DE102014212498A1

DE102014212498A1 - Sensor arrangement and a method for determining a rotation angle

Info

Publication number: DE102014212498A1
Application number: DE102014212498.0A
Authority: DE
Inventors: Harald Kazmierczak; Thomas Klotzbuecher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-12-31

Abstract

Eine Sensoranordnung (10) zum Ermitteln eines Drehwinkels einer Welle (12) umfasst eine in einem Gehäuse (18) drehbar gelagerte Welle (12), einen mit dem Gehäuse (18) gekoppelten Sensorstator (20), einen mit der Welle (12) gekoppelten Sensorrotor (14), der derart mit der Welle (12) gekoppelt ist, dass der Sensorrotor (14) von der Welle (12) in Drehrichtung mitgenommen wird, und Sensorelemente (40, 42), die auf dem Sensorstator (20) und dem Sensorrotor (14) angeordnet sind und die dazu geeignet sind, eine relative Winkelstellung des Sensorstators (20) und des Sensorrotors (14) mittels eines elektromagnetischen Felds zu erfassen. Der Sensorstator (20) und der Sensorrotor (14) sind derart über ein Gewinde (22) an der Welle (12) miteinander gekoppelt, dass sich bei Drehung der Welle (12) der Abstand des Sensorstators (20) und des Sensorrotors (14) in Längsrichtung der Welle (12) ändert.A sensor arrangement (10) for determining a rotational angle of a shaft (12) comprises a shaft (12) rotatably mounted in a housing (18), a sensor stator (20) coupled to the housing (18), one coupled to the shaft (12) Sensor rotor (14) which is so coupled to the shaft (12) that the sensor rotor (14) by the shaft (12) is driven in the rotational direction, and sensor elements (40, 42) on the sensor stator (20) and the Sensor rotor (14) are arranged and which are adapted to detect a relative angular position of the sensor stator (20) and the sensor rotor (14) by means of an electromagnetic field. The sensor stator (20) and the sensor rotor (14) are coupled to one another via a thread (22) on the shaft (12) in such a way that upon rotation of the shaft (12) the distance of the sensor stator (20) and the sensor rotor (14) in the longitudinal direction of the shaft (12) changes.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Drehwinkels einer Welle. Außerdem betrifft die Erfindung eine Steuereinheit zum Durchführen dieses Verfahrens.The invention relates to a sensor arrangement and a method for determining a rotation angle of a shaft. Moreover, the invention relates to a control unit for carrying out this method.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

An vielen Stellen im Fahrzeug werden Wellen verwendet, deren Winkelstellung ermittelt werden muss, um Steuergeräte mit dieser Information zu versorgen. Beispiele hierfür sind die Welle einer Drosselklappe, über die der Öffnungsgrad der Drosselklappe bestimmt werden kann, oder die Lenkradwelle, aus deren Stellung die Lenkrichtung des Fahrzeugs abgeleitet werden kann.In many places in the vehicle, shafts are used whose angular position must be determined in order to supply control units with this information. Examples include the shaft of a throttle valve, via which the degree of opening of the throttle valve can be determined, or the steering wheel shaft, from whose position the steering direction of the vehicle can be derived.

Um Winkelbereiche kleiner als 360° zu messen, sind zahlreiche Messverfahren bekannt. Insbesondere können hierzu berührungslose Sensoren verwendet werden, die mithilfe eines elektromagnetischen Feldes die Stellung eines Sensorstators relativ zu einem Sensorrotor ermitteln können. Als Beispiel kann ein Sensor basierend auf dem sogenannten Eddy-Current-Prinzip dienen, bei dem die Winkelstellung über die Induktivität einer Leiterschleife bestimmt wird, die von der Welle an einem elektrischen Leiter vorbeibewegt wird.In order to measure angular ranges smaller than 360 °, numerous measuring methods are known. In particular, non-contact sensors can be used for this purpose, which can determine the position of a sensor stator relative to a sensor rotor by means of an electromagnetic field. As an example, a sensor based on the so-called eddy-current principle can be used, in which the angular position is determined by the inductance of a conductor loop, which is moved by the shaft on an electrical conductor.

Bei Winkelbereichen größer als 360°, wie beispielsweise bei Lenkwinkeln in Kraftfahrzeugen (zum Beispiel etwa 1500°; zwei Umdrehungen rechts, zwei Umdrehungen links), kann ein Zahnradsystem verwendet werden und der Winkel mit dem Noniusprinzip bestimmt werden. Dazu ist in der Regel ein weiterer Stellungssensor notwendig.For angular ranges greater than 360 °, such as steering angles in motor vehicles (for example, about 1500 °, two turns right, two turns left), a gear system can be used and the angle can be determined with the vernier principle. This usually requires another position sensor.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Mit der Erfindung können Sensorelemente für einen Winkelsensor für mehr als 360° eingespart und der Winkelsensor ausfallsicherer ausgeführt werden.With the invention, sensor elements for an angle sensor can be saved for more than 360 ° and the angle sensor can be designed fail-safe.

Diese Vorteile können mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht werden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.These advantages can be achieved with the subject matter of the independent claims. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the following description.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Ermitteln eines Drehwinkels einer Welle. Die Sensoranordnung bzw. der Drehwinkelsensor kann beispielsweise dazu dienen, die Position einer Lenkwelle zu bestimmen. Die Welle kann beispielsweise die Lenkradspindel eines Fahrzeugs sein.One aspect of the invention relates to a sensor arrangement for determining a rotation angle of a shaft. The sensor arrangement or the rotation angle sensor can serve, for example, to determine the position of a steering shaft. The shaft may be, for example, the steering wheel spindle of a vehicle.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensoranordnung eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Welle, einen mit dem Gehäuse gekoppelten Sensorstator, einen mit der Welle gekoppelten Sensorrotor, der derart mit der Welle gekoppelt ist, dass der Sensorrotor von der Welle in Drehrichtung mitgenommen wird, und Sensorelemente, die auf dem Sensorstator und dem Sensorrotor angeordnet sind und die dazu geeignet sind, eine relative Winkelstellung des Sensorstators und des Sensorrotors mittels eines elektromagnetischen Felds zu erfassen.According to one embodiment of the invention, the sensor arrangement comprises a shaft rotatably mounted in a housing, a sensor stator coupled to the housing, a sensor rotor coupled to the shaft, which is coupled to the shaft such that the sensor rotor is driven by the shaft in the direction of rotation, and Sensor elements which are arranged on the sensor stator and the sensor rotor and which are adapted to detect a relative angular position of the sensor stator and the sensor rotor by means of an electromagnetic field.

Beispielsweise kann das Gehäuse das Chassis eines Fahrzeugs sein oder zumindest direkt mit dem Chassis verbunden sein. Das Gehäuse kann relativ zum Fahrzeug unbeweglich sein. Die Welle wiederum ist drehbar zum Gehäuse und kann beispielsweise neben dem Sensorrotor ein Lenkrad tragen. Sensorstator und Sensorrotor können als relativ zueinander drehbare Scheiben ausgeführt sein, die jeweils Sensorelemente tragen, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen können, mit dem berührungslos eine Relativstellung von 0° bis 360° des Sensorstators zum Sensorrotor ermittelt werden kann. For example, the housing may be the chassis of a vehicle or at least be connected directly to the chassis. The housing may be immovable relative to the vehicle. The shaft in turn is rotatable to the housing and may, for example, wear a steering wheel next to the sensor rotor. Sensor stator and sensor rotor can be designed as relatively rotatable discs, each carrying sensor elements that can generate an electromagnetic field, with the contact a relative position of 0 ° to 360 ° of the sensor stator can be determined to the sensor rotor.

Der Sensorstator und der Sensorrotor sind derart über ein Gewinde an der Welle miteinander gekoppelt, dass sich bei Drehung der Welle der Abstand des Sensorstators und des Sensorrotors in Längsrichtung ändert. Insbesondere ist zumindest der Sensorstator und/oder der Sensorrotor so mit dem Gehäuse bzw. der Welle gekoppelt, dass er sich in einer Längsrichtung entlang der Welle bewegen kann. The sensor stator and the sensor rotor are coupled to one another via a thread on the shaft in such a way that the distance between the sensor stator and the sensor rotor changes in the longitudinal direction when the shaft rotates. In particular, at least the sensor stator and / or the sensor rotor is coupled to the housing or the shaft such that it can move in a longitudinal direction along the shaft.

