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Die Erfindung betrifft eine induktive Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung 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 magnetischer Winkelsensor zum Bestimmen eines Drehwinkels eines drehbaren Körpers, wie beispielsweise einer Lenksäule in einem Kraftfahrzeug, sowie ein in diesem Winkelsensor verwendbares Zahnrad bekannt. Ein von dem Zahnrad erzeugtes Magnetfeld soll von einem Magnetfeldsensor hinsichtlich seiner Orientierung detektiert werden. 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 10 2020 205 202 A1 ist eine induktive Winkelmesseinrichtung bekannt, welche ein Skalenelement mit mehreren Leiterbahngruppen und ein Abtastelement aufweist, welches eine Erregerspur und eine Empfängerspur mit zumindest zwei Empfängerleiterbahnen aufweist, wobei die Empfängerleiterbahnen einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Das Abtastelement ist als mehrlagige Leiterplatte ausgeführt und dient zur Abtastung des Skalenelements. Das Abtastelement weist eine äußere Empfängerspur mit vier Empfängerleiterbahnen und eine innere Empfängerspur mit vier Empfängerleiterbahnen sowie drei Erregerspuren auf. Die Empfängerleiterbahnen der äußeren Empfängerspur sind radial zwischen einer äußeren und einer mittleren Erregerspur angeordnet. Die Empfängerleiterbahnen der inneren Empfängerspur sind zwischen der mittleren Erregerspur und einer inneren Erregerspur angeordnet. Zudem verlaufen die Empfängerleiterbahnen auf unterschiedlichen Ebenen mit Durchkontaktierungen. Die Empfängerleiterbahnen sind relativ zueinander entlang der Messrichtung versetzt. Das Skalenelement besteht aus einem Substrat, welches beispielsweise aus Epoxidharz hergestellt ist und auf dem in einer äußeren Teilungsspur eine erste Leiterbahn und eine zweite Leiterbahn angeordnet sind, welche der äußeren Empfängerspur zugeordnet sind. Zudem umfasst das Skalenelement eine innere Teilungsspur, welche elektrisch leitfähige Teilungsbereiche aufweist, zwischen denen kein leitfähiges Material angeordnet ist. Das Abtastelement und das Skalenelement sind relativbeweglich mit einem vorgegebenen Abstand einander gegenüberliegend angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die induktive Sensoranordnung zur Erfassung einer Drehbewegung 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 mindestens eine der Koppelvorrichtungen eine Nonius-Berechnung des Drehwinkels über mehrere Umdrehungen des Körpers möglich ist. Dadurch kann ein radialer Versatz der Drehachsen des drehbaren Körpers und der mindestens einen Koppelvorrichtung vermieden und Bauraum eingespart werden. Zudem kann der Bauraum der Sensoranordnung durch die konzentrische Anordnung der mindestens zwei Empfangsstrukturen optimaler ausgenutzt werden, bzw. stattdessen sogar 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 Drehbewegung erfasst werden soll.
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Insbesondere in der mindestens einen elektronischen Auswerte- und Steuereinheit der induktiven Sensoranordnung können im Vergleich zu einer magnetischen oder gemischten Sensoranordnung signifikant Kosten eingespart werden, da das zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels zusätzlich verwendete Signal von derselben Schaltung verarbeitet und so ein Multiplexing im analogen Teil der mindestens einen Auswerte- und Steuereinheit durchgeführt werden kann. Somit ist es beispielsweise nicht erforderlich den Schaltungsblock zur Berechnung eines Winkels aus zwei Messsignalen mehrfach in zwei Auswerte- und Steuereinheiten zu verbauen.
