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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Unter Rotationseigenschaften sind dabei allgemein Eigenschaften zu verstehen, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreiben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Winkelgeschwindigkeiten, Drehzahlen, Winkelbeschleunigungen, Drehwinkel, Winkelstellung oder andere Eigenschaften handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements charakterisieren können. Beispiele derartiger Sensoren sind aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 63–73 und 120–129, bekannt. Ein besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung, auf welche die Erfindung jedoch grundsätzlich nicht beschränkt ist, liegt in einer Erfassung einer Drehzahl einer Kurbelwelle oder Nockenwelle.
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Bei der Steuerung von Brennkraftmaschinen ist es beispielsweise bekannt, inkrementale Geber an Kurbel- und/oder Nockenwelle zu verwenden. Üblich sind Geberscheiben mit Inkrementmarken, die Zähne und Zahnlücken umfassen, die im Zusammenwirken der Signale von Kurbel- und Nockenwelle verwendet werden.
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Derartige Gebersysteme verwenden eine nicht gleichförmige Anordnung der Inkrementmarken. Eine typische Realisierung ist dabei ein Geberrad mit 60 minus zwei Zähne, also 58 Zähnen, und einer Geberradlücke von zwei Zähnen. Trotz der durch die oben beschriebenen Sensoren bewirkten Vorteile beinhalten diese noch Potenzial für Verbesserungen. So ist der Zweck der Geberradlücke, die Motorsteuerung mit der Kurbelwellenposition zu synchronisieren. Dabei misst die Motorsteuerung kontinuierlich die Zeit zwischen zwei Zahnflanken, die an dem Sensor vorbeigeführt werden. Die Geberradlücke wird dabei dadurch erfasst, dass die Zeit zwischen dem vor der Geberradlücke angeordneten Zahn zu dem nach der Geberradlücke angeordneten Zahn größer ist als die Zeit zwischen den übrigen benachbarten Zähnen. Mit anderen Worten ist der Zeitraum eines Zahn-Geberradlücke-Paares größer als der Zeitraum eines Zahn-Zahnlücke-Paares. Falls jedoch der halbe Zeitraum für das Zahn-Geberradlücke-Paar größer als der Zeitraum Zahn-Zahnlücke-Paar ist, wird die Motorsteuerung den falschen Winkel resynchronisieren oder, falls sie bereits synchronisiert ist, ihre Synchronisation verlieren, da sich die Motorsteuerung nicht mehr der genauen Position sicher ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist entsprechend Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements anzugeben, die die oben beschriebenen Nachteile zumindest weitgehend vermeidet und die insbesondere geeignet ist, eine Zahnlücke in einem Geberrad sicher und zuverlässig auch in schwierigen Randbedingungen zu erkennen.
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Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements umfasst mindestens einen Geber und ein Geberrad. Das Geberrad weist Zähne, Zahnlücken zwischen den Zähnen und mindestens eine Geberradlücke auf. Der Geber ist zum Erzeugen eines Ausgangssignals ausgebildet. Das Ausgangssignal umfasst mindestens einen ersten Wert, der einem der Zähne zugeordnet ist, oder einen zweiten Wert, der einer Zahnlücke zugeordnet ist. Die mindestens eine Geberradlücke ist dabei so ausgebildet, dass das Ausgangssignal einen dritten Wert umfasst, der der Geberradlücke zugeordnet ist und dessen Größe sich von dem zweiten Wert unterscheidet.
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Insbesondere kann der dritte Wert kleiner als der zweite Wert sein. Der zweite Wert kann dabei kleiner als der erste Wert sein. Die Geberradlücke weist bevorzugt eine Vertiefung in dem Geberrad auf. Die Vertiefung kann eine Tiefe von 0,1 mm bis 1,0 mm aufweisen. Das Ausgangssignal kann ein analoges Ausgangssignal sein. Alternativ kann das Ausgangssignal ein digitales Ausgangssignal, insbesondere ein Rechtecksignal, sein. Das Ausgangssignal kann insbesondere ein elektrisches Ausgangssignal sein. Beispielsweise ist das Ausgangssignal eine elektrische Spannung. Der Geber kann mindestens ein Geberelement zum Liefern des Ausgangssignals aufweisen. Das Geberelement kann ein Hall-Element sein. Alternativ kann der Geber ein induktiver Geber sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Rotationseigenschaft eine Drehzahl des rotierenden Elements sein.
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Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens einen mit dem rotierenden Element verbindbaren Inkrementträger umfassen. Der wenigstens eine Inkrementträger kann ein Zahnrad sein. Das Zahnrad kann wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Inkrementträger ein magnetisches Multipolrad sein. Das Multipolrad kann hierzu beispielsweise durch in einem Kunststoff eingeschlossene permanentmagnetische Partikel mit bereichsweise alternierender Polarisierung gebildet sein. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Inkrementträger permanentmagnetische Bereiche aufweist und der Inkrementträger zur Bildung von Wirbelströmen eingerichtet ist. Hierbei kann es sich bevorzugt um einen Inkrementträger in Form eines zuvor beschriebenen magnetischen Polrades handeln.