Dadurch, dass sich der Abstand zwischen den beiden Sensorelementen auf dem Sensorstator bzw. Sensorrotor ändert, schwächt sich das gemessene elektromagnetische Feld mit dem Abstand, was bei der Auswertung der Sensorsignale berücksichtigt werden kann. Somit kann als zusätzliche Information aus den Sensorsignalen nicht nur die Winkelstellung von Sensorstator zu Sensorrotor ermittelt, sondern auch deren Abstand ermittelt werden. Aus dem Abstand kann dann die Anzahl der Umdrehung bestimmt werden. Auf diese Weise kann mit einem 360°-Sensor (d.h. ein Sensor, der dazu ausgeführt ist, um Winkelbereiche bis 360° zu ermitteln) ein Winkelbereich von mehr als 360° bestimmt werden.The fact that the distance between the two sensor elements on the sensor stator or sensor rotor changes, the measured electromagnetic field weakens with the distance, which can be taken into account in the evaluation of the sensor signals. Thus, not only the angular position of sensor stator to sensor rotor can be determined as additional information from the sensor signals, but also their distance can be determined. From the distance then the number of revolution can be determined. In this way, with a 360 ° sensor (i.e., a sensor designed to detect angular ranges up to 360 °), an angular range greater than 360 ° can be determined.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sensorstator mit dem Gehäuse starr verbunden. Beispielsweise kann der Stator mit dem Chassis fest verbunden sein und der Sensorrotor in einer Längsrichtung entlang der Welle beweglich sein. Dabei ist der Sensorrotor derart mit der Welle gekoppelt, dass er sich mit ihr mitdreht.According to one embodiment of the invention, the sensor stator is rigidly connected to the housing. For example, the stator may be fixed to the chassis and the sensor rotor may be movable in a longitudinal direction along the shaft. The sensor rotor is coupled to the shaft in such a way that it rotates with it.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der Sensorrotor und die Welle mittels einer in einer Nut geführten Feder gekoppelt. Auf diese Weise ist der Sensorrotor entlang der Welle verschiebbar, dreht sich aber mit der Welle zusammen. Beispielsweise können an der Welle ein Gewinde und eine Nutenführung vorhanden sein. Eine Feder in diesem Sinne kann ein in die Nut eingreifendes Element sein.According to one embodiment of the invention, the sensor rotor and the shaft by means of a in coupled to a groove-guided spring. In this way, the sensor rotor is slidable along the shaft, but rotates with the shaft. For example, a thread and a groove guide may be present on the shaft. A spring in this sense may be a groove engaging element.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensoranordnung weiter eine im Gehäuse in einer Längsrichtung der Welle geführte Gewindebuchse, die auf das Gewinde geschraubt ist, so dass sich die Gewindebuchse bei einer Drehung der Welle in Längsrichtung der Welle verschiebt. Die Gewindebuchse wiederum ist mit dem Sensorrotor gekoppelt, so dass die Gewindebuchse den Sensorrotor entlang der Welle verschieben bzw. mitnehmen kann. Beispielsweise kann ein Lager zwischen der Gewindebuchse und dem Sensorrotor angeordnet sein, das ein Gleiten des Sensorrotors auf der Gewindebuchse ermöglicht.According to one embodiment of the invention, the sensor arrangement further comprises a threaded bushing guided in the housing in a longitudinal direction of the shaft, which is screwed onto the thread, so that the threaded bushing shifts in the longitudinal direction of the shaft upon rotation of the shaft. The threaded bushing in turn is coupled to the sensor rotor, so that the threaded bushing can move or take along the sensor rotor along the shaft. For example, a bearing between the threaded bushing and the sensor rotor may be arranged, which allows a sliding of the sensor rotor on the threaded bushing.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Gewindebuchse und das Gehäuse mittels einer in einer Nut geführten Feder gekoppelt. Auf diese Weise ist die Gewindebuchse entlang des Gehäuses verschiebbar, wird aber von der Welle nicht mitgedreht. According to one embodiment of the invention, the threaded bushing and the housing are coupled by means of a tongue guided in a spring. In this way, the threaded bush is slidable along the housing, but is not rotated by the shaft.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gewinde an einer Außenfläche der Welle oder auf einer an der Welle fixierten Buchse vorgesehen. Es ist möglich, dass die Welle (beispielsweise die Lenkstange) im Sensorbereich als Außengewinde ausgelegt ist. Alternativ kann eine gefixte Buchse mit Außengewinde auf der Welle vorhanden sein, die mit der Welle verbunden ist.According to one embodiment of the invention, the thread is provided on an outer surface of the shaft or on a sleeve fixed to the shaft. It is possible that the shaft (for example, the handlebar) is designed as an external thread in the sensor area. Alternatively, there may be a male threaded threaded bushing on the shaft connected to the shaft.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bilden die Sensorelemente einen induktiven Winkelsensor, einen kapazitativen Winkelsensor oder einen Hallwinkelsensor.According to one embodiment of the invention, the sensor elements form an inductive angle sensor, a capacitive angle sensor or a Hall angle sensor.

