28 exhibit. The evaluation and control unit 30 determines the current position of the transmitter 20 within the translation range by evaluating the generated magnetic fields 28 , To increase the resolution, the at least one sensor detects 26 additionally a position of the teeth 20.2 of the second sprocket 20.1 of the pinion 20a of the transmitter 20 which the evaluation and control unit 30 evaluates for more accurate determination of the angle of rotation. The use of eddy current sensors 26.1 to 26.5 enables a cost-effective implementation of the position measurement. Of course, other measuring methods known to those skilled in the art for determining the position of the transmitter 20 be implemented.

Wie aus 3 und 5 zeigen repräsentativ für alle Wirbelstromsensoren 26.1 bis 26.5 einen mittleren Wirbelstromsensor 26.3, in dessen Höhe das Ritzel 20a des Messwertgebers 20 angeordnet ist. Wie aus 3 und 5 weiter ersichtlich ist, weist der Wirbelstromsensor 26.3 zwei Spulen 27.1, 27.2 zur Erzeugung von korrespondierenden Magnetfeldern 28 auf, wobei die Auswerte- und Steuereinheit 30 eine differenzielle Auswertung der von den zwei Spulen 27.1, 27.2 erzeugten Magnetfeldern 28 durchführt, um die aktuelle Position des Messwertgebers 20 innerhalb des Translationsbereichs zu ermitteln. Bei dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Spulen 27.1, 2 7.2 innerhalb des korrespondierenden Wirbelstromsensors 26.3 übereinander in verschiedenen Höhenpositionen mit einer gemeinsamen Hochachse angeordnet sind, welche parallel zur Drehachse des Messwertgebers 20 verläuft. Durch die Ausführung mit zwei Spulen 27.1, 27.2 ist die Auswerte- und Steuereinheit 30 in der Lage, eine differentielle Auswertung durchzuführen, um parasitäre Einflüsse, wie beispielsweise Temperatur usw. zu beseitigen. Dabei können die zwei Spulen 27.1, 27.2 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, um so eine jeweils von der anderen Spule unbeeinflussten Messung vornehmen zu können. Die Wirbelstromsensoren 26.1 bis 26.5 können beispielsweise in einem mikromechanischen Verfahren in Silizium oder direkt auf einer Leiterplatte realisiert werden. Die Leiterplattenvariante könnte daher noch einen weiteren Kostenvorteil besitzen. Dabei können verschiedene Spulenformen, wie beispielsweise runde oder rechteckige Spulen, aber auch kompliziertere Spulenformen implementiert werden. Durch die Zahnstruktur des Ritzels 20a und die Detektion über Wirbelstromsensoren 26.1 bis 26.5 kann die Drehwinkelerfassung mehrdeutig sein.How out 3 and 5 show representative of all eddy current sensors 26.1 to 26.5 a middle eddy current sensor 26.3 in whose height the pinion 20a of the transmitter 20 is arranged. How out 3 and 5 can be further seen, the eddy current sensor 26.3 two coils 1.27 . 27.2 for generating corresponding magnetic fields 28 on, with the evaluation and control unit 30 a differential evaluation of the two coils 1.27 . 27.2 generated magnetic fields 28 performs the current position of the transmitter 20 within the translation area. In the illustrated first embodiment, the two coils 1.27 , 2 7.2 within the corresponding eddy current sensor 26.3 are arranged one above the other in different height positions with a common vertical axis, which parallel to the axis of rotation of the transmitter 20 runs. By the execution with two coils 1.27 . 27.2 is the evaluation and control unit 30 able to perform a differential evaluation to eliminate parasitic influences such as temperature, etc. The two coils can do this 1.27 . 27.2 be turned on and off alternately, so as to make a respective uninfluenced by the other coil measurement can. The eddy current sensors 26.1 to 26.5 can be realized for example in a micromechanical process in silicon or directly on a printed circuit board. The PCB variant could therefore have a further cost advantage. In this case, different coil shapes, such as round or rectangular coils, but also more complicated coil shapes can be implemented. Through the tooth structure of the pinion 20a and the detection via eddy current sensors 26.1 to 26.5 the rotation angle detection can be ambiguous.

Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, sind die beiden Spulen 27.1‘, 27.2‘ des repräsentativen Wirbelstromsensors 26‘ im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel, statt übereinander wie in 5, versetzt zueinander in verschiedenen Höhenpositionen und mit verschiedenen Hochachsen angeordnet, welche jeweils parallel zur Drehachse des Messwertgebers 20 verlaufen. Diese Anordnung erlaubt der Auswerte- und Steuereinheit 30 eine auftretende Mehrdeutigkeit zu beseitigen. Durch diese Anordnung erhält die Auswerte- und Steuereinheit 30 zwei Signale mit unterschiedlicher Phase bezogen auf die Stellung des Ritzels 20a, und die Stellung der Zähne 20.2 des zweiten Zahnkranzes 20.1 lässt sich herausrechnen.How out 6 it can be seen further, the two coils 27.1 ' . 27.2 ' of the representative eddy current sensor 26 ' in the illustrated second embodiment, instead of one above the other as in 5 , offset from each other in different height positions and arranged with different vertical axes, each parallel to the axis of rotation of the transmitter 20 run. This arrangement allows the evaluation and control unit 30 to eliminate an occurring ambiguity. By this arrangement receives the evaluation and control unit 30 two signals with different phase with respect to the position of the pinion 20a , and the position of the teeth 20.2 of the second sprocket 20.1 can be calculated.

Eine alternative Möglichkeit die Mehrdeutigkeit zu vermeiden besteht darin, dass die Auswerte- und Steuereinheit 30 die differentiellen Spulen 27.1, 27.2 des jeweiligen Wirbelstromsensors 26.1 bis 26.5 zeitlich abwechselnd und gleichzeitig einschaltet (A, B, AB, A, B, AB, ...). Dadurch erfolgen insgesamt drei Messungen mit jeweils unterschiedlich ausgeformten Magnetfeldern 28, welche die Mehrdeutigkeit aufheben. Die Ansteuerung der Spulen 27.1, 27.2 kann beispielsweise durch eine entsprechende Umschaltung oder durch eine sinusförmige Variation der Spulenströme mit einem entsprechenden Phasenversatz zwischen den Spulen erfolgen.An alternative way to avoid ambiguity is that the evaluation and control unit 30 the differential coils 1.27 . 27.2 of the respective eddy current sensor 26.1 to 26.5 alternately and simultaneously (A, B, AB, A, B, AB, ...). This results in a total of three measurements, each with differently shaped magnetic fields 28 which cancel the ambiguity. The control of the coils 1.27 . 27.2 can be done for example by a corresponding switching or by a sinusoidal variation of the coil currents with a corresponding phase offset between the coils.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellten eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug zur Verfügung, welche durch die Überführung der Drehbewegung in eine mechanische Wegänderung auch bei mehrfachen Umdrehungen des rotierenden Bauteils immer eine eindeutige Drehposition zur Verfügung stellen. In vorteilhafter Weise bleibt beim Versagen der Elektronik, die Drehbewegung in der mechanischen veränderten Wegposition erhalten. Aufgrund der mechanischen Wegänderung steht auch nach ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie der richtige absolute Drehwinkel zur Verfügung, wobei gleichzeitig ein besonders sicherer Betrieb bzw. eine besonders sichere Erkennung des Drehwinkels mittels einer Positionserfassung möglich ist.Embodiments of the present invention provided a sensor arrangement for detecting rotational angles on a rotating component in a vehicle, which always provide an unambiguous rotational position by transferring the rotational movement into a mechanical path change even with multiple revolutions of the rotating component. Advantageously, the failure of the electronics, the rotational movement in the mechanical changed path position is maintained. Due to the mechanical path change, the correct absolute rotation angle is available even after the ignition has been switched off or the battery has been disconnected, at the same time allowing particularly safe operation or particularly reliable detection of the rotation angle by means of position detection.

