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Die Erfindung betrifft eine induktive Sensoranordnung zur Ermittlung eines Drehwinkels eines um eine Drehachse drehbaren Körpers.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen über mehrere vollständige mechanische Rotationen eindeutigen Absolutwinkel eines Lenkwinkel mit Hilfe einer Nonius-Berechnung aus mindestens zwei Einzelwinkeln zu berechnen. Hierbei wird mindestens einer der Winkel mechanisch untersetzt. Da bedeutet, dass sich der Einzelwinkel mit einer mechanischen Umdrehung der Welle um weniger als 360 Grad dreht. Oftmals wird dies mithilfe von Magnetsensoren realisiert. So sind aus der
DE 10 2010 063 845 A1 beispielsweise ein Winkelsensor zum Bestimmen eines Drehwinkels eines drehbaren Körpers, wie beispielsweise einer Lenksäule in einem Kraftfahrzeug, sowie ein in diesem Winkelsensor verwendbares Zahnrad einschließlich eines zur Herstellung eines solchen Zahnrades verwendbaren Verfahrens bekannt. Ein von dem Zahnrad erzeugtes Magnetfeld soll von einem Magnetfeldsensor hinsichtlich seiner Orientierung detektiert werden. Hierzu soll das gesamte Zahnrad aus einem magnetisierbaren Material, wie beispielsweise Hartferrit bestehen, in das eine Magnetisierung eingebracht ist, die in einem Zentralbereich des Zahnrades stärker ist als in einem Randbereich, in dem die Zähne angeordnet sind. Um den Randbereich nur schwach zu magnetisieren und damit einen negativen Einfluss der Zähne auf eine Homogenität des erzeugten Magnetfeldes zu minimieren, kann das Zahnrad stirnseitig magnetisiert werden. Der Magnetisierungsvorgang kann dabei vorteilhafterweise bereits zeitgleich mit einem Spritzgießvorgang zum Bilden des Zahnrades stattfinden. Hierbei befindet sich ein Hauptzahnrad auf der Welle, deren Drehbewegung erfasst werden soll, und mindestens ein weiteres Zahnrad befindet sich neben dieser Welle auf einer radial versetzten Drehachse.
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Aus der
DE 195 06 938 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Winkels eines drehbaren Körpers, insbesondere eines um mehr als 360° drehbaren Körpers, bekannt. Dieser drehbare Körper wirkt dabei mit wenigstens zwei weiteren drehbaren Körpern zusammen, beispielsweise Zahnrädern, deren Winkelposition mit Hilfe zweier Sensoren ermittelt wird. Aus den so ermittelten Winkelpositionen wird die Winkellage des drehbaren Körpers bestimmt. Damit eindeutige Aussagen möglich sind, ist es erforderlich, dass alle drei drehbaren Körper bzw. Zahnräder bestimmte vorgebbare Zähnezahlen aufweisen. Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich beispielsweise zur Ermittlung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges verwenden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die induktive Sensoranordnung zur Ermittlung eines Drehwinkels eines um eine Drehachse drehbaren Körpers mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch eine koaxiale Übertragung der Drehbewegung des drehbaren Körpers um die Drehachse mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis auf die mindestens eine Koppelvorrichtung eine Nonius-Berechnung des Drehwinkels über mehrere Umdrehungen des Körpers möglich ist einzusetzen. Dadurch kann ein radialer Versatz der Drehachsen des drehbaren Körpers und der mindestens einen Koppelvorrichtung vermieden und Bauraum eingespart werden. Dies ist insbesondere mit Ausführungsformen der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung möglich, da die mindestens eine Koppelvorrichtung der induktiven Sensoranordnung im Vergleich zu einem typischen Magneten für eine magnetische Sensoranordnung innen hohl sein kann, um eine Durchführung für den drehbaren Körper zu ermöglichen, dessen Drehwinkel ermittelt werden soll. Zudem bringt die Verwendung der induktiven Messung einen Kostenvorteil, da das gleiche Messprinzip in bereits aus dem Stand der Technik bekannten ASIC-Bausteinen (ASIC: Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) eingesetzt wird und diese ASIC-Bausteine als Auswerte- und Steuereinheiten in Ausführungsformen der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung verwendet werden können. Zudem besteht die Möglichkeit, die Berechnung des Nonius-Lenkwinkels und eines wirksamen Drehmoments im gleichen ASIC-Baustein zu realisieren, was die Komplexität in einem korrespondierenden Steuergerät und die Anzahl von Leitungen und Kommunikationsschnittstellen im Steuergerät reduziert.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine induktive Sensoranordnung zur Ermittlung eines Drehwinkels eines um eine Drehachse drehbaren Körpers, mit mindestens einer um die Drehachse drehbaren Koppelvorrichtung und mindestens einer Messwerterfassungsvorrichtung zur Verfügung, welche mindestens einen Schaltungsträger mit mindestens einer Erregerstruktur und mindestens einer Empfangsstruktur umfasst. Die mindestens eine Erregerstruktur ist mit mindestens einer Oszillatorschaltung gekoppelt, welche während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur einkoppelt. Die mindestens eine um die Drehachse drehbare Koppelvorrichtung ist ausgeführt, eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur und der mindestens einen Empfangsstruktur zu beeinflussen. Hierbei ist mindestens eine Übertragungsvorrichtung ausgeführt, die Drehbewegung des drehbaren Körpers um die Drehachse mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis koaxial auf die mindestens eine Koppelvorrichtung zu übertragen, so dass sich die mindestens eine Koppelvorrichtung mit einer anderen Drehzahl um die Drehachse dreht als der drehbare Körper. Mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ist ausgeführt, in der mindestens einen Empfangsstruktur induzierte Signale auszuwerten und einen aktuellen Drehwinkel des drehbaren Körpers unter Berücksichtigung des Übertragungsverhältnisses zu bestimmen.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung ermöglichen eine koaxiale Übertragung der Rotation des drehbaren Körpers und dadurch eine einfache Messung des übertragenen Winkels mit Hilfe des induktiven Messprinzips. Hierzu ist eine erste Koppelvorrichtung auf die Übertragungsvorrichtung aufgebracht, welche zu einer veränderten Drehzahl der Koppelvorrichtung gegenüber des drehbaren Körpers führt. In Verbindung mit mindestens einer weiteren Koppelvorrichtung, welche zur Drehmomentmessung sowieso auf dem drehbaren Körper aufgebracht ist, können somit Lenkwinkel eindeutig bestimmt werden, welche über eine Umdrehung, d.h. über einen Drehwinkel von 360 Grad, hinausgehen. Auf dem mindestens einen Schaltungsträger kann die mindestens eine Empfangsstruktur für die erste Koppelvorrichtung auf der Übertragungsvorrichtung entweder radial weiter innen oder weiter außen gegenüber der mindestens einen Empfangsstruktur für die mindestens eine Koppelvorrichtung auf dem drehbaren Körper angebracht sein. Vorzugsweise findet keine Überlappung der Empfangsstruktur statt.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung können prinzipiell für alle Arten der Winkelmessung mit mehr als 360 Grad angewendet werden. Für die Berechnung des Nonius ist eine zweite Winkelinformation erforderlich, welche entweder durch eine direkt auf dem drehbaren Körper oder durch eine auf einer weiteren Übertragungsvorrichtung aufgebrachte weitere Koppelvorrichtung zugehörige Empfangsstrukturen gemessen wird. Bei der direkten Anordnung auf dem drehbaren Körper wird die Drehzahl der Koppelvorrichtung gegenüber der Drehzahl des drehbaren Körpers nicht untersetzt bzw. übersetzt. Alternativ wird bei der Anordnung auf der weiteren Übertragungsvorrichtung die Drehzahl der weiteren Koppelvorrichtung gegenüber der Drehzahl des drehbaren Körpers untersetzt bzw. übersetzt, wobei sich die Übertragungsverhältnisse der verwendeten Übertragungsvorrichtungen voneinander unterscheiden. Insbesondere können bei einem kombinierten induktiven Lenkwinkel- und Drehmomentsensor insgesamt mindestens drei Koppelvorrichtungen und Empfangsstrukturen verwendet werden, wobei zwei Koppelvorrichtungen für eine Drehmomentmessung direkt auf dem drehbeweglichen Körper und eine Koppelvorrichtung auf einer Übertragungsvorrichtung angeordnet sein kann.