Bei einem induktiven Winkelsensor kann der Sensorstator mehrere Spulen aufweisen, die relativ zu Leiterflächen auf dem Sensorrotor mit der Welle verdreht werden. Wenn die Spulen mit einem hochfrequenten Strom versorgt werden, entstehen bei unterschiedlichen Stellungen des Rotors in den Leiterflächen unterschiedlich starke Wirbelströme (eddy currents), die die Impedanz der Spulen ändern. Dies beeinflusst die Frequenz, aus deren Änderung die Winkelstellung ermittelt werden kann.In an inductive angle sensor, the sensor stator may have a plurality of coils, which are rotated relative to conductor surfaces on the sensor rotor with the shaft. If the coils are supplied with a high-frequency current, differently eddy currents develop in the conductor surfaces at different positions of the rotor, which change the impedance of the coils. This influences the frequency from whose change the angular position can be determined.

Ein kapazitiver Sensor kann analog einem induktiven Winkelsensor aufgebaut sein, nur dass anstatt den Spulen Kondensatoren verwendet werden.A capacitive sensor can be constructed analogously to an inductive angle sensor, except that capacitors are used instead of the coils.

Bei einem Hallwinkelsensor können auf dem Sensorrotor Permanentmagnete angeordnet sein, deren Magnetfeld durch Hallsensorelemente auf dem Sensorstator erfasst wird. Eine unterschiedliche Stellung des Sensorrotors zum Sensorstator führt dabei in der Regel zu unterschiedlichen Hallspannungen.In a Hall angle sensor can be arranged on the sensor rotor permanent magnets whose magnetic field is detected by Hall sensor elements on the sensor stator. A different position of the sensor rotor to the sensor stator usually leads to different Hall voltages.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Drehwinkels einer Welle, beispielsweise mit der Sensoranordnung, wie sie obenstehend und untenstehend beschrieben ist.A further aspect of the invention relates to a method for determining a rotation angle of a shaft, for example with the sensor arrangement, as described above and below.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Bestromen der Sensorelemente derart, dass die Sensorelemente ein Signal erzeugen, das von einer relativen Winkelstellung des Sensorstators und des Sensorrotors und von einem Abstand des Sensorstators und des Sensorrotors abhängt; Ermitteln der relativen Winkelstellung aus dem Signal; und Ermitteln der Umdrehungen der Welle aus Signalanteilen, die vom Abstand des Sensorstators und des Sensorrotors abhängen. Wie bereits gesagt können dadurch, dass das von den Sensorelementen erzeugte elektromagnetische Feld auch vom Abstand der Sensorelemente abhängt, nicht nur die relative Winkelstellung zwischen 0° und 360°, sondern auch der Abstand der Sensorelemente aus dem Signal ermittelt werden. Aus dem Abstand kann dann leicht die absolute Anzahl der Umdrehungen ermittelt werden. Dies kann über Eigenschaften des Gewindes zwischen dem Sensorstator und dem Sensorrotor geschehen, d.h. der Anzahl der Windungen pro Strecke in Längsrichtung.According to one embodiment of the invention, the method comprises: energizing the sensor elements such that the sensor elements generate a signal which depends on a relative angular position of the sensor stator and the sensor rotor and on a distance of the sensor stator and the sensor rotor; Determining the relative angular position from the signal; and determining the revolutions of the shaft from signal components that depend on the distance of the sensor stator and the sensor rotor. As already stated, not only the relative angular position between 0 ° and 360 °, but also the distance of the sensor elements from the signal can be determined by the fact that the electromagnetic field generated by the sensor elements also depends on the distance of the sensor elements. From the distance then easily the absolute number of revolutions can be determined. This can be done via properties of the thread between the sensor stator and the sensor rotor, i. the number of turns per line in the longitudinal direction.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Signal ein Frequenzsignal. Dies ist beispielsweise bei einem induktiven oder kapazitiven Sensor der Fall.According to one embodiment of the invention, the signal is a frequency signal. This is the case, for example, with an inductive or capacitive sensor.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Signal ein Spannungssignal. Dies ist beispielsweise bei einem Hall-Sensor der Fall.According to one embodiment of the invention, the signal is a voltage signal. This is the case, for example, with a Hall sensor.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine Sensoranordnung. Die Steuereinheit ist dazu ausgeführt, das Verfahren, so wie obenstehend und untenstehend beschrieben, durchzuführen. Beispielsweise kann das Verfahren in einen ASIC kodiert sein.Another aspect of the invention relates to a control unit for a sensor arrangement. The control unit is designed to carry out the method as described above and below. For example, the method may be encoded in an ASIC.

Es ist zu verstehen, dass Merkmale der Sensoranordnung, so wie obenstehend und untenstehend beschrieben, auch Merkmale des Verfahrens und/oder der Steuereinheit sein können und umgekehrt.It should be understood that features of the sensor assembly, as described above and below, may also be features of the method and / or the control unit, and vice versa.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Embodiments of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt schematisch eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 schematically shows a sensor arrangement according to an embodiment of the invention.

2 zeigt schematisch eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 2 schematically shows a sensor arrangement according to another embodiment of the invention.

3 zeigt Sensorelemente für einen induktiven Winkelsensor, der in der Sensoranordnung aus der 1 oder 2 eingesetzt werden kann. 3 shows sensor elements for an inductive angle sensor, which in the sensor arrangement of the 1 or 2 can be used.

4 zeigt Sensorelemente für einen kapazitiven Winkelsensor, der in der Sensoranordnung aus der 1 oder 2 eingesetzt werden kann. 4 shows sensor elements for a capacitive angle sensor, which in the sensor arrangement of the 1 or 2 can be used.

5 zeigt Sensorelemente für einen Hallwinkelsensor, der in der Sensoranordnung aus der 1 oder 2 eingesetzt werden kann. 5 shows sensor elements for a Hall angle sensor, which in the sensor arrangement of the 1 or 2 can be used.

6 zeigt ein Diagramm, mit dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Drehwinkels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird. 6 shows a diagram with which a method for determining a rotation angle according to an embodiment of the invention will be described.

Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Basically, identical or similar parts are provided with the same reference numerals.

Detaillierte Beschreibung von AusführungsbeispielenDetailed description of embodiments

1 zeigt eine Sensoranordnung 10 mit einer Welle 12, die mit einem Sensorrotor 14 gekoppelt ist. Die Welle 12 kann beispielsweise die Lenkspindel eines Fahrzeugs sein und somit ein Lenkrad 16 tragen. Die Sensoranordnung 10 umfasst weiter ein Gehäuse 18, das beispielsweise durch einen Teil des Chassis eines Fahrzeugs bereitgestellt werden kann. Ein Sensorstator 20 ist starr mit dem Gehäuse 18 verbunden. 1 shows a sensor arrangement 10 with a wave 12 that with a sensor rotor 14 is coupled. The wave 12 For example, it may be the steering spindle of a vehicle and thus a steering wheel 16 wear. The sensor arrangement 10 further includes a housing 18 , which may be provided, for example, by a part of the chassis of a vehicle. A sensor stator 20 is rigid with the housing 18 connected.

Auf der Welle 12 ist ein Gewinde 22 vorgesehen, auf dem eine Gewindebuchse 24 kämmt. Die Gewindebuchse 24 ist über eine Feder 26 in einer Nut 28 im Gehäuse 18 gesichert. Auf diese Weise kann sich die Gewindebuchse 24 in Längsrichtung L entlang der Welle bewegen, wird aber nicht durch diese in Drehung versetzt. Wenn die Welle 12 gedreht wird und das Gewinde 22 in die Gewindebuchse 24 eingreift, wird die Gewindebuchse 24 dadurch entlang der Welle 12 bewegt.On the wave 12 is a thread 22 provided on which a threaded bush 24 combs. The threaded bush 24 is about a spring 26 in a groove 28 in the case 18 secured. In this way, the threaded bushing can 24 move in the longitudinal direction L along the shaft, but is not rotated by this. When the wave 12 is turned and the thread 22 into the threaded bush 24 engages, the threaded bushing 24 thereby along the shaft 12 emotional.