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Claims (10)

Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug, welches an seinem Umfang mit einem Messwertgeber (20) gekoppelt ist, welcher in Verbindung mit mindestens einem Sensor (26) ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils (10) repräsentierendes Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertgeber (20) als Bewegungswandler ausgeführt ist, welcher die Rotation (12) des rotierenden Bauteils (10) in eine Translation (24) des Messwertgebers (20) umwandelt, wobei der mindestens eine Sensor (26) seitlich des Messwertgebers (20) angeordnet ist und den gesamten Translationsbereich des Messwertgebers (20) überwacht, wobei der mindestens eine Sensor (26) eine aktuelle Position des Messwertgebers (20) im Translationsbereich ermittelt, welche den Drehwinkel des rotierenden Bauteils (10) repräsentiert.Sensor arrangement for detecting rotational angles on a rotating component in a vehicle, which is provided at its circumference with a measuring transducer ( 20 ), which in conjunction with at least one sensor ( 26 ) a rotation angle of the rotating component ( 10 ), characterized in that the transmitter ( 20 ) is designed as a motion converter, which rotation ( 12 ) of the rotating component ( 10 ) into a translation ( 24 ) of the transmitter ( 20 ), wherein the at least one sensor ( 26 ) on the side of the transmitter ( 20 ) and the entire translational range of the transmitter ( 20 ), wherein the at least one sensor ( 26 ) a current position of the transmitter ( 20 ) in the translation region which determines the angle of rotation of the rotating component ( 10 ). Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertgeber (20) die Rotation (12) des rotierenden Bauteils (10) in eine axiale Translation (24) des Messwertgebers (20) in Bezug auf das rotierende Bauteil (10) umwandelt.Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the transmitter ( 20 ) the rotation ( 12 ) of the rotating component ( 10 ) in an axial translation ( 24 ) of the transmitter ( 20 ) with respect to the rotating component ( 10 ) converts. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertgeber (20) ein Ritzel (20a) umfasst, welches über ein Innengewinde (20.3) längsbeweglich auf einem Bolzen (22) mit einem korrespondierendem Außengewinde (22.1) geführt und so positioniert ist, dass ein erster Zahnkranz (14) des rotierenden Bauteils (10) einen zweiten Zahnkranz (20.1) des Ritzels (20a) kämmt, so dass das Ritzel (20a) eine die Rotation (12) des rotierenden Bauteils (10) repräsentierende Rotationsbewegung (12‘) aufnimmt und auf dem Bolzen (22) eine Schraubbewegung (24) entlang des Translationsbereichs ausführt. Sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the transmitter ( 20 ) a pinion ( 20a ), which via an internal thread ( 20.3 ) moved longitudinally on a bolt ( 22 ) with a corresponding external thread ( 22.1 ) and positioned so that a first sprocket ( 14 ) of the rotating component ( 10 ) a second sprocket ( 20.1 ) of the pinion ( 20a ) meshes so that the pinion ( 20a ) one the rotation ( 12 ) of the rotating component ( 10 ) representing rotational movement ( 12 ' ) and on the bolt ( 22 ) a screwing movement ( 24 ) along the translation region. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils (10) über ein Übersetzungsverhältnis des rotierenden Bauteils (10) und dem Messwertgeber (20) und/oder über eine Ganghöhe des Innengewindes (20.3) und/oder des Außengewindes (22.1) des Bolzens (22) vorgegeben ist.Sensor arrangement according to claim 3, characterized in that a resolution of the determined angle of rotation of the rotating component ( 10 ) via a transmission ratio of the rotating component ( 10 ) and the transmitter ( 20 ) and / or a pitch of the internal thread ( 20.3 ) and / or the external thread ( 22.1 ) of the bolt ( 22 ) is given. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (26) mehrere Wirbelstromsensoren (26.1 bis 26.5) umfasst, welche jeweils mindestens eine Spule (27.1, 27.2) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (28) aufweisen, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit (30) die aktuelle Position des Messwertgebers (20) innerhalb des Translationsbereichs durch Auswerten der erzeugten Magnetfelder (28) ermittelt.Sensor arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the at least one sensor ( 26 ) several eddy current sensors ( 26.1 to 26.5 ), which in each case at least one coil ( 1.27 . 27.2 ) for generating a magnetic field ( 28 ), wherein an evaluation and control unit ( 30 ) the current position of the transmitter ( 20 ) within the translation range by evaluating the generated magnetic fields ( 28 ). Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (26) zusätzlich eine Zahnstellung des zweiten Zahnkranzes (20.1) des Ritzels (20a) des Messwertgebers (20) erfasst, welche die Auswerte- und Steuereinheit (30) zur Ermittlung des Drehwinkels auswertet.Sensor arrangement according to claim 5, characterized in that the at least one sensor ( 26 ) additionally a tooth position of the second toothed rim ( 20.1 ) of the pinion ( 20a ) of the transmitter ( 20 ), which the evaluation and control unit ( 30 ) evaluates the determination of the angle of rotation. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wirbelstromsensor (26.1 bis 26.5) zwei Spulen (27.1, 27.2) zur Erzeugung von korrespondierenden Magnetfeldern (28) aufweist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (30) eine differenzielle Auswertung der von den zwei Spulen (27.1, 27.2) erzeugten Magnetfeldern (28) durchführt, um die aktuelle Position des Messwertgebers (20) innerhalb des Translationsbereichs zu ermitteln.Sensor arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that each eddy current sensor ( 26.1 to 26.5 ) two coils ( 1.27 . 27.2 ) for generating corresponding magnetic fields ( 28 ), wherein the evaluation and control unit ( 30 ) a differential evaluation of the two coils ( 1.27 . 27.2 ) generated magnetic fields ( 28 ) to read the current position of the transmitter ( 20 ) within the translation range. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (27.1, 27.2) innerhalb des korrespondierenden Wirbelstromsensors (26.3) übereinander in verschiedenen Höhenpositionen mit einer gemeinsamen Hochachse angeordnet sind, welche parallel zur Drehachse des Messwertgebers (20) verläuft.Sensor arrangement according to claim 7, characterized in that the two coils ( 1.27 . 27.2 ) within the corresponding eddy current sensor ( 26.3 ) are arranged one above the other in different height positions with a common vertical axis, which parallel to the axis of rotation of the transmitter ( 20 ) runs. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (27.1‘, 27.2‘) innerhalb des korrespondierenden Wirbelstromsensors (26.3‘) versetzt zueinander in verschiedenen Höhenpositionen und mit verschiedenen Hochachsen angeordnet sind, welche jeweils parallel zur Drehachse des Messwertgebers (20) verlaufen.Sensor arrangement according to claim 7, characterized in that the two coils ( 27.1 ' . 27.2 ' ) within the corresponding eddy current sensor ( 26.3 ' ) are arranged offset to each other in different height positions and with different vertical axes, which in each case parallel to the axis of rotation of the transmitter ( 20 ). Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (30) die beiden Spulen (27.1, 27.2, 27.1‘, 27.2‘) innerhalb des korrespondierenden Wirbelstromsensor (26.3, 26.3‘) erst zeitlich versetzt zueinander und dann gleichzeitig ansteuert und die unterschiedlich ausgeformten Magnetfelder erfasst und auswertet.Sensor arrangement according to one of claims 7 to 9, characterized in that the evaluation and control unit ( 30 ) the two coils ( 1.27 . 27.2 . 27.1 ' . 27.2 ' ) within the corresponding eddy current sensor ( 26.3 . 26.3 ' ) only offset in time and then simultaneously controls and detects the differently shaped magnetic fields and evaluates.
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