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Unter einer Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend eine elektrische Baugruppe bzw. elektrische Schaltung verstanden werden, welche erfasste Sensorsignale aufbereitet bzw. verarbeitet bzw. auswertet. Vorzugsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit als ASIC-Baustein (ASIC: Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) ausgeführt sein. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil des ASIC-Bausteins sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Unter der Erregerstruktur kann nachfolgend eine Sendespule mit einer vorgegebenen Windungszahl verstanden werden, welche das von der mindestens einen Oszillatorschaltung eingekoppelte Wechselsignal aussendet. Die mindestens eine Empfangsstruktur kann vorzugsweise als Empfangsspulen ausgeführt sein, welche jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aufweist. Hierbei unterscheiden sich die Periodizitäten der Schleifenstrukturen der Empfangsspulen in verschiedenen Empfangsstrukturen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen induktive Sensoranordnung zur Ermittlung eines Drehwinkels eines um eine Drehachse drehbaren Körpers möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Übertragungsvorrichtung als Planetengetriebe ausgeführt sein kann, welches ein drehfest mit dem drehbaren Körper verbundenes Sonnenrad mit einer ersten Zähnezahl und ein koaxial zum Sonnenrad angeordnetes Hohlrad mit einer zweiten Zähnezahl umfasst. Hierbei kann das Sonnenrad über mindestens ein Planetenrad mit einer dritten Zähnezahl mit dem Hohlrad gekoppelt sein, wobei das mindestens eine Planetenrad drehbeweglich an einem Träger gelagert ist. Die Ausführung als Planetengetriebe ermöglicht eine einfache koaxiale Untersetzung bzw. koaxiale Übersetzung der Rotation bzw. Drehbewegung des drehbaren Körpers auf die mindestens eine Koppelvorrichtung und dadurch einfache Messung des untersetzten bzw. übersetzten Drehwinkels mit Hilfe der induktiven Sensoranordnung. Vorzugsweise können alle Zahnräder, wie das Sonnenrad, das Hohlrad und das mindestens eine Planetenrad, aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie beispielsweise Kunststoff bestehen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann das Hohlrad drehfest gelagert sein und die mindestens eine Koppelvorrichtung drehfest mit dem Träger verbunden sein, so dass die Drehbewegung des drehbaren Körpers über das Sonnenrad und über das mindestens eine Planetenrad, welches im feststehenden Hohlrad kämmt, auf den Träger übertragbar ist. Hierbei basiert das Übertragungsverhältnis zwischen der Drehzahl des drehbaren Körpers und der Drehzahl der Koppelvorrichtung auf dem Verhältnis der zweiten Zähnezahl des Hohlrads und der ersten Zähnezahl des Sonnenrads. Alternativ kann der Träger drehfest gelagert sein und die mindestens eine Koppelvorrichtung drehfest mit dem Hohlrad verbunden sein, so dass die Drehbewegung des drehbaren Körpers über das Sonnenrad und über das mindestens eine Planetenrad auf das Hohlrad übertragbar ist. Hierbei basiert das Übertragungsverhältnis zwischen der Drehzahl des drehbaren Körpers und der Drehzahl der Koppelvorrichtung auf dem Verhältnis der zweiten Zähnezahl des Hohlrads und der ersten Zähnezahl des Sonnenrads. Diese Ausführungsform führt meist