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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 Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse drehbaren Körpers, mit mindestens zwei um die Drehachse drehbaren Koppelvorrichtungen und mindestens einer Messwerterfassungsvorrichtung zur Verfügung, welche einen mehrlagigen Schaltungsträger mit mindestens einer Erregerstruktur und mindestens zwei Empfangsstrukturen umfasst, welche jeweils einer der mindestens zwei Koppelvorrichtungen zugeordnet sind. Die mindestens eine Erregerstruktur ist mit mindestens einer Oszillatorschaltung gekoppelt, welche während des Betriebs mindestens ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur einkoppelt. Die mindestens zwei Koppelvorrichtungen sind ausgeführt, jeweils eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur und der zugeordneten Empfangsstruktur zu beeinflussen. Mindestens eine Übertragungsvorrichtung ist ausgeführt, die Drehbewegung des drehbaren Körpers um die Drehachse mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis koaxial auf zumindest eine erste Koppelvorrichtung der mindestens zwei Koppelvorrichtungen zu übertragen, so dass sich zumindest die erste Koppelvorrichtung mit einer anderen Drehzahl um die Drehachse dreht als der drehbare Körper. Hierbei sind wenigstens zwei der Empfangsstrukturen der mindestens zwei Empfangsstrukturen konzentrisch ohne signifikante Überlappung auf dem Schaltungsträger angeordnet. Mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ist ausgeführt, in den mindestens zwei Empfangsstrukturen induzierte Signale auszuwerten, welche die mindestens zwei Empfangsstrukturen als mindestens zwei verschiedene Messsignale zur Verfügung stellen, welche Informationen über die Drehbewegung des Körpers repräsentieren.
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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 und eine 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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Alternativ können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung mit nur zwei Koppelvorrichtungen und nur zwei Empfangsstrukturen für die Lenkwinkelbestimmung umgesetzt werden, indem eine Koppelvorrichtung mechanisch unter bzw. übersetzt wird. Dabei sind die beiden Empfangsstrukturen konzentrisch ohne signifikante Überlappung angeordnet.
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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 mindestens eine Empfangsspule aufweise, welche 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 induktiven Sensoranordnung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Erregerstruktur und die mindestens zwei Empfangsstrukturen konzentrisch angeordnet sein können. Vorzugsweise können die mindestens eine Erregerstruktur und die mindestens zwei Empfangsstrukturen konzentrisch ohne signifikante Überlappung auf dem Schaltungsträger angeordnet sein. So kann beispielsweise zumindest eine der ersten Koppelvorrichtung zugeordnete erste Empfangsstruktur radial außerhalb der mindestens einen Erregerstruktur und die mindestens eine weitere Empfangsstruktur radial innerhalb der mindestens einen Erregerstruktur auf dem Schaltungsträger angeordnet sein. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung bei einer gleichzeitigen Verbesserung der EMV-Robustheit (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit).
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In vorteilhafter Ausgestaltung der induktive Sensoranordnung kann die mindestens eine Übertragungsvorrichtung als Planetengetriebe ausgeführt sein. 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. Alternativ kann die mindestens eine Übertragungsvorrichtung als Zahnradsystem bzw. Zahnradgetriebe ausgeführt sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktive Sensoranordnung können die mindestens zwei Koppelvorrichtungen jeweils eine Anzahl von elektrisch leitenden Koppelsegmenten aufweisen, welche eine Periodizität der in den mindestens zwei Empfangsstrukturen induzierten Signale definieren.