Die Gewindebuchse 24 ist weiter derart mit dem Sensorrotor 14 gekoppelt, dass der Sensorrotor 14 mit der Gewindebuchse mitbewegt wird, wenn sich diese entlang der Welle 12 verschiebt. Beispielsweise kann zwischen der Gewindebuchse 24 und dem Sensorrotor 14 ein Lager 30 angeordnet sein, so dass der Sensorrotor 14, wenn er sich dreht, auf der Gewindebuchse 24 gleiten kann. Weiter kann der Sensorrotor 14 mit einer elastischen Feder 32 gegen die Gewindebuchse 24 gedrückt werden.The threaded bush 24 continues to be so with the sensor rotor 14 coupled that the sensor rotor 14 is moved with the threaded bushing, when this along the shaft 12 shifts. For example, between the threaded bushing 24 and the sensor rotor 14 a warehouse 30 be arranged so that the sensor rotor 14 when it turns, on the threaded bush 24 can slide. Next, the sensor rotor 14 with an elastic spring 32 against the threaded bush 24 be pressed.

Der Sensorrotor 14 ist mit einer Feder 34 in einer Nut 36 in der Welle 12 gesichert, so dass er sich entlang der Welle 12 bewegen kann und von der Welle 12 in Drehrichtung mitgenommen wird.The sensor rotor 14 is with a spring 34 in a groove 36 in the wave 12 secured, so that he is along the shaft 12 can move and from the shaft 12 is taken in the direction of rotation.

Die Ausführungsform der 2 zeigt zusätzlich eine an der Welle 12 fixierte Buchse 38, die das Gewinde 22 und die Nut 36 bereitstellt. (Es ist auch möglich, dass die Welle 12 bzw. die Buchse 38 mehr als eine Nut 36 aufweisen, in der mehr als eine Feder 34 an dem Sensorrotor 14 gesichert ist.) Das Gewinde der Gewindebuchse 24 greift dann in ein Gewinde auf der Buchse 38 ein.The embodiment of the 2 additionally shows one on the shaft 12 fixed socket 38 that the thread 22 and the groove 36 provides. (It is also possible that the wave 12 or the socket 38 more than a groove 36 exhibit, in the more than one spring 34 on the sensor rotor 14 is secured.) The thread of the threaded bushing 24 then engages in a thread on the socket 38 one.

Sensorelemente 40, 42 auf dem Sensorstator 20 und dem Sensorrotor 14 sind mit einer Steuereinheit 44 verbunden, die mit den Sensorelementen 40, 42 ein elektromagnetisches Feld erzeugen und/oder auswerten kann.sensor elements 40 . 42 on the sensor stator 20 and the sensor rotor 14 are with a control unit 44 connected to the sensor elements 40 . 42 generate and / or evaluate an electromagnetic field.

Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen von berührungslosen Winkelsensoren 46a, 46b, 46c, bei denen mittels eines elektromagnetischen Feldes eine Winkelstellung ermittelt werden kann.The 3 to 5 show various embodiments of non-contact angle sensors 46a . 46b . 46c in which an angular position can be determined by means of an electromagnetic field.

Die 3 zeigt einen induktiven Winkelsensor 46a, der auf dem Sensorstator 20 mehrere kleeblattartig angeordnete Leiterflächen 42a und auf dem Sensorrotor 14 mehrere ebene Spulen 40a aufweist, die um eine Achse des Sensorrotors 14 angeordnet sind. In den Spulen 40a kann ein hochfrequenter Strom erzeugt werden, der in den Leiterflächen 42a Wirbelströme erzeugt, die die Impedanz der Spulen 40a beeinflussen, was wiederum die Frequenz des Stroms verändert. Die Impedanz ist abhängig von der relativen Position von dem Sensorstator 20 zu dem Sensorrotor 14. Somit kann aus der Frequenz auf die Winkelstellung geschlossen werden.The 3 shows an inductive angle sensor 46a on the sensor stator 20 several cloverleaf arranged conductor surfaces 42a and on the sensor rotor 14 several flat coils 40a which is about an axis of the sensor rotor 14 are arranged. In the coils 40a A high-frequency current can be generated in the conductor surfaces 42a Eddy currents generated the impedance of the coils 40a which in turn changes the frequency of the current. The impedance depends on the relative position of the sensor stator 20 to the sensor rotor 14 , Thus it can be concluded from the frequency to the angular position.

Die 4 zeigt einen kapazitiven Winkelsensor 46b, der analog dem induktiven Winkelsensor 40a aufgebaut sein kann und anstatt der Spulen 40a Kondensatorflächen 40b trägt. The 4 shows a capacitive angle sensor 46b , the analog of the inductive angle sensor 40a can be constructed and instead of the coils 40a capacitor surfaces 40b wearing.