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Unter einem Inkrementträger ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mit dem rotierenden Element verbindbarer oder verbundener Träger zu verstehen. Der Träger kann beispielsweise in Form eines Geberrads ausgebildet sein. Ein Inkrementträger wird üblicherweise bei inkrementellen Messmethoden verwendet. Die bei Drehzahlsensoren häufig zum Einsatz gelangende Messmethode ist eine inkrementelle Zählmethode, bei welcher durch eine Zählung von Einzelwerten, auch Inkrementwerte genannt, die Wertänderung pro Zeiteinheit gemessen wird und dadurch auf verschiedene Rotationseigenschaften, wie beispielsweise die Drehzahl oder eine der anderen zuvor genannten Eigenschaften geschlossen werden kann. Der Inkrementträger weist hierzu üblicherweise entlang eines Wegs periodisch angeordnete Wertgeber auf, welche jeweils einzeln erfassbar sind und jeweils die Erhöhung oder Verringerung des Zählwerts um ein Inkrement auslösen. Der Inkrementträger kann beispielsweise aus einem auf einen entsprechenden magnetischen Sensor abgestimmten Zahnrad aus einem magnetisierbaren Material bestehen, welches, sofern es durch ein äußeres Magnetfeld bewegt wird, im Bereich eines jedes Zahnes und einer jeden zwischen zwei Zähnen angeordneten Lücke durch eine unterschiedliche Beeinflussung des Magnetfeldes erfassbare Ereignisse erzeugt. Ebenfalls ist es denkbar, dass der Inkrementträger in Form eines Multipolrads gebildet ist, welches üblicherweise durch eine Abfolge von permanentmagnetischen Bereichen mit einer alternierenden bzw. sich abwechselnden magnetischen Polarisation gebildet ist. Ein derartiges Multipolrad kann hierbei in der Lage sein, durch Ausbildung einer Mehrzahl an eigenen magnetischen Feldbereichen durch Interferenz, beispielsweise eine Überlagerung, mit einem äußeren Magnetfeld, sprich durch eine Messung der Änderung des äußeren Magnetfeldes, oder aber durch eine unmittelbare Messung der Mehrzahl an magnetischen Feldbereichen zwischen zwei benachbarten permanentmagnetischen Bereichen eine Mehrzahl erfassbarer magnetischer Ereignisse zu erzeugen.
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Die Sensorvorrichtung kann wenigstens eine Auswerteeinheit umfassen. Die wenigstens eine Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um das Ausgangssignal auszuwerten. Unter einer Auswertung des Ausgangssignals wird hier allgemein jeder beliebige Prozessschritt verstanden, der der Gewinnung einer Information über eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements ausgehend von dem Ausgangsignal dient. Beispielsweise bei der absoluten Winkelposition als zu erfassende Rotationseigenschaft kann es hierbei vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit zumindest teilweise, bevorzugt jedoch vollständig das Ausgangssignal auswertet und die gewonnene Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements in Form eines Datensignals, beispielsweise einer nicht zur Sensorvorrichtung gehörenden Motorsteuerung, insbesondere einem Motorsteuergerät, zur Verfügung stellt. In diesem Fall empfängt beispielsweise das Motorsteuergerät von der Auswerteeinheit eine Information über die Rotationseigenschaft und muss diese in Abhängigkeit von der Information auf die Genauigkeit der jeweiligen Information über die Rotationseigenschaft hin vergleichen und/oder überprüfen.
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Weiterhin ist es möglich, eine Auswertung der Gesamtheit der einzelnen Ausgangssignale der Sensorvorrichtung mit einer im Wesentlichen an die Sensorvorrichtung angepassten Auswerteelektronik derart in der Sensorvorrichtung zu implementieren, dass eine Gewinnung der Information über die Rotationseigenschaft in annähernd Realzeit durchgeführt werden kann.
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Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Sensorvorrichtung mit wenigstens einer Auswerteeinheit kann darin bestehen, dass die wenigstens eine Auswerteeinheit einen Signalausgang aufweist. Die wenigstens eine Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um an ihrem Signalausgang in Abhängigkeit von der Drehzahl des rotierenden Elements lediglich eines der ausgewerteten Sensorsignale bereitzustellen. Die Rotationseigenschaft kann insbesondere eine Drehzahl sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung und
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2 ein von der Sensorvorrichtung geliefertes Ausgangssignal.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements 12. Bei der Rotationseigenschaft handelt es sich bei der gezeigten Ausführungsform um eine Drehzahl des rotierenden Elements 12. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Rotationseigenschaften mit der beschriebene Sensorvorrichtung 10 erfassbar sind, wie beispielsweise Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen.
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Das rotierende Element 12 ist beispielsweise eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine. Die Sensorvorrichtung 10 umfasst mindestens einen Geber 14 und ein Geberrad 16. Das Geberrad 16 ist mit dem rotierenden Element 12 verbunden. Das Geberrad 16 weist Zähne 18 und Zahnlücken 20 zwischen den Zähnen 18 auf. Beispielsweise weist das Geberrad 16 eine Anzahl von 58 Zähnen 18 auf. Eine Breite 22 einer Zahnlücke 20 kann identisch zu einer Breite 24 eines Zahns 18 sein. Das Geberrad 16 weist weiterhin mindestens eine Geberradlücke 26 auf. Die Geberradlücke 26 ist so ausgebildet, dass sie sich von den Zahnlücken 20 unterscheidet, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Die Geberradlücke 26 weist eine Breite 28 auf, die größer als die Breite 22 einer Zahnlücke 22 bzw. die Breite 24 eines Zahns 18 ist. Die Geberradlücke 26 weist beispielsweise eine Breite 28 auf, die viermal so groß wie eine die Breite 22 einer Zahnlücke 22 bzw. die Breite 24 eines Zahns 18 ist. Folglich weist das Geberrad 16 eine Anzahl von 60 minus zwei Zähnen 18, also 58 Zähnen, und eine Geberradlücke 26 von zwei Zähnen 18 mit entsprechenden Zahnlücken 20 auf. Die Geberradlücke 26 weist weiterhin eine Vertiefung 30 auf, die in dem Geberrad 16 ausgebildet ist. Die Vertiefung 30 kann eine Tiefe 32 von 0,1 mm bis 1,0 mm aufweisen, beispielsweise 0,5 mm. Dadurch ist ein Abstand 34 von einer Zahnspitze 36 zu einer Oberfläche 38 einer Zahnlücke 20 kleiner als ein Abstand 40 von der Zahnspitze 36 zu einer Oberfläche 42 der Vertiefung 30. Mit anderen Worten ist die Oberfläche 42 der Vertiefung 30 weiter von der Zahnspitze 36 beabstandet als die Oberfläche 38 einer Zahnlücke 20. Es versteht sich jedoch, dass in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung die Vertiefung 30 auch eine größere Tiefe 32 aufweisen kann. So kann die Vertiefung 30 beispielsweise zur besseren Unterscheidung der Geberradlücke 26 von einer Zahnlücke 22 eine Tiefe 32 von mehr als 1,0 mm aufweisen, beispielsweise 1,5 mm, 2,0 mm oder 5,0 mm. Der Geber 14 weist mindestens ein Geberelement 44 auf. Figur Das Geberelement 44 ist beispielsweise ein Hall-Element. Der Geber 14 ist zum Erzeugen eines Ausgangssignals ausgebildet, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist.
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2 zeigt ein von der Sensorvorrichtung 10 bzw. dem Geber 14 geliefertes Ausgangssignal 46. Das Ausgangssignal 46 verändert sich in Abhängigkeit davon, ob ein Zahn 18, eine Zahnlücke 20 oder die Geberradlücke 26 an dem Geber 14 vorbei geführt wird. Das Ausgangssignal kann dabei ein analoges Ausgangssignal 46 sein, wie in 2 dargestellt. Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von dem Geberelement 44 ein digitales Ausgangssignal geliefert werden kann, das beispielsweise als Rechtecksignal vorliegt. Bevorzugt ist das Ausgangssignal 46 ein elektrisches Ausgangssignal 48, wie beispielsweise eine elektrische Spannung 50, deren Verlauf in 2 dargestellt ist.
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Das Ausgangssignal 46 umfasst mindestens einen ersten Wert 52, der einem der Zähne 18 zugeordnet ist, oder einen zweiten Wert 54, der einer Zahnlücke 20 zugeordnet ist. Das Ausgangssignal 46 umfasst somit den ersten 52, wenn ein Zahn 18 den Geber 14 passiert, oder den zweiten Wert 54, wenn eine Zahnlücke 20 den Geber 14 passiert. Insbesondere ist der zweite Wert 54 kleiner als der erste Wert 52. Das heißt, das Geberelement 44 liefert eine geringere elektrische Spannung 50, wenn es von einer Zahnlücke 20 passiert wird als wenn es von einem Zahn 18 passiert wird. Die Geberradlücke 26 ist bedingt durch die Vertiefung 30 so ausgebildet, dass das Ausganssignal 46 einen dritten Wert 56 umfasst, der der Geberradlücke 26 zugeordnet ist und dessen Größe sich von dem zweiten Wert 54 unterscheidet. Der dritte Wert 56 ist kleiner als der zweite Wert 54. Das heißt, das Geberelement 44 liefert eine geringere elektrische Spannung 50, wenn es von der Geberradlücke 26 mit der Vertiefung 30 passiert wird als wenn es von einer Zahnlücke 20 passiert wird. Dieser kleinere elektrische Spannungswert erlaubt eine eindeutige Identifizierung der Geberradlücke 26.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 63–73 und 120–129 [0001]
