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Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Ermittlung einer Drehstellung eines drehbaren Objekts, insbesondere einer Welle. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer drehbaren Lenksäule und mit einer derartigen Winkelmesseinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehstellung eines drehbaren Objekts, insbesondere einer Welle.
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Positionsmesseinrichtungen zur Ermittlung einer Drehstellung eines Objekts werden auch als Drehwinkelgeber bezeichnet und werden in vielfältigen Anwendungsbereichen eingesetzt. Derartige Positionsmesseinrichtungen können beispielsweise Lenksystemen für Kraftfahrzeuge Verwendung finden, um die Drehstellung und/oder die Drehgeschwindigkeit einer Lenksäule zu ermitteln. Da derartige Lenksysteme es typischerweise ermöglichen, das Lenkrad bzw. die Lenksäule um mehr als 360° in beide Richtungen auszulenken, ist es erforderlich, dass auch solche Winkelbereiche durch die Positionsmesseinrichtung erfassbar sind. Gleichzeitig müssen derartige Positionsmesseinrichtungen hohe Anforderungen an ihre Auflösung erfüllen.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Positionsmesseinrichtung anzugeben, die eine Drehstellung eines Objekts mit hoher Auflösung über einen Winkelbereich angeben kann, der größer ist als eine vollständige Umdrehung des Objekts.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Positionsmesseinrichtung zur Ermittlung einer Drehstellung eines drehbaren Objekts, insbesondere einer Welle, vorgeschlagen, mit einer ersten Maßverkörperung, die drehfest mit dem Objekt verbindbar ist, und mit einem ersten Sensor zur Erfassung einer Drehstellung der ersten Maßverkörperung, mit einer zweiten Maßverkörperung, die gegenüber der ersten Maßverkörperung drehbar gelagert ist und mit einem zweiten Sensor zur Erfassung einer Drehstellung der zweiten Maßverkörperung, wobei die erste Maßverkörperung einen Mitnehmer umfasst, der mit der zweiten Maßverkörperung derart zusammenwirkt, dass die zweiten Maßverkörperung durch den Mitnehmer in eine Drehbewegung versetzbar ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist zusätzlich einem ersten Sensor, der eine erste Maßverkörperung erfasst, ein zweiter Sensor vorgesehen, der eine zweite Maßverkörperung erfasst. Die zweite Maßverkörperung wird über den Mitnehmer der ersten Maßverkörperung bewegt und kann daher die Anzahl der vollständigen Umdrehungen der ersten Maßverkörperung abbilden. Insofern kann die zweite Maßverkörperung zusammen mit dem zweiten Sensor einen Umdrehungsdetektor bzw. -zähler der Positionsmesseinrichtung bilden. Es damit möglich, eine Positionsmesseinrichtung zu erhalten, welche eine hohe Auflösung über einen Winkelbereich aufweist, der größer ist als eine vollständige Umdrehung.
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Bevorzugt ist der Mitnehmer nach Art eines Flügels oder Arms ausgebildet. Der Mitnehmer steht bevorzugt in einer radialen Richtung von einer Umfangsfläche der ersten Maßverkörperung ab, so dass der Mitnehmer mit einer zweiten Maßverkörperung zusammenwirken kann, die in derselben Ebene drehbar angeordnet ist wie die erste Maßverkörperung. Alternativ kann der Mitnehmer in einer axialen Richtung von der ersten Maßverkörperung abstehen, so dass er mit einer zweiten Maßverkörperung zusammenwirken kann, die in einer zweiten Ebene, welche von einer ersten Ebene, in welcher die erste Maßverkörperung drehbar ist, drehbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Maßverkörperung mehrere Kontaktelemente, insbesondere Flügel oder Zähne, aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie mit dem Mitnehmer zusammenwirken können. Der Mitnehmer kann ein Kontaktelement kontaktieren und/oder zwischen zwei benachbarten Kontaktelementen eingreifen, um die zweite Maßverkörperung in eine Drehbewegung zu versetzen.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Kontaktelemente derart angeordnet sind, dass benachbarte Kontaktelemente einen identischen Differenzwinkel miteinander einschließen. Hierdurch kann erreicht werden, dass die zweite Maßverkörperung mit jeder vollständigen Umdrehung der ersten Maßverkörperung um eine Teilung der Kontaktelemente weiter gedreht werden kann. Über die Stellung der zweiten Maßverkörperung kann somit die Anzahl der vollständigen Umdrehungen der ersten Maßverkörperung ermittelt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Sensor ein induktiver Sensor ist. Ein induktiver Sensor ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die erste Maßverkörperung aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist. Die erste Maßverkörperung kann eine Skala umfassen, bei der sich elektrische gut leitfähige Bereich mit solchen Bereichen abwechseln, die elektrisch nicht oder nur schlecht leitfähig sind, wie beispielsweise Ausnehmungen. Alternativ bevorzugt ist der erste Sensor ein magnetischer Sensor, beispielsweise ein Hall-Sensor. Eine solche Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn die erste Maßverkörperung als