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktive Sensoranordnung kann die erste Koppelvorrichtung als Zahnscheibe ausgeführt und einer ersten Seite des Schaltungsträgers zugewandt sein. Hierbei können die elektrisch leitenden Koppelsegmente als Zähne ausgeführt und durch Aussparungen voneinander getrennt sein. Zudem können die elektrisch leitenden Koppelsegmente der ersten Koppelvorrichtung über einen inneren Kurzschlussring oder über einen äußeren Kurzschlussring miteinander verbunden sein. Hierzu kann die Zahnscheibe beispielsweise durch Ausstanzen aus einem Blech hergestellt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktive Sensoranordnung kann in die elektrisch leitenden Koppelsegmente der ersten Koppelvorrichtung jeweils mindestens ein Radialschlitz eingebracht sein, welcher den inneren Kurzschlussring oder den äußeren Kurzschlussring auftrennt. Da der im Kurzschlussring der ersten Koppelvorrichtung fließende Wirbelstrom nicht zur induzierten Nutzamplitude in der korrespondierenden Empfangsstruktur der induktiven Sensoranordnung beiträgt, und die nutzbare Amplitude verringert, kann der mindestens eine in die elektrisch leitende Koppelsegmente eingebrachte Radialschlitz den Kurzschlussring auftrennten und den fließenden Wirbelstrom umlenken. Dadurch ergibt sich ein winkelabhängiges Wirbelstromfeld, das aktiv zur nutzbaren Amplitude beiträgt. Das bedeutet, dass durch passende Radialschlitze in dem mindestens einen elektrisch leitenden Koppelsegment der induktiven Koppelvorrichtung die Amplitude einer in einer korrespondierenden Empfangsstruktur induzierten Spannung signifikant erhöht werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktive Sensoranordnung können eine zweite Koppelvorrichtung und eine dritte Koppelvorrichtung jeweils als Rotor mit als Flügel ausgebildeten elektrisch leitenden Koppelsegmente ausgeführt sein. Hierbei unterscheidet sich die Anzahl der elektrisch leitenden Koppelelemente der beiden Koppelvorrichtungen. Zudem ist die zweite Koppelvorrichtung einer ersten Seite des Schaltungsträgers und die dritte Koppelvorrichtung einer zweiten Seite des Schaltungsträgers zugewandt. Das bedeutet, dass der Schaltungsträger zwischen der zweiten Koppelvorrichtung und der dritten Koppelvorrichtung angeordnet ist. Daher können die den beiden Koppelvorrichtungen zugeordneten Empfangsstrukturen in mehreren verschiedenen Lagen des Schaltungsträgers angeordnet sein und sich zumindest teilweise überlappen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktive Sensoranordnung können die mindestens zwei Empfangsstrukturen jeweils mindestens eine Empfangsspule mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur aufweisen. Hierbei kann jeweils eine erste Empfangsspule der mindestens zwei Empfangsstrukturen einen Sinuskanal und jeweils eine zweite Empfangsspule der mindestens zwei Empfangsstrukturen einen Cosinuskanal ausbilden. Die mindestens zwei Messsignale umfassen jeweils ein Signal des Sinuskanals und ein Signal des Cosinuskanals, wobei die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt ist, durch eine Arcustangensfunktion eine korrespondierende Informationen der Drehbewegung des Körpers zu bestimmen. Alternativ kann die mindestens zwei Empfangsstrukturen jeweils mindestens drei Empfangsspulen mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur aufweisen, welche ein Mehrphasensystem ausbilden. Hierbei ist die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt, eine geeignete Phasentransformation von Signalen des Mehrphasensystems durchzuführen und mittels einer Arcustangensfunktion das jeweilige Messsignal zu bestimmen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktive Sensoranordnung kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt sein, einen Differenzwinkel zwischen einem ersten Abschnitt des drehbaren Körpers und einem zweiten Abschnitt des drehbaren Körpers und/oder einen absoluten Drehwinkel des drehbaren Körpers aus den mindestens zwei verschiedenen Messsignalen zu ermitteln. Aus dem mindestens einen Differenzwinkel kann dann ein auf den drehbaren Körper wirkendes Drehmoment berechnet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden 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 ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung.
- 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Sensoreinheit aus 1 mit einem transparent dargestellten Schaltungsträger.
- 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit mit einem transparent dargestellten Schaltungsträger.
- 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Auswerte- und Steuereinheit für die erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnungen aus 1 bis 3.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen induktive Sensoranordnung 1, 1A, 1B zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse DA drehbaren Körpers 3 jeweils mindestens zwei um die Drehachse DA drehbare Koppelvorrichtungen 5, 5A1, 5A1, 5B, 5C und mindestens eine Messwerterfassungsvorrichtung 10, welche einen mehrlagigen Schaltungsträger 7 mit mindestens einer Erregerstruktur 12, 12A, 12B und mindestens zwei Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C umfasst, welche jeweils einer der mindestens zwei Koppelvorrichtungen 5, 5A1, 5A1, 5B, 5C zugeordnet sind. Die mindestens eine Erregerstruktