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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Ermitteln eines Torsionswinkels eines Torsionsstabs, insbesondere einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem ersten, zweiten und dritten, insbesondere jeweils platten- oder scheibenförmigen Substrat, die voneinander beabstandet an dem Torsionsstab angeordnet und mit dem Torsionsstab jeweils drehfest verbunden sind, wobei das dritte Substrat in Längserstreckung des Torsionsstabs zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet ist, wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat eine erste und eine zweite elektrische Empfangseinrichtung und auf dem dritten Substrat zumindest ein Teil einer elektrischen Sendeeinrichtung angeordnet sind, oder wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat zumindest ein Teil einer ersten und einer zweiten elektrischen Sendeeinrichtung und auf dem dritten Substrat eine elektrische Empfangseinrichtung angeordnet sind.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Lenkvorrichtung mit einer derartigen Sensoranordnung, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Lenkvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Sensoranordnung.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, das Drehmoment bei induktiven Drehmoment- oder Lenkwinkelsensoren (Torque Angle Sensor, TAS) durch die Differenz zweier Absolutwinkelmessungen zu bestimmen. Dazu wird der Absolutwinkel an zwei axialen Positionen eines Torsionsstabs bestimmt. Das an dem Torsionsstab anliegende Drehmoment ist in guter Näherung proportional zu der Differenz dieser beiden Winkel. Dieses Messprinzip findet zum Beispiel in elektromechanisch unterstützten Lenksystemen in Kraftfahrzeugen Anwendung.
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Bei derartigen Sensoren sind üblicherweise auf dem Torsionsstab zwei elektrisch leitfähige Wirbelstrom-Targets montiert, die von einer von der Drehung des Stabs entkoppelten Messplatine erfasst werden. Hierbei wird der Winkel der zwei Targets (bedingt durch die Periodizität des Designs) elektrisch in Bezug zu der Messplatine erfasst (Absolutwinkel). Die Differenz dieser beiden Winkel ist proportional zu dem an dem Torsionsstab anliegenden Drehmoment, wie vorstehend beschrieben. Ein Winkelfehler dieser Absolutwinkelmessung hat folglich eine direkte Auswirkung auf das gemessene Drehmoment.
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Aus dem Stand der Technik sind Sensoranordnungen bekannt, die die Messgenauigkeit bei der Differenzbildung dieser Winkelgrößen erhöhen sollen. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift
DE 10 2008 006 865 A1 einen induktiven Drehmomentsensor mit einer Erregerspule, mit einer Statorleiterplatte mit einem ersten und einem zweiten Empfängermittel, und mit zwei Rotoren, die relativ zueinander und relativ zu der Statorleiterplatte verdrehbar sind, und die die Stärke einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängermitteln beeinflussen. Die Statorleiterplatte ist zwischen den beiden Rotoren angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die erste und die zweite Empfangseinrichtung oder die erste und die zweite Sendeeinrichtung differentiell miteinander verschaltet sind. Durch die differentielle, also elektrisch gegensinnige Verschaltung ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur Ermittlung des Torsionswinkels aus einer direkten Messung des Differenzwinkels einer Verdrehung der Empfangseinrichtungen oder der Sendeeinrichtungen zueinander geschaffen, anstelle einer mit einer höheren Messunsicherheit behafteten Ermittlung des Torsionswinkels aus einer Differenz der absoluten Drehwinkel einer Verdrehung der jeweiligen Empfangseinrichtung relativ zu der Sendeeinrichtung, wie eingangs beschrieben. Es ist insofern eine präzise direkte Messung des Differenzwinkels durch die differentiell verschalteten Empfangseinrichtungen oder Sendeeinrichtungen ohne Umweg über zwei einzelne Absolutwinkel, deren Differenz erst in einem späteren Schritt gebildet wird, möglich. Das differentielle Messprinzip erlaubt die Verwendung eines höheren Verstärkungsfaktors im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen, weil das differentielle Signal nicht durch das Signal des Absolutwinkels überlagert wird. Dadurch wird beispielsweise der Dynamikumfang einer zur Demodulation des Signals verwendeten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) besonders vorteilhaft ausgenutzt, und damit die Signalqualität verbessert, weil sich das Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio, SNR) erhöht. Das Drehmoment wird somit im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen besonders vorteilhaft deutlich feiner aufgelöst. Die Substrate, auf denen die Empfangseinrichtungen und die Sendeeinrichtungen angeordnet sind, sind insbesondere jeweils auf den Torsionsstab aufgeschoben. Insbesondere sind die Substrate als Leiterplatten ausgebildet. Diese Leiterplatten sind drehfest mit dem Torsionsstab verbunden, rotieren also bei Drehung mit. Besonders bevorzugt ist zumindest eines der Substrate, insbesondere das erste und das zweite Substrat, durch eine Halterung zur Erhöhung des Torsionshebels an einem an dem Torsionsstab befestigten Abstandshalter angeordnet. Zur Erhöhung der Sicherheit und Überwachung von Fehlerfällen ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die insbesondere als Spulen ausgebildeten Sende- und Empfangseinrichtungen dazu ausgebildet sind, durch elektronische Schalter der ASIC in vorgegebenen zeitlichen Abständen einzeln gemessen und überwacht zu werden. Weiter bevorzugt weist die Sensoranordnung zumindest einen magnetischen Winkelsensor zur Messung des absoluten Torsionswinkels auf, um eine besonders vorteilhafte Plausibilisierung der Sensorsignale zu erreichen. Zum Erreichen einer vorteilhaften Redundanz der Sensoranordnung ist insbesondere die Nutzung zumindest einer der Sende- und/oder Empfangseinrichtungen durch eine zweite ASIC-Schaltung vorgesehen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung zumindest eine Sendespule, die erste Empfangseinrichtung zumindest eine erste Empfangsspule und die zweite Empfangseinrichtung zumindest eine zweite Empfangsspule aufweisen, oder dass die erste Sendeeinrichtung zumindest eine erste Sendespule, die zweite Sendeeinrichtung zumindest eine zweite Sendespule, und die Empfangseinrichtung zumindest eine Empfangsspule aufweisen. Durch die Verwendung von Sende- und Empfangsspulen ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zum Ermitteln des Torsionswinkels durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung geschaffen. Beispielsweise ist auf dem insbesondere als Leiterplatte (PCB) ausgebildeten dritten Substrat eine Sendespule (TX-Spule) angeordnet. Bevorzugt ist die Sendespule derart ausgebildet, dass durch diese ein harmonisches Magnetfeld mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugbar ist oder erzeugt wird, das insbesondere eine vorgegebene Periodizität in Winkelrichtung aufweist. Weiter bevorzugt ist die Sendespule derart ausgebildet, dass die Verteilung des Magnetfeldes beziehungsweise die Stärke des Magnetfeldes annähernd rechteckförmig in Abhängigkeit des Winkels und lokal radial homogen ist. Eine zeitliche Änderung des Magnetfeldes induziert in einer auf dem ersten Substrat angeordneten ersten Empfangsspule (RX-Spule) und einer auf dem zweiten Substrat angeordneten zweiten Empfangsspule (RX-Spule) eine elektrische Spannung. Die beiden Spulen sind differentiell, also elektrisch gegensinnig verschaltet und sind dazu ausgebildet, gemeinsam demoduliert zu werden. Wirkt nun ein Drehmoment auf die Welle (Torsionsstab), so lässt sich durch die Änderung der Spannungsdifferenz der beiden Empfangsspulen auf den Differenzwinkel zwischen den Befestigungspunkten der entsprechenden Substrate auf der Welle schließen. Alternativ sind anstelle zweier Empfangsspulen nur eine Empfangsspule auf dem dritten Substrat und eine erste und eine zweite Sendespule auf dem ersten und zweiten Substrat vorgesehen. Bevorzugt ist die Spannungsdifferenz durch geeignete Wahl der Spulengeometrie direkt proportional zu dem Drehmoment. Durch die Periodizität des Designs, insbesondere der Spulengeometrie, ergibt sich der Eindeutigkeitsbereich des Messverfahrens. Besonders bevorzugt ist die Periodizität des Designs derart gewählt, dass der maximal an dem Torsionsstab auftretende Differenzwinkel den Eindeutigkeitsbereich optimal ausfüllt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Sendespule oder die erste und die zweite Empfangsspule jeweils die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen. Dadurch ist die Robustheit des Messverfahrens besonders vorteilhaft erhöht. Sind mehr als nur jeweils zwei Sendespulen oder Empfangsspulen vorgesehen, wie im folgenden Text noch erläutert werden soll, so weisen diese besonders bevorzugt jeweils alle die gleiche Anzahl von Windungen auf.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung ein auf dem dritten Substrat angeordnetes oder als das dritte Substrat ausgebildetes, elektrisch leitfähiges Wirkelement, insbesondere Target, und eine dem Wirkelement zugeordnete, ortsfeste Erregerspule aufweist. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte alternative Möglichkeit zum Ermitteln des Torsionswinkels geschaffen. Auch durch eine derartige Anordnung wird ein winkelabhängiges Magnetfeld erzeugt. Anstelle einer speziell geformten Sendespule auf dem dritten Substrat ist eine nicht-rotierende, also ortsfeste und insbesondere rotationssymmetrische Sendespule vorgesehen, die einem mit dem Torsionsstab mit-rotierenden elektrisch leitfähigen, insbesondere als Target ausgebildeten Wirkelement zugeordnet ist. Das Wirkelement ist entweder auf dem dritten Substrat angeordnet oder das dritte Substrat ist elektrisch leitfähig ausgebildet und bildet das Wirkelement selbst. Das entstehende Magnetfeld wird lokal winkelabhängig durch ein von Wirbelströmen in dem Target entstehenden elektromagnetischen Feld überlagert, sodass in Abhängigkeit davon der Torsionswinkel bestimmbar ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest eine der Sendespulen, Empfangsspulen oder das Wirkelement in tangentialer Richtung geometrisch periodisch entlang des jeweiligen Substrats verläuft oder ausgebildet ist. Durch eine derartige Periodizität ergibt sich der Vorteil, dass die Spulen und das Wirkelement dadurch auch in sich geometrisch differentiell ausgebildet sind. Insbesondere entspricht eine Periode einer Windung der insbesondere geometrisch sinusförmig ausgebildeten Spulen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine der Sendespulen, Empfangsspulen oder das Wirkelement in tangentialer Richtung sinusförmig oder zumindest annähernd stufenförmig, insbesondere rechteckförmig, entlang des jeweiligen Substrats verläuft oder ausgebildet ist. Dadurch ist eine geometrisch besonders einfache Möglichkeit zum Erreichen der Periodizität gegeben, wie vorstehend beschrieben.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Geometrie derart gewählt ist, dass die Ausgangssignale der Sendeeinrichtungen und/oder Empfangseinrichtungen einen Torsionswinkel des Torsionsstabs repräsentieren. Durch einen derartigen Zusammenhang ergibt sich der Vorteil, dass der Torsionswinkel durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung besonders einfach und sicher bestimmt wird. Insbesondere sind hierzu mehrere Spulen als Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtungen vorgesehen, die um einen vorgegebenen Winkel elektrisch zueinander versetzt sind. Beispielsweise sind zwei um 90° zueinander versetzte oder drei um 120° elektrisch zueinander versetzte Spulen vorgesehen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in der Sensoranordnung induzierte elektrische Spannung proportional zu dem Torsionswinkel des Torsionsstabs ist. Dadurch ist eine vorteilhafte robuste Möglichkeit zum Ermitteln des Torsionswinkels geschaffen. Insbesondere ist der Torsionswinkel zumindest annähernd proportional zu einem auf den Torsionsstab wirkenden Torsionsmoment, sodass die in der Sensoranordnung induzierte elektrische Spannung auch proportional zu dem Torsionsmoment ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass auf zumindest einem der Substrate zumindest zwei Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtungen jeweils um einen vorgegebenen Drehwinkel versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch ist die Robustheit des Messverfahrens besonders vorteilhaft erhöht, weil eine Redundanz geschaffen ist. Vorzugsweise sind die Sendeeinrichtungen und/oder die Empfangseinrichtungen jeweils doppelt vorgesehen. Beispielsweise sind nicht nur eine erste und eine zweite Empfangseinrichtung mit einer ersten und einer zweiten Empfangsspule vorgesehen, sondern jeweils zwei erste und zwei zweite Empfangsspulen, wobei die beiden ersten Empfangsspulen und die beiden zweiten Empfangsspulen jeweils um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90° elektrisch, versetzt zueinander angeordnet sind. Besonders vorteilhaft weisen die Spulen eine sinusförmige Spulengeometrie auf. Bei derartigen sinusförmigen Spulen ist das Drehmoment proportional zum korrigierten Arcustangens des Verhältnisses der induzierten Spannungen in den beiden Spulenpaaren. Alternativ weisen die Spulen eine rechteckförmige Spulengeometrie auf. Beim Einsatz derartiger rechteckförmige Spulenpaare ist die Referenzposition der beiden Spulenpaare bevorzugt derart gewählt, dass ohne anliegendes Drehmoment die differentielle Spannung des ersten Spulenpaares + 50 % der vollen möglichen Amplitude beträgt und die differentielle Spannung des zweiten Spulenpaares - 50 %. Besonders bevorzugt weisen die Spulen eine Vielzahl von Windungen auf, um die Amplitude des Signals zu erhöhen. Vorzugsweise weisen beide Sende- oder Empfangsspulen die gleiche Windungsanzahl auf.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein weiteres Substrat mit zumindest einer weiteren Sendeeinrichtung oder Empfangseinrichtung drehfest auf dem Torsionsstab angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Redundanz bei Ausfall einer der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen geschaffen. Besonders bevorzugt ist die jeweilige Sendeeinrichtung oder Empfangseinrichtung zu zumindest einer der anderen Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtungen um einen vorgegebenen Drehwinkel versetzt angeordnet, wie vorstehend beschrieben. Alternativ weisen diese die gleiche Winkelausrichtung auf, sind also ohne Winkelversatz angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Torsionsstab ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und eine Masseverbindung für zumindest eine der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen ausbildet. Durch die Ausbildung der Masseverbindung durch den Torsionsstab ergibt sich der Vorteil, dass eine separate Masseverbindung entfällt, schließlich sind die Sende- und Empfangseinrichtungen aufgrund der drehfesten Verbindung der Substrate mit dem Torsionsstab ohnehin elektrisch leitfähig mit diesem verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energie- und/oder Signalübertragung zu zumindest einer der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen durch Flexkabel, Schleifkontakte, oder drahtlos erfolgt. Durch eine derartige elektrische Kontaktierung der Sende- und/oder Empfangseinrichtungen ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur effizienten Energie- und/oder Signalübertragung geschaffen.
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Die Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 13 weist die erfindungsgemäße Sensoranordnung auf. Auch daraus ergeben sich die genannten Vorteile.
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Das Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 weist die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung auf. Daraus ergeben sich ebenfalls die genannten Vorteile.
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Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 15 dadurch aus, dass ein Differenzwinkel einer Verdrehung der Empfangseinrichtungen oder der Sendeeinrichtungen zueinander in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz einer induzierten elektrischen Spannung ermittelt wird. Ein derartiges Messverfahren weist aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Sensorordnung eine besonders vorteilhafte hohe Messgenauigkeit auf.
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Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
- 1 eine vorteilhafte Sensoranordnung,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sende- oder Empfangseinrichtung für die Sensoranordnung,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sende- oder Empfangseinrichtung für die Sensoranordnung,
- 4 ein Schaltplan einer Sende- oder Empfangseinrichtung für die Sensoranordnung,
- 5A und 5B Magnetfeld-Winkel-Diagramme beim Einsatz der Sensoranordnung, und
- 6 ein Spannungs-Winkel-Diagramm.
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1 zeigt eine Sensoranordnung 1 zum Ermitteln eines Torsionswinkels oder Torsionsmoments M eines Torsionsstabs 2, wie durch einen kreisförmigen Pfeil angedeutet. Der Torsionsstab 2 ist insbesondere Teil einer nicht dargestellten Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Die Sensoranordnung 1 weist ein erstes Substrat 3, ein zweites Substrat 4 sowie ein drittes Substrat 5 auf. Die Substrate 3, 4, 5 sind vorliegend, lediglich beispielgebend, als scheibenförmige Leiterplatten ausgebildet. Die Substrate 3, 4, 5 sind voneinander beabstandet an dem Torsionsstab 2 angeordnet und mit dem Torsionsstab 2 jeweils drehfest verbunden.
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Vorliegend sind das erste Substrat 3 und das zweite Substrat 4 jeweils durch eine Haltevorrichtung 6, aufweisend eine Halterung 7 und einen an dem Torsionsstab 2 befestigten Abstandshalter 8, mit dem Torsionsstab 2 drehfest verbunden. Die (spiegelbildlich ausgebildeten) Haltevorrichtungen 6 dienen zur Erhöhung des Torsionshebels, also des erfassten Torsionswinkels.
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Das dritte Substrat 5 ist in Längserstreckung des Torsionsstabs 2 zwischen dem ersten Substrat 3 und dem zweiten Substrat 4 angeordnet. Auf den Substraten 3, 4, 5 sind jeweils zumindest Teile von elektrischen Empfangseinrichtungen oder Sendeeinrichtungen angeordnet. Diese sind aus Übersichtlichkeitsgründen in der 1 nicht detailliert dargestellt.