magnetische Maßverkörperung ausgestaltet ist. Die magnetische Maßverkörperung kann eine Aneinanderreihung von magnetischen Nord- und Südpolen umfassen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Sensor ein magnetischer Sensor, beispielsweise ein Hall-Sensor, ist. Eine solche Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn die erste Maßverkörperung als magnetische Maßverkörperung ausgestaltet ist. Die magnetische Maßverkörperung kann einen einzelnen Permanentmagneten mit genau einem Nordpol und genau einem Südpol umfassen oder eine Aneinanderreihung von mehreren magnetischen Nord- und Südpolen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der zweite Sensor ein induktiver Sensor ist. Ein induktiver Sensor ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die zweite Maßverkörperung aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist. Die zweite Maßverkörperung kann eine Skala umfassen, bei der sich elektrische gut leitfähige Bereich mit solchen Bereichen abwechseln, die elektrisch nicht oder nur schlecht leitfähig sind, wie beispielsweise Ausnehmungen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die zweite Maßverkörperung als magnetische Maßverkörperung mit genau einem Permanentmagneten ausgebildet ist. Eine derartige zweite Maßverkörperung weist einen besonders unaufwändigen Aufbau auf. Bei geeigneter Anordnung des zweiten Sensors kann die Ausrichtung des durch den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Felds und damit die Ausrichtung der Maßverkörperung in mehreren Stellungen ermittelt werden. Es ist also möglich, mehrere, beispielsweise vier oder fünf, Stellungen der zweiten Maßverkörperung zu unterscheiden, obwohl diese lediglich einen genau einen Nordpol und genau einen Südpol aufweist.
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Als konstruktiv vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher die Positionsmesseinrichtung eine Leiterplatte umfasst, wobei die zweite Maßverkörperung an der Leiterplatte drehbar gelagert ist und der zweite Sensor an der Leiterplatte angeordnet ist.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Leiterplatte eine Ausnehmung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das drehbare Objekt in der Ausnehmung drehbar angeordnet werden kann. Durch die Ausnehmung in der Leiterplatte wird das Befestigen des ersten und zweiten Sensors sowie der zweiten Maßverkörperung der Positionsmessvorrichtung relativ zu der ersten Maßverkörperung erleichtert.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Lenkvorrichtung, insbesondere Servo-Lenksystem, für ein Fahrzeug mit einer drehbaren Lenksäule und mit einer vorstehend beschriebenen Positionsmesseinrichtung zur Ermittlung einer Drehstellung der Lenksäule.
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Bei der Lenkvorrichtung können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Positionsmesseinrichtung beschrieben worden sind.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehstellung eines drehbaren Objekts, insbesondere einer Welle, vorgeschlagen, wobei eine erste Maßverkörperung mit dem Objekt mitgedreht wird, und mit einem ersten Sensor eine Drehstellung der ersten Maßverkörperung erfasst wird, wobei eine Drehstellung einer zweiten Maßverkörperung, die gegenüber der ersten Maßverkörperung drehbar gelagert ist, mit einem zweiten Sensor erfasst wird, wobei ein Mitnehmer der ersten Maßverkörperung mit der zweiten Maßverkörperung derart zusammenwirkt, dass die zweiten Maßverkörperung durch den Mitnehmer in eine Drehbewegung versetzt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dieselben Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Positionsmesseinrichtung beschrieben worden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass anhand der erfassten Drehstellung der zweiten Maßverkörperung ein grob aufgelöster Wert der Drehstellung des Objekts ermittelt wird und anhand der erfassten Drehstellung der ersten Maßverkörperung ein fein aufgelöster Wert der Drehstellung des Objekts ermittelt wird. Bevorzugt gibt die erfasste Drehstellung der zweiten Maßverkörperung eine Anzahl an Umdrehungen der ersten Maßverkörperung an. In Kombination mit der Drehstellung der ersten Maßverkörperung können präzise Positionsangaben ermittelt werden, die einen Drehwinkelbereich von größer als 360°, bevorzugt größer als 720°, besonders bevorzugt größer als 900°, beispielsweise von 1800°, abdecken.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
- 2 die zweite Maßverkörperung und der zweite Sensor der Positionsmesseinrichtung nach 1 in einer schematischen Darstellung;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer ersten Maßverkörperung und eines ersten Sensors der Positionsmesseinrichtung nach 1 in einer schematischen Darstellung;
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer ersten Maßverkörperung und eines ersten Sensors der Positionsmesseinrichtung nach 1 in einer schematischen Darstellung; und
- 5 ein Fahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel eines Lenksystems, das eine Positionsmesseinrichtung nach 1 aufweist.
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In der 1 ist eine Positionsmesseinrichtung 1 zur Ermittlung einer Drehstellung eines um eine erste Drehachse D1 drehbaren Objekts 2 gezeigt, die gemäß der Erfindung ausgestaltet ist. Das Objekt 2 ist als drehbare Welle ausgebildet. Die Positionsmesseinrichtung 1 umfasst eine erste Maßverkörperung 10, die drehfest mit dem Objekt 2 verbunden ist. Die Drehstellung der ersten Maßverkörperung 10 kann über einen in 1 nicht sichtbaren ersten Sensor 15 erfasst werden, auf den nachfolgend noch eingegangen werden wird.
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Ferner umfasst die Positionsmesseinrichtung 1 eine Leiterplatte 30, auf der eine zweite Maßverkörperung 20 gegenüber der ersten Maßverkörperung 10 um eine zweite Drehachse D2 drehbar gelagert ist. Die zweite Drehachse D2 ist parallel zu der Ersten Drehachse D1 angeordnet. Die Leiterplatte 30 ist derart konzentrisch zu dem drehbaren Objekt 2 angeordnet, dass sie dieses vollumfänglich umgibt. Auf der Leiterplatte 30 ist ferner der erste Sensor, eine Steuereinheit 31 der Positionsmesseinrichtung 1 sowie ein zweiter Sensor zur Erfassung der Drehstellung der zweiten Maßverkörperung 20 angeordnet. In der Leiterplatte 30 ist eine Ausnehmung 32 vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sich das drehbare Objekt 2 in der Ausnehmung drehen kann.
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Die erste Maßverkörperung 10 weist ferner einen Mitnehmer 11 auf, der mit der zweiten Maßverkörperung 20 derart zusammenwirkt, dass die zweite Maßverkörperung 20 durch eine Bewegung des Mitnehmers 11 in der in 1 gezeigten Drehrichtung R1 in eine der ersten Drehrichtung R1 entgegengesetzte Drehrichtung R2 gedreht wird. Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Mitnehmer 11 als in radialer Richtung von der ersten Maßverkörperung 10 abstehender Mitnehmer 11 ausgestaltet. Die zweite Maßverkörperung 20 ist in derselben Ebene drehbar wie die erste Maßverkörperung 10, so dass ein flacher Aufbau der Positionsmesseinrichtung 1 ermöglicht wird.
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An der zweiten Maßverkörperung 20 sind mehrere Kontaktelemente 21 vorgesehen, die in einem identischen Winkelabstand zu dem jeweiligen benachbarten Kontaktelement 21 angeordnet sind.
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Die Detaildarstellung in 2 zeigt, dass die mehreren Kontaktelemente 21 als Flügel ausgebildet sind, die in radialer Richtung von der zweiten Maßverkörperung abstehen und mit dem Mitnehmer 11 der ersten Maßverkörperung 10 zusammenwirken können. Den Darstellungen in 1 und 2 ist ferner zu entnehmen, dass die zweite Maßverkörperung 20 als magnetische Maßverkörperung mit genau einem Permanentmagnet ausgebildet ist. Der Permanentmagnet umfasst genau einen Nordpol und genau einen Südpol.
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Der zweite Sensor 25 ist auf der Leiterplatte 30 befestigt und als magnetischer Sensor ausgebildet, beispielsweise als Hall-Sensor. Der zweite Sensor 25 erfasst die Drehstellung der zweiten Maßverkörperung 20 anhand des von dem Permanentmagnet 22 erzeugten magnetischen Felds H. Denn bei der durch den Mitnehmer 11 erzwungenen Drehung der zweiten Maßverkörperung 20 dreht sich der Permanentmagnet 22. Dabei ändert sich die Richtung des Vektors des Magnetfelds H des Permanentmagneten 22. Der zweite Sensor 25 detektiert diese Änderung, bzw. die verschiedenen Ausrichtungen des Magnetfelds H und kann die mehrere Ausrichtungen jeweils genau einer Maßangabe - hier Umdrehungszahl der Umdrehung der ersten Maßverkörperung - zuordnen.
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Bei dem Verfahren zur Ermittlung der Drehstellung des drehbaren Objekts 2 wird die erste Maßverkörperung 10 mit dem Objekt 2 mitgedreht und mit einem ersten Sensor 15 wird eine Drehstellung der ersten Maßverkörperung 10 erfasst. Der Mitnehmer 11 der ersten Maßverkörperung 10 wirkt mit der zweiten Maßverkörperung 20 derart zusammen, dass die zweiten Maßverkörperung 20 durch den Mitnehmer 11 in eine Drehbewegung versetzt wird - insbesondere jeweils um einen Winkelbereich, der zwei Kontaktelemente 21 trennt. Die Drehstellung der zweiten Maßverkörperung 20, die gegenüber der ersten Maßverkörperung 10 drehbar gelagert ist wird mit dem zweiten Sensor 25 erfasst. Die von dem ersten Sensor 15 und dem zweiten Sensor 25 erfassten Daten können an die auf der Leiterplatte 30 vorgesehene Steuereinrichtung 31 übermittelt und dort ausgewertet werden.
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Durch Auswertung der erfassten Daten wird die Drehstellung des drehbaren Objekts 2 bestimmt. Hierbei wird anhand der erfassten Drehstellung der zweiten Maßverkörperung 20 ein grob aufgelöster Wert der Drehstellung des Objekts 2 ermittelt - dieser Wert entspricht der Anzahl der Umdrehungen der ersten Maßverkörperung 10. Anhand der erfassten Drehstellung der ersten Maßverkörperung 10 wird zudem ein fein aufgelöster Wert der Drehstellung des Objekts 2. Der grob aufgelöste Wert und der fein Aufgelöster Wert werden miteinander kombiniert - beispielsweise derart, dass der grob aufgelöste Wert die höherwertigen Stellen der Drehwinkelangabe darstellt und der fein aufgelöste Wert die niederwertigen Stellen der Drehwinkelangabe darstellt. Hierdurch wird es möglich, die Drehstellung des Objekts 2 mit hoher Auflösung über einen Winkelbereich anzugeben, der größer ist als eine vollständige Umdrehung des Objekts 2.
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Die 3 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer ersten Maßverkörperung 10 und eines ersten Sensors 15 der Positionsmesseinrichtung 1 nach 1. Der erste Sensor 15 ist in diesem Fall als induktiver Sensor ausgestaltet und die erste Maßverkörperung 10 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgestaltet. An der ersten Maßverkörperung 10 sind mehrere Zähne vorgesehen, die das durch den erste Sensor 15 erfassbare elektromagnetische Feld modulieren.
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In der 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer ersten Maßverkörperung 10 und eines ersten Sensors 15 der Positionsmesseinrichtung nach 1 gezeigt, bei dem die erste Maßverkörperung 10 als magnetische Maßverkörperung ausgebildet ist. Der erste Sensor 15 ist ein magnetischer Sensor, beispielsweise ein Hall-Sensor. Die magnetische Maßverkörperung umfasst eine Vielzahl benachbarter Nord- und Südpole, die nach Art einer Noniusstruktur angeordnet sind.
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Die 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug 40 mit einer Lenkvorrichtung 41, das eine Positionsmesseinrichtung 1 nach 1 aufweist. Die Positionsmessvorrichtung 1 ist dazu eingerichtet, die Drehstellung einer Lenksäule 43 der Lenkvorrichtung Lenksystems zu ermitteln. Die Lenksäule 43 ist drehfest mit einem Lenkrad 42 verbunden, der durch den Fahrer des Fahrzeugs 40 betätigt werden kann. Die Positionsmessvorrichtung 1 ist mit einem Steuergerät 44 der Lenkvorrichtung verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionsmesseinrichtung
- 2
- drehbares Objekt
- 10
- erste Maßverkörperung
- 11
- Mitnehmer
- 15
- erster Sensor
- 20
- zweite Maßverkörperung
- 21
- Kontaktelemente
- 25
- zweiter Sensor
- 30
- Leiterplatte
- 31
- Steuereinheit
- 32
- Ausnehmung
- 40
- Fahrzeug
- 41
- Lenkvorrichtung
- 42
- Lenkrad
- 43
- Lenksäule
- 44
- Steuergerät
- D1
- erste Drehachse
- D2
- zweite Drehachse
- H
- Magnetfeld
- R1
- Drehrichtung
- R2
- Drehrichtung