zu einem geringeren Übertragungsverhältnis, kann aber im mechanischen Aufbau bezüglich der Befestigung der Zahnräder auf dem mindestens einen Schaltungsträger Vorteile bieten. Vorzugsweise sind zwischen zwei und vier Planetenräder vorgesehen, um die Drehbewegung zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad zu übertragen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann die mindestens eine Koppelvorrichtung eine Anzahl von elektrisch leitenden Koppelsegmenten aufweisen, welche eine Periodizität der in der mindestens einen Empfangsstruktur induzierten Signale definieren kann. Zudem kann ein Produkt aus dem Übertragungsverhältnis der auf die mindestens eine Koppelvorrichtung übertragenen Drehbewegung des drehbaren Körpers um die Drehachse und der Periodizität der mindestens einen Koppelvorrichtung eine gebrochen rationale Zahl sein. Das bedeutet, das das Übertragungsverhältnis zwischen der Drehzahl des drehbaren Körpers und der Drehzahl der Koppelvorrichtung so vorgegeben ist, dass das korrespondierende Produkt mit der Periodizität der Koppelvorrichtung kleiner als 1 ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann die mindestens eine Empfangsstruktur mindestens eine Empfangsspule mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur aufweisen. Vorzugsweise kann die mindestens eine Empfangsstruktur mindestens zwei Empfangsspulen mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur aufweisen. Hierbei kann eine erste Empfangsspule der mindestens einen Empfangsstruktur einen Sinuskanal und eine zweite Empfangsspule der mindestens einen Empfangsstruktur kann einen Cosinuskanal ausbilden. Die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ist ausgeführt, aus einem Signal des Sinuskanals und aus einem Signal des Cosinuskanals durch eine Arcustangensfunktion ein korrespondierendes Messsignal zu bestimmen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann eine erste drehbare Koppelvorrichtung über eine erste Übertragungsvorrichtung mit dem drehbaren Körper gekoppelt sein, und mindestens eine weitere drehbare Koppelvorrichtung kann über eine weitere Übertragungsvorrichtung oder direkt mit dem drehbaren Körper gekoppelt sein. Hierbei können die über die erste drehbare Koppelvorrichtung in einer ersten Empfangsstruktur induzierten Signale einem ersten Messsignal entsprechen, welches eine mit einer ersten Periodizität erfasste Drehbewegung der ersten drehbaren Koppelvorrichtung repräsentiert und aus welchem ein erster Drehwinkel der ersten Koppelvorrichtung ermittelbar ist. Die über die mindestens eine weitere drehbare Koppelvorrichtung in mindestens einer weiteren Empfangsstruktur induzierten Signale können mindestens einem weiteren Messsignal entsprechen, welches eine mit einer weiteren Periodizität erfasste Drehbewegung der weiteren drehbaren Koppelvorrichtung oder des drehbaren Körpers repräsentiert und aus welchem ein weiterer Drehwinkel der mindestens einen weiteren Koppelvorrichtung ermittelbar ist. Aus dem ersten Drehwinkel und dem mindestens einen weiteren Drehwinkel kann ein Absolutwinkel des um die Drehachse drehbaren Körpers ermittelt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung zur Ermittlung eines Drehwinkels eines um eine Drehachse drehbaren Körpers.
- 2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie II - II in 1.