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Für die Anordnung der Empfangseinrichtungen und der Sendeeinrichtungen auf den Substraten 3, 4, 5 gibt es verschiedene Möglichkeiten. So sind entweder auf dem ersten Substrat 3 und auf dem zweiten Substrat 4 eine erste und eine zweite elektrische Empfangseinrichtung und auf dem dritten Substrat 5 zumindest ein Teil einer elektrischen Sendeeinrichtung angeordnet, oder auf dem ersten Substrat 3 und auf dem zweiten Substrat 4 sind zumindest ein Teil einer ersten und einer zweiten elektrischen Sendeeinrichtung und auf dem dritten Substrat 5 eine elektrische Empfangseinrichtung angeordnet.
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Es sind also zumindest jeweils zwei Empfangseinrichtungen und/oder zwei Sendeeinrichtungen vorgesehen. Es ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Empfangseinrichtung oder die erste und die zweite Sendeeinrichtung differentiell elektrisch miteinander verschaltet sind. Dies wird mit Verweis auf 4 noch erläutert werden.
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Eine erste, konkrete Möglichkeit zur Anordnung und Ausbildung der Sende- und Empfangseinrichtungen besteht darin, dass auf dem ersten Substrat 3 eine erste Empfangseinrichtung 9 mit einer ersten Empfangsspule, auf dem zweiten Substrat 4 eine zweite Empfangseinrichtung 10 mit einer zweiten Empfangsspule, und auf dem dritten Substrat 5 eine Sendeeinrichtung 11 mit einer Sendespule angeordnet sind.
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Alternativ sind die Rollen der Sende- und Empfangseinrichtungen gemäß einer zweiten Möglichkeit vertauscht, also auf dem ersten Substrat 3 eine erste Sendeeinrichtung 9' mit einer ersten Sendespule, auf dem zweiten Substrat 4 eine zweite Sendeeinrichtung 10' mit einer zweiten Sendespule, und auf dem dritten Substrat 5 eine Empfangseinrichtung 11' mit einer Empfangsspule angeordnet. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist diese Möglichkeit in den Figuren nicht durch die entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In einer dritten Möglichkeit ist anstelle der Sendeeinrichtung 11 mit der Sendespule auf dem dritten Substrat 5 lediglich ein insbesondere als Target ausgebildetes, elektrisch leitfähiges Wirkelement als Teil der Sendeeinrichtung 11 angeordnet oder wird durch das dritte Substrat 5 gebildet. Dem Wirkelement ist dann eine ortsfeste Erregerspule zugeordnet.
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Diese Möglichkeiten sollen im Folgenden mit Verweis auf 2 und 3 als verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
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So zeigt die 2 ein erstes Ausführungsbeispiel derartiger Sende- oder Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 (oder 9', 10', 11') für die Sensoranordnung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Sende- und Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 jeweils zumindest eine Spule auf, wie vorstehend beschrieben (Möglichkeiten 1 und 2). Die entsprechenden Anordnungen sind vorzugsweise identisch oder zumindest ähnlich ausgebildet, sodass die 2 ein Ausführungsbeispiel für jedes der Substrate 3, 4, 5 mit den Sende- und Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 darstellt.
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Vorliegend weisen die erste Empfangseinrichtung 9 eine erste Empfangsspule 12, die zweite Empfangseinrichtung 10 eine zweite Empfangsspule 13 und die Sendeeinrichtung 11 eine Sendespule 14 auf. Die Spulen 12, 13, 14 verlaufen in tangentialer Richtung geometrisch periodisch entlang des jeweiligen Substrats 3, 4, 5. Dazu sind sie in tangentialer Richtung stufenförmig, vorliegend rechteckförmig, ausgebildet. Die Energie- und/oder Signalübertragung zu oder von den verschiedenen Spulen 12, 13, 14 erfolgt durch elektrische Kontaktanschlüsse 15. Diese sind insbesondere als Flexkabel oder Schleifkontakte ausgebildet.
