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Stand der Technik
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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.
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Bei bekannten Lenkwinkelsensoren 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.
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Zudem sind aus dem Stand der Technik Lenkwinkelsensoren bekannt, welche den Lenkwinkel für mehrere Umdrehungen des Lenkrades mit Hilfe zweier Zahnräder messen, die über ein großes Zahnrad an einer Lenkstange gekoppelt sind. Die Zahnräder sind in einer Richtung magnetisiert und mit Hilfe von Magnetfeldsensoren kann der Winkel der Zahnräder bestimmt werden. Die beiden Zahnräder haben eine leicht unterschiedliche Anzahl von Zähnen, so dass am Verhältnis der Winkel zueinander auch die jeweilige Umdrehung der Zahnräder bestimmt werden kann. Somit kann der Winkel des Lenkrades über mehrere Umdrehungen bestimmt werden. Für diese bekannte Ausführungsform sind zwei Zahnräder und somit auch zwei zweiachsige Magnetfeldsensoren zur Bestimmung des aktuellen Drehwinkels erforderlich.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Anzahl der erforderlichen Sensoren von zwei zweiachsigen Sensoren auf einen dreiachsigen Sensor reduziert werden kann. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auch die Fläche für eine Schaltungselektronik bzw. eine Leiterplatte usw. verringert werden. Damit können in der Elektronik deutliche Kosteneinsparungen erzielt werden.
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Da Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung den Drehwinkel an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug sehr genau bestimmen können, kann eine Untersetzung mit nur einem Zahnrad und zwei verschiedenen Zahnkränzen verwendet werden, um mehrere Umdrehung des rotierenden Bauteils zu messen. Dies ist mit einer einfachen Magnetisierung des Messwertgebers, d.h. mit nur einer Magnetisierungsrichtung über den ganzen Messwertgeber nicht möglich.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug zur Verfügung, welches an seinem Umfang über eine Untersetzung mit einem magnetisierten Messwertgeber gekoppelt ist. Hierbei erfasst eine Messvorrichtung mindestens eine physikalische Größe eines Magnetfelds und erzeugt in Verbindung mit dem magnetisierten Messwertgeber ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils repräsentierendes Signal. Erfindungsgemäß ist der Messwertgeber als dreidimensional magnetisiertes Bauteil ausgeführt und die Messvorrichtung umfasst einen dreiachsigen Magnetfeldsensor, welcher einen zur Bestimmung des aktuellen Drehwinkels des rotierenden Bauteils auswertbaren dreidimensionalen Vektor des Magnetfelds des Messwertgebers erfasst und für jede Raumachse einen korrespondierenden Wert für das Magnetfeld ausgibt.
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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.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Messwertgeber als dreidimensional magnetisierte Scheibe ausgeführt werden kann, welche am Außenumfang mit der Untersetzung gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung des Messwertgebers. Alternativ kann der Messwertgeber als dreidimensional magnetisierte Ringscheibe ausgeführt werden, welche am Innenumfang mit der Untersetzung gekoppelt ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine kompakte Bauform der Sensoranordnung dargestellt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der dreiachsige Magnetfeldsensor einer ersten Messvorrichtung den dreidimensionalen Vektor einer Magnetfeldstärke des Messwertgebers an dessen Stirnfläche erfassen. Alternativ kann der dreiachsige Magnetfeldsensor einer zweiten Messvorrichtung den dreidimensionalen Vektor einer Magnetfeldstärke des Messwertgebers an dessen Umfangsfläche erfassen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Untersetzung als Zahnrad mit zwei Zahnkränzen ausgeführt werden. Die Untersetzung kann über einen ersten Zahnkranz, welcher eine erste Zahnanzahl aufweist, mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt werden und über einen zweiten Zahnkranz, welcher eine zweite Zahnanzahl aufweist, mit dem Messwertgeber gekoppelt werden. Zur Darstellung der Untersetzung ist die erste Zahnanzahl größer als die zweite Zahnanzahl und ein Untersetzungsverhältnis der zweiten Zahlanzahl zur ersten Zahnanzahl ist in vorteilhafter Weise so vorgegeben, dass ein aktueller Drehwinkel des rotierenden Bauteils über eine vorgegebene Anzahl von Umdrehungen erfassbar ist. Vorzugsweise ist das Untersetzungsverhältnis so vorgegeben, dass der aktuelle Drehwinkel des rotierenden Bauteils über eine maximale Anzahl von möglichen Umdrehungen des rotierenden Bauteils erfassbar ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können aus den auf die Raumachsen bezogenen Werten der Magnetfeldstärke mindestens zwei Winkel berechnet werden. Aus den berechneten Winkeln kann dann über das Nonius-Prinzip in vorteilhafter Weise der aktuelle Drehwinkel des rotierenden Bauteils erfasst werden. Durch die Ausgabe von zwei Winkeln können in vorteilhafter Weise bekannte Auswertealgorithmen der bisher im Fahrzeug eingesetzten Drehwinkelsensoren ohne große Veränderungen fast vollständig übernommen werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise zur Ermittlung eines Lenkwinkels eines Lenkrads und/oder einer Pedalstellung eingesetzt werden.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Messwertgebers mit den für die Berechnung des Drehwinkels erforderlichen Größen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfassen Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1A, 1B zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil 10 in einem Fahrzeug jeweils einen magnetisierten Messwertgeber 40, 40A, 40B, eine Untersetzung 20 und eine Messvorrichtung 30, 30A, 30B, welche mindestens eine physikalische Größe eines Magnetfelds erfasst. Das rotierende Bauteil 10 ist an seinem Umfang über die Untersetzung 20 mit dem magnetisierten Messwertgeber 40, 40A, 40B gekoppelt. Die Untersetzung 20 überträgt die untersetzte Rotationsbewegung 12 des rotierenden Bauteils 10 auf den Messwertgeber 40, 40A, 40B. Die Messvorrichtung 30, 30A, 30B erzeugt in Verbindung mit dem magnetisierten Messwertgeber 40, 40A, 40B ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils 10 repräsentierendes Signal.