- 3 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie III - III in 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung 1 zur Ermittlung eines Drehwinkels DW eines um eine Drehachse DA drehbaren Körpers 3 mindestens eine um die Drehachse DA drehbare Koppelvorrichtung 5, 5A, 5B und mindestens einer Messwerterfassungsvorrichtung 10, welche mindestens einen Schaltungsträger 7 mit mindestens einer Erregerstruktur 14, 14A, 14B und mindestens einer Empfangsstruktur 16, 16A, 16B umfasst. Die mindestens eine Erregerstruktur 14, 14A, 14B ist mit mindestens einer nicht dargestellten Oszillatorschaltung gekoppelt, welche während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur 14, 14A, 14B einkoppelt. Die mindestens eine um die Drehachse DA drehbare Koppelvorrichtung 5, 5A, 5B beeinflusst eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einer Erregerstruktur 14, 14A, 14B und der mindestens einen Empfangsstruktur 16, 16A, 16B. Hierbei überträgt mindestens eine Übertragungsvorrichtung 20 die Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 um die Drehachse DA mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis koaxial auf die mindestens eine Koppelvorrichtung 5, 5A, 5B, so dass sich die mindestens eine Koppelvorrichtung 5, 5A, 5B mit einer anderen Drehzahl um die Drehachse DA dreht als der drehbare Körper 3. Mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 18 wertet in der mindestens einen Empfangsstruktur 16, 16A, 16B induzierte Signale aus und bestimmt einen aktuellen Drehwinkel DW des drehbaren Körpers 3 unter Berücksichtigung des Übertragungsverhältnisses.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist der drehbare Körper 3 als Welle 3A ausgeführt. Zudem umfasst die induktive Sensoranordnung 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel nur eine als Planetengetriebe 20A ausgeführte Übertragungsvorrichtung 20 und nur einen Schaltungsträger 7. Das Planetengetriebe 20 umfasst ein drehfest mit dem drehbaren Körper 3 verbundenes Sonnenrad 22 mit einer ersten Zähnezahl und ein koaxial zum Sonnenrad 22 angeordnetes Hohlrad 24 mit einer zweiten Zähnezahl. Hierbei ist das Sonnenrad 22 über mindestens ein Planetenrad 26 mit einer dritten Zähnezahl mit dem Hohlrad 24 gekoppelt, wobei das mindestens eine Planetenrad 26 drehbeweglich an einem Träger 28 gelagert ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sonnenrad 22 über vier Planetenräder 26 mit dem Hohlrad 24 gekoppelt. Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Sonnenrad 22 beispielsweise nur über ein Planetenrad 26 oder über zwei oder drei Planetenräder 26 mit dem Hohlrad 24 gekoppelt. Selbstverständlich können bei Bedarf auch mehr als vier Planetenräder 26 verwendet werden, um das Sonnenrad 22 mit dem Hohlrad 24 zu koppeln.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite drehbare Koppelvorrichtung 5B über eine als Planetengetriebe 20A ausführte zweite Übertragungsvorrichtung mit dem drehbaren Körper 3 gekoppelt. Somit kann über die zweite drehbare Koppelvorrichtung 5B in die zweite Empfangsstruktur 16B induzierten Signale das zweite Messsignal MS2 erfasst werden, welches eine mit einer weiteren Periodizität erfasste Drehbewegung der zweiten drehbaren Koppelvorrichtung 5B repräsentiert und aus welchem der zweite Drehwinkel DW2 der zweiten Koppelvorrichtung 5B ermittelbar ist. Das Übertragungsverhältnis zwischen der Drehzahl des drehbaren Körpers 3 und der Drehzahl der zweiten Koppelvorrichtung 5B basiert analog zur oben beschriebenen Übertragungsvorrichtung 20 auf dem Verhältnis der zweiten Zähnezahl des Hohlrads 24 und der ersten Zähnezahl des Sonnenrads 22 des korrespondierenden Planetengetriebes 20A.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel das Hohlrad 24 des Planetengetriebes 24A drehfest gelagert und eine erste Koppelvorrichtung 5A ist über mehrere Befestigungselemente 29 drehfest mit dem Träger 28 verbunden, so dass die Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 über das Sonnenrad 22 und über die vier Planetenräder 26, welche im feststehenden Hohlrad 24 kämmen, auf den Träger 28 mit der ersten Koppelvorrichtung 5A übertragbar ist. Das Übertragungsverhältnis zwischen der Drehzahl des drehbaren Körpers 3 und der Drehzahl der ersten Koppelvorrichtung 5A basiert auf dem Verhältnis der zweiten Zähnezahl des Hohlrads 24 und der ersten Zähnezahl des Sonnenrads 22. Zudem ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine zweite drehbare Koppelvorrichtung 5B direkt mit dem drehbaren Körper 3 gekoppelt. Dadurch entspricht die Drehzahl der zweiten Koppelvorrichtung 5B der Drehzahl des drehbaren Körpers 3. Der Schaltungsträger 7 ist zwischen der ersten drehbaren Koppelvorrichtung 5A und der zweiten drehbaren Koppelvorrichtung 5B angeordnet, wobei eine erste Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7, hier die Unterseite 7.1 der ersten Koppelvorrichtung 5A zugewandt ist, und eine zweite Seite 7.2 des Schaltungsträgers 7, hier die Oberseite 7.2 der zweiten Koppelvorrichtung 5B zugewandt ist.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 ist der Träger 28 drehfest gelagert und die erste Koppelvorrichtung 5A ist drehfest mit dem Hohlrad 24 verbunden, so dass die Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 über das Sonnenrad 22 und über das mindestens eine Planetenrad 26 auf das Hohlrad 24 übertragbar ist. Hierbei basiert das Übertragungsverhältnis zwischen der Drehzahl des drehbaren Körpers 3 und der Drehzahl der Koppelvorrichtung 5 auf dem Verhältnis der zweiten Zähnezahl des Hohlrads 24 und der ersten Zähnezahl des Sonnenrads 22.
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Wie aus 1 und 3 weiter ersichtlich ist, weist der Schaltungsträger 7 an seinen den beiden Koppelvorrichtungen 5A, 5B zugewandten Seiten 7.1, 7.2 jeweils eine Erregerstruktur 14, 14A, 14B und mindestens eine Empfangsstruktur 16, 16A,16B auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine erste Erregerstruktur 14A, welche vorzugsweise als Erregerspule ausgeführt ist, und eine erste Empfangsstruktur 16A, welche vorzugsweise zwei Empfangsspulen 17A, 17B mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur 17.1 aufweist, auf der ersten Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7 angeordnet und der ersten, hier unteren Koppelvorrichtung 5A zugeordnet und dieser zugewandt. Hierbei ist die erste Erregerstruktur 14A mit einer nicht näher dargestellten ersten Oszillatorschaltung gekoppelt, welche in einer ersten Auswerte- und Steuereinheit 12A angeordnet ist und während des Betriebs der induktiven Sensoranordnung 1 ein periodisches Wechselspannungssignal erzeugt und in die erste Erregerstruktur 14A einkoppelt. Eine zweite Erregerstruktur 14B, welche vorzugsweise als Erregerspule ausgeführt ist, und eine zweite Empfangsstruktur 16B, welche vorzugsweise zwei Empfangsspulen 17A, 17B mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur 17.1 aufweist, sind auf einer zweiten Seite 7.2 des Schaltungsträgers 7 angeordnet und einer zweiten Koppelvorrichtung 5B zugeordnet und diesem zugewandt. Hierbei ist die zweite Erregerstruktur 14B mit einer nicht näher dargestellten zweiten Oszillatorschaltung gekoppelt, welche in einer zweiten Auswerte- und Steuereinheit 12B angeordnet ist und während des Betriebs der induktiven Sensoranordnung 1 ein periodisches Wechselspannungssignal erzeugt und in die zweite Erregerstruktur 14B einkoppelt.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, sind die beiden Koppelvorrichtungen 5A, 5B jeweils als Rotoren mit einer vorgegebenen Anzahl von als Flügeln 5.1A, 5.1B ausgeführten elektrisch leitenden Koppelsegmenten 5.1 ausgeführt. Die beiden Koppelvorrichtungen 5A, 5B sind relativ zueinander und relativ zum Schaltungsträger verdrehbar und beeinflussen bei ihrer Verdrehung die Stärke der induktiven Kopplung zwischen den Erregerstrukturen 14, 14A, 14B und den ihnen zugeordneten Empfangsstrukturen 16, 16A, 16B. Die erste Koppelvorrichtung 5A weist eine erste Anzahl von elektrisch leitenden ersten Flügeln 5.1A auf, welche einer Periodizität der zugeordneten ersten Empfangsstruktur 16A entspricht und eine erste Periodizität eines ersten Messsignals MS1 vorgibt. Entsprechend weist die zweite Koppelvorrichtung 5B eine zweite Anzahl von elektrisch leitenden zweiten Flügeln 5.1B auf, welche einer Periodizität der zugeordneten zweiten Empfangsstruktur 16B entspricht und eine zweite Periodizität eines zweiten Messsignals MS2 vorgibt. Eine erste Anzahl der sich periodisch wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 der beiden Empfangsspulen 17A, 17B der ersten Empfangsstruktur 16a basiert auf der ersten Periodizität P1. Eine zweite Anzahl der sich periodisch wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 der beiden Empfangsspulen 17A, 17B der zweiten Empfangsstruktur 16B basiert auf der zweiten Periodizität P2. Die Winkelpositionen der beiden Koppelvorrichtungen 5A, 5B werden unabhängig voneinander bestimmt. Zu diesem Zweck weist die induktive Sensoranordnung 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Auswerte- und Steuereinheiten 12A, 12B zum Empfangen der in den Empfangsstrukturen 16A, 1B während der Relativverdrehung der beiden Koppelvorrichtungen 5A, 5B induzierten Signale auf. Die über die erste drehbare Koppelvorrichtung 5A in der ersten Empfangsstruktur 16A induzierten Signale entsprechen dem ersten Messsignal MS1, welches eine mit einer ersten Periodizität erfasste Drehbewegung der ersten drehbaren Koppelvorrichtung 5A repräsentiert und aus welchem ein erster Drehwinkel DW1 der ersten Koppelvorrichtung 5A ermittelbar ist. Hierbei sind das Übertragungsverhältnis zwischen der Drehzahl des drehbaren Körpers 3 und der Drehzahl der ersten Koppelvorrichtung 5A bzw. die Periodizität der ersten Koppelvorrichtung 5A im dargestellten Ausführungsbeispiel so gewählt, dass ein Produkt aus dem Übertragungsverhältnis der auf die mindestens eine Koppelvorrichtung 5 übertragenen Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 um die Drehachse DA und der Periodizität der ersten Koppelvorrichtung 5A eine gebrochen rationale Zahl ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ermittelt eine erste Auswerte- und Steuereinheit 12A, welche auf der ersten Seite 7.1 des Schaltungsträgers angeordnet ist, aus dem ersten Messsignal MS1 den ersten Drehwinkel DW1. Die über die zweite drehbare Koppelvorrichtung 5B in der zweiten Empfangsstruktur 16B induzierten Signale entsprechen dem zweiten Messsignal MS2, welches eine mit einer ersten Periodizität erfasste Drehbewegung der zweiten drehbaren Koppelvorrichtung 5B repräsentiert und aus welchem ein zweiter Drehwinkel DW2 der zweiten Koppelvorrichtung 5B ermittelbar ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ermittelt eine zweite Auswerte- und Steuereinheit 12B, welche auf der zweiten Seite 7.2 des Schaltungsträgers 7 angeordnet ist, aus dem zweiten Messsignal MS2 den zweiten Drehwinkel DW2. Die o.g. weitere Auswerte- und Steuereinheit 18 empfängt die beiden Drehwinkel DW1 und DW2 und wertet diese zur Bestimmung des aktuellen Drehwinkels DW des drehbaren Körpers 3 aus. Zur Bestimmung des aktuellen Drehwinkels DW des drehbaren Körpers 3 wendet die Auswerte- und Steuereinheit 18 eine aus dem Stand der Technik bekannte Nonius-Berechnung an, um durch eine mathematische Kombination des ersten Drehwinkels DW1 und des zweiten Drehwinkels DW2 den Drehwinkel DW des drehbaren Körpers 3 auch bei einer Drehbewegung von mehr als 360 Grad eindeutig bestimmen zu können. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerte- und Steuereinheit 18 bei Bedarf einen Differenzwinkel aus den beiden Drehwinkeln DW1 und DW2 berechnen. Die weitere Auswerte- und Steuereinheit 18 kann beispielsweise auf dem Schaltungsträger 7 oder in einem übergeordneten Steuergerät 19 angeordnet sein.