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Bei Verwendung der Sende- oder Empfangseinrichtungen 9', 10', 11' sind entsprechende Spulen 12', 13', 14' vorgesehen. Die erste Sendeeinrichtung 9' weist dann eine erste Sendespule 12', die zweite Sendeeinrichtung 10 eine zweite Sendespule 13' und die Empfangseinrichtung 11' eine Empfangsspule 14' auf. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist diese Möglichkeit in den Figuren nicht durch die entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel derartiger Sende- oder Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 für die Sensoranordnung 1. Anstelle der Sendespule 14 ist auf dem dritten Substrat 5 ein als Target ausgebildetes elektrisch leitfähiges Wirkelement 16 angeordnet, dem eine ortsfeste Erregerspule 17 mit mehreren Windungen zugeordnet ist. Die erste Empfangsspule 12 und die zweite Empfangsspule 13 verlaufen in tangentialer Richtung weiterhin geometrisch periodisch entlang des jeweiligen Substrats 3, 4, sind jedoch nun im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel in tangentialer Richtung sinusförmig und damit schon in sich differentiell ausgebildet. Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 sind diese differentiellen Spulen dann paarweise differentiell in Reihe geschaltet, wie noch mit Verweis auf 4 erläutert werden wird.
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Weiter sind jeweils zur Erhöhung der Robustheit des Messverfahrens eine weitere erste Empfangsspule 18 und eine weitere zweite Empfangsspule 19 vorgesehen, wobei die ersten Empfangsspulen 12, 18 und die zweiten Empfangsspulen 13, 19 jeweils zueinander versetzt angeordnet sind. Die entsprechenden Substrate 3, 4, 5 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht beziehungsweise durchsichtig dargestellt. Alternativ bildet das Wirkelement 16 das dritte Substrat 5 direkt.
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4 zeigt einen beispielhaften Schaltplan einer Kombination von zwei der Sende- oder Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 für die Sensoranordnung 1. Beispielgebend ist die Verschaltung der beiden Empfangsspulen 12, 13 auf dem ersten und zweiten Substrat 3, 4 dargestellt. Diese sind über eine als Block dargestellte, insbesondere als ASIC ausgebildete Schaltungsanordnung 20 differenziell miteinander verschaltet, werden also gegensinnig von elektrischem Strom durchflossen. Ebenfalls mit der Schaltungsanordnung 20 verbunden ist die Sendespule 14.
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Die Schaltungsanordnung 20 wird durch eine Versorgungsleitung 21 mit elektrischer Spannung versorgt und ist durch die Masseleitung 22 mit einem elektrischen Bezugspotential verbunden. Über Ausgangsleitungen 23 wird ein Ausgangssignal der Sensoranordnung 1 ausgegeben.
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5A und 5B zeigen Magnetfeld-Winkel-Diagramme beim Einsatz der Sensoranordnung 1, vorliegend einen Verlauf der Magnetfeldstärke eines Magnetfelds B über einen Torsionswinkel α. So zeigt die 5A den Betrag des Magnetfeldes B, der bei einer Torsion des Torsionsstabs 2 entsteht, wenn die erste Empfangsspule 12 und die zweite Empfangsspule 13 einen Winkelversatz von elektrisch 90° zueinander aufweisen.
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In diese Anordnung ergeben sich immer abwechselnd Bereiche mit jeweils maximalen Signalen für die Spulen 12, 13, dargestellt durch die entsprechend schraffierten, die Stärke des Magnetfelds B repräsentierenden Flächen, sodass ein maximal mögliches Gesamtsignal als Ausgangssignal der Sensoranordnung 1 entsteht.
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Die 5B zeigt den Betrag des Magnetfeldes B, der bei einer Torsion des Torsionsstabs 2 entsteht, wenn die Spulen 12, 13 keinen Winkelversatz zueinander aufweisen. Entsprechend sind die Bereiche mit maximaler und minimaler Magnetfeldstärke deckungsgleich, sodass ein minimal mögliches Gesamtsignal ausgegeben wird.
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Schließlich zeigt 6 noch ein Spannungs-Winkel-Diagramm, vorliegend einen Verlauf der induzierten elektrischen Spannung U in den Empfangsspulen 12, 13 über ihren Differenzwinkel φ. Es ist erkennbar, dass sich das Spannungssignal mit einer Periodizität P wiederholt, sodass dadurch ein Eindeutigkeitsbereich definiert ist. Die Empfangsspulen 12, 13 sind geometrisch dabei derart ausgebildet, dass die induzierte Spannung proportional zu dem Torsionswinkel und dem Torsionsmoment an dem Torsionsstab 2 ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008006865 A1 [0005]