Die 5 zeigt einen Hallwinkelsensor 46c, der auf dem Sensorrotor 14 einen Permanentmagneten 42c und auf dem Sensorstator mehrere Hallsensorelemente 40c aufweist. Abhängig von der Position und Stellung des Permanentmagneten 42c erzeugen die Hallsensorelemente 40c unterschiedliche Spannungen, aus denen auf den Winkel zwischen dem Sensorstator 20 und dem Sensorrotor 14 geschlossen werden kann.The 5 shows a Hall angle sensor 46c on the sensor rotor 14 a permanent magnet 42c and on the sensor stator, several Hall sensor elements 40c having. Depending on the position and position of the permanent magnet 42c generate the Hall sensor elements 40c different voltages that make up the angle between the sensor stator 20 and the sensor rotor 14 can be closed.

Die 6 zeigt ein Diagramm, bei dem der absolute Drehwinkel α gegen die Frequenz f aus den Sensoren 46a, 46b bzw. die Spannung U aus dem Sensor 46c aufgetragen ist. Es ist auch möglich, dass die Frequenz f oder die Spannung U in ein digitales Signal umgewandelt werden, dass dann ausgewertet wird.The 6 shows a diagram in which the absolute rotation angle α against the frequency f from the sensors 46a . 46b or the voltage U from the sensor 46c is applied. It is also possible that the frequency f or the voltage U are converted into a digital signal, which is then evaluated.

Wie aus dem Diagramm schematisch ablesbar ist, hängt die Frequenz bzw. Spannung und das daraus erzeugte digital Signal nicht nur vom relativen Drehwinkel, sondern auch vom Abstand der Sensorelemente 40, 42 bzw. dem Sensorstator 20 und dem Sensorrotor 14 ab. Aus dem Frequenzsignal bzw. dem Spannungssignal kann somit nicht nur der relative Drehwinkel, sondern auch der Abstand abgeleitet werden. Aus dem Abstand kann dann wieder auf den absoluten Drehwinkel geschlossen werden.As can be seen schematically from the diagram, the frequency or voltage and the digital signal generated therefrom depend not only on the relative angle of rotation, but also on the distance of the sensor elements 40 . 42 or the sensor stator 20 and the sensor rotor 14 from. Thus, not only the relative rotation angle but also the distance can be derived from the frequency signal or the voltage signal. From the distance can then be closed again to the absolute angle of rotation.

Beispielsweise können im Falle des Sensors 46a sechs Oszillatoren, die die Spulen 40a umfassen, Frequenzen in der Größenordnung 40 MHz erzeugen. Analoge Oszillatoren können bei dem Sensor 46b mit den Kondensatoren 40b gebildet werden. Dreht sich der Sensorrotor 14 gegenüber dem Sensorstator 20, dann ändern sich die Frequenzen der Oszillatoren. Berechnungen in der Steuereinheit 44 ergeben eine Winkelausgabe. Nach 360° wiederholt sich der Winkelwertebereich. Die Oszillatorfrequenzen sind neben der Geometrie der Spulen 40a bzw. der Kondensatoren 40b auch vom Abstand Sensorrotor-Sensorstator (und beispielsweise weiteren Parametern wie etwa der Umgebungstemperatur) abhängig. Durch den in den 1 und 2 beschriebenen Aufbau wird der Abstand Sensorrotor-Sensorstator abhängig von der Stellung der Welle 12 geändert und somit auch die Oszillatorfrequenzen. Mit den Oszillatorenfrequenzen lässt sich also der Winkel für eine Umdrehung bestimmen, durch die Änderung der Basisfrequenz lasst sich zusätzlich ermitteln, in welcher Umdrehung sich die Sensoranordnung 10 bzw. Welle 12 befindet. For example, in the case of the sensor 46a six oscillators, which are the coils 40a comprise frequencies of the order of 40 MHz. Analog oscillators can be used with the sensor 46b with the capacitors 40b be formed. Rotates the sensor rotor 14 opposite the sensor stator 20 , then the frequencies of the oscillators change. Calculations in the control unit 44 give an angle output. After 360 °, the angular range is repeated. The oscillator frequencies are next to the geometry of the coils 40a or the capacitors 40b also dependent on the distance sensor rotor sensor stator (and, for example, other parameters such as the ambient temperature). By in the 1 and 2 described construction, the distance sensor rotor sensor stator depends on the position of the shaft 12 changed and thus also the oscillator frequencies. With the oscillator frequencies it is therefore possible to determine the angle for one revolution; by changing the base frequency, it is additionally possible to ascertain in which revolution the sensor arrangement rotates 10 or wave 12 located.