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Erfindungsgemäß ist der Messwertgeber 40 als dreidimensional magnetisiertes Bauteil 40A, 40B ausgeführt, und die Messvorrichtung 30 umfasst einen dreiachsigen Magnetfeldsensor 32, welcher einen zur Bestimmung des aktuellen Drehwinkels des rotierenden Bauteils 10 auswertbaren dreidimensionalen Vektor des Magnetfelds des Messwertgebers 20 erfasst und für jede Raumachse x, y, z einen korrespondierenden Wert für das Magnetfeld H ausgibt.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1A, 1B können beispielsweise als Lenkwinkelsensor zur Bestimmung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs oder als Drehwinkelsensor zur Bestimmung einer Pedalstellung im Fahrzeug eingesetzt werden. Dabei ist das rotierende Bauteil 10 beispielsweise als Zahnrad ausgeführt und vorzugsweise mit einem Lenkrad und/oder einer Lenksäule bzw. einem Pedal des Fahrzeugs drehfest gekoppelt.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die Untersetzung 20 als Zahnrad mit zwei Zahnkränzen 22, 24 ausgeführt. Die Untersetzung 20 ist über einen ersten Zahnkranz 22, welcher eine erste Zahnanzahl N1 aufweist, mit dem rotierenden Bauteil 10 gekoppelt. Über einen zweiten Zahnkranz 24, welcher eine zweite Zahnanzahl N2 aufweist, ist die Untersetzung 20 mit einem dritten Zahnkranz 32, 32A, 32B des Messwertgebers 20 gekoppelt. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die erste Zahnanzahl N1 größer als die zweite Zahnanzahl N2. Das Untersetzungsverhältnis der zweiten Zahlanzahl N2 zur ersten Zahnanzahl N1 ist so vorgegeben, dass ein aktueller Drehwinkel des rotierenden Bauteils 10 über eine vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen erfassbar ist.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist der Messwertgeber 40 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1A als dreidimensional magnetisierte Scheibe 40A ausgeführt, welche am Außenumfang 42A mit der Untersetzung 20 gekoppelt ist. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist der als Scheibe 40A ausgeführte Messwertgeber 40 über einen an der Umfangsfläche 44.2 ausgebildeten Außenzahnkranz 42A mit dem zweiten Zahnkranz 24 der Untersetzung 20 gekoppelt. Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel erfasst der dreiachsige Magnetfeldsensor 32A einer ersten Messvorrichtung 30A den in 3 dargestellten dreidimensionalen Vektor einer Magnetfeldstärke H des Messwertgebers 40 an dessen Stirnfläche 44.1.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist der Messwertgeber 40 im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1B als dreidimensional magnetisierte Ringscheibe 40B ausgeführt, welche am Innenumfang mit der Untersetzung 20 gekoppelt ist. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist der als Ringscheibe 40B ausgeführte Messwertgeber 40 über einen am Innenumfang ausgebildeten Innenzahnkranz 42B mit dem zweiten Zahnkranz 24 der Untersetzung 20 gekoppelt. Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel erfasst der dreiachsige Magnetfeldsensor 32B einer zweiten Messvorrichtung 30B den in 3 dargestellten dreidimensionalen Vektor einer Magnetfeldstärke H des Messwertgebers 40 an dessen Umfangsfläche 44.2.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, sind aus den auf die Raumachsen x, y, z bezogenen Werte der Magnetfeldstärke H mindestens zwei Winkel Θ, Ψ berechenbar, aus welchen vorzugsweise über das Nonius-Prinzip der aktuelle Drehwinkel des rotierenden Bauteils 10 bestimmbar ist. Die dargestellten Oszillationen der beiden Winkel Θ, Ψ können beispielsweise über Arcus-Tangens-Funktionen aus den auf die Raumachsen x, y, z bezogenen Werten der Magnetfeldstärke H berechnet werden. Durch die Berechnung von zwei Winkel Θ, Ψ ergibt sich als weiterer Vorteil, dass für die nachfolgende Auswertung bereits bekannte Algorithmen von herkömmlichen Lenkwinkelsensoren übernommen werden können.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug zur Verfügung, welche beispielsweise zur Ermittlung eines Lenkwinkels eines Lenkrads und/oder einer Pedalstellung eingesetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011448 A1 [0004]