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Nachfolgend wird der prinzipielle Aufbau der beiden Empfangsstrukturen 16A, 16B am Beispiel der in 3 dargestellten ersten Empfangsstruktur 16A bei einem durchsichtig dargestellten Schaltungsträger 7 beschrieben. Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, weisen die einzelnen sich wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 der ersten Empfangsspule 17A und der gestrichelt dargestellten zweiten Empfangsspule 17B jeweils eine Sinusform auf, wobei die sich wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 der zweiten Empfangsspule 17B um 90° gegenüber den sich wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 der ersten Empfangsspule 17A verschoben sind. Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, sind Abschnitte der sich wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 der beiden Empfangsspulen 17A, 17B in unterschiedlichen Lagen des Schaltungsträgers 7 angeordnet, so dass Überschneidungen einfach vermieden werden können. Die in verschiedenen Lagen angeordneten Abschnitte der sich wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 sind über Durchkontaktierungen 17.2 miteinander elektrisch verbunden. Zudem weist die erste Empfangsspule 17A zwei Umkehrpunkte 17.3 auf, so dass jeweils zwischen zwei sich wiederholenden gegenläufigen Schleifenstrukturen 17.1 der ersten Empfangsspule 17A Flächen A1, A2 eingeschlossen werden, in welchen Magnetfelder mit unterschiedlicher Orientierung induziert werden. Hierbei bestimmt die Anzahl dieser Flächenpaare die Periodizität der ersten Empfangsspule 17A der ersten Empfangsstruktur 16A und entspricht der ersten Anzahl von elektrisch leitenden ersten Flügeln 5.1A der ersten Koppelvorrichtung 5A. Zudem bildet die erste Empfangsspule 17A der ersten Empfangsstruktur 16A einen Sinuskanal aus, und die zweite Empfangsspule 17B der ersten Empfangsstruktur 16A bildet einen Cosinuskanal aus. Hierbei bestimmt die erste Auswerte- und Steuereinheit 12A mittels einer Arcustangensfunktion das korrespondierende erste Messsignal MS1. Die zweite Empfangsspule 17B weist ebenfalls zwei Umkehrpunkte 17.4 auf, so dass jeweils zwischen zwei sich wiederholenden gegenläufigen Schleifenstrukturen 17.1 der zweiten Empfangsspule 17B Flächen A1, A2 eingeschlossen werden, in welchen Magnetfelder mit unterschiedlicher Orientierung induziert werden. Hierbei bestimmt die Anzahl dieser Flächenpaare die Periodizität der zweiten Empfangsspule 17B der ersten Empfangsstruktur 16A und entspricht der ersten Anzahl von elektrisch leitenden ersten Flügeln 5.1A der ersten Koppelvorrichtung 5A. Die römischen Zahlen I, II, III, IV bezeichnen jeweils von den sich wiederholenden Schleifenstrukturen 17.1 der beiden Empfangsspulen 17A, 17B gebildete Flächenpaare. Zudem bildet eine erste Empfangsspule 17A der zweiten Empfangsstruktur 16B einen Sinuskanal aus, und eine zweite Empfangsspule 17B der zweiten Empfangsstruktur 16B bildet einen Cosinuskanal aus. Hierbei bestimmt die zweite Auswerte- und Steuereinheit 12B mittels einer Arcustangensfunktion das korrespondierende zweite Messsignal MS2.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 weisen die mindestens zwei Empfangsstrukturen 16A, 16B jeweils mindestens drei Empfangsspulen mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur auf. Die mindestens drei Empfangsspulen bilden ein Mehrphasensystem aus. Hierbei führt die korrespondierende Auswerte- und Steuereinheit 12A, 12B vorzugsweise mittels einer Clarke-Transformation, eine geeignete Phasentransformation von Signalen des Mehrphasensystems durch und bestimmt mittels einer Arcustangensfunktion das jeweilige Messsignal MS1, MS2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063845 A1 [0002]
- DE 19506938 A1 [0003]