Im Falle des Hallwinkelsensors 46c sind die Hallspannungen der Sensorelemente 40c auch zusätzlich vom Abstand Sensorrotor-Sensorstator abhängig. Analog den Sensoren 46a, 46b kann aus einer Basisspannung ermittelt werden, in welcher Umdrehung sich die Sensoranordnung 10 bzw. Welle 12 befindet. In the case of the Hall angle sensor 46c are the Hall voltages of the sensor elements 40c also dependent on the distance sensor rotor sensor stator. Analogous to the sensors 46a . 46b can be determined from a base voltage, in which revolution the sensor arrangement 10 or wave 12 located.

Diese Berechnungen können alle von der Steuereinheit 44 durchgeführt werden.These calculations can all be done by the control unit 44 be performed.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that "encompassing" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a multitude. It should also be appreciated that features or steps described with reference to any of the above embodiments may also be used in combination with other features or steps of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.

Claims

Sensor arrangement ( 10 ) for determining a rotation angle of a shaft ( 12 ), the sensor arrangement ( 10 ) comprising: one in a housing ( 18 ) rotatably mounted shaft ( 12 ), one with the housing ( 18 ) coupled sensor stator ( 20 ), one with the shaft ( 12 ) coupled sensor rotor ( 14 ), which is so with the wave ( 12 ), that the sensor rotor ( 14 ) from the wave ( 12 ) in the direction of rotation, sensor elements ( 40 . 42 ) on the sensor stator ( 20 ) and the sensor rotor ( 14 ) are arranged and which are adapted to a relative angular position of the sensor stator ( 20 ) and the sensor rotor ( 14 ) by means of an electromagnetic field, characterized in that the sensor stator ( 20 ) and the sensor rotor ( 14 ) via a thread ( 22 ) on the shaft ( 12 ) are coupled together, that upon rotation of the shaft ( 12 ) the distance of the sensor stator ( 20 ) and the sensor rotor ( 14 ) in the longitudinal direction of the shaft ( 12 ) changes.

Sensor arrangement ( 10 ) according to claim 1, wherein the sensor stator ( 20 ) with the housing ( 18 ) is rigidly connected; and / or wherein the sensor rotor ( 14 ) and the wave ( 12 ) by means of a groove ( 36 ) guided spring ( 34 ) are coupled.

Sensor arrangement ( 10 ) according to claim 1 or 2, further comprising: in the housing ( 18 ) in a longitudinal direction of the shaft ( 12 ) guided threaded bushing ( 24 ), which on the thread ( 22 ) is screwed, so that the threaded bush ( 24 ) upon rotation of the shaft ( 12 ) in the longitudinal direction of the shaft ( 12 ) shifts.

Sensor arrangement ( 10 ) according to claim 3, wherein the threaded bush ( 24 ) and the housing ( 18 ) by means of a groove ( 28 ) guided spring ( 26 ) are coupled.

Sensor arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the thread ( 22 ) on an outer surface of the shaft ( 12 ) or on a socket fixed to the shaft ( 36 ) is provided.

Sensor arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor elements ( 40 . 42 ) an inductive angle sensor ( 46a ), a capacitive angle sensor ( 46b ) or a Hall angle sensor ( 46c ) form.

Sensor arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the shaft ( 12 ) is the steering wheel spindle of a vehicle.

Method for determining a rotation angle of a shaft with a sensor arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, the method comprising: energizing the sensor elements ( 40 . 42 ) such that the sensor elements ( 40 . 42 ) generate a signal which depends on a relative angular position of the sensor stator ( 20 ) and the sensor rotor ( 14 ) and from a distance of the sensor stator ( 20 ) and the sensor rotor ( 14 ) depends; Determining the relative angular position from the signal; Determining the revolutions of the shaft ( 12 ) of signal components, which depend on the distance of the sensor stator ( 20 ) and the sensor rotor ( 14 ) depend.

The method of claim 8, wherein the signal is a frequency signal, a voltage signal or a digital signal.

Control unit ( 44 ) for a sensor arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, which is adapted to carry out the method according to claim 8 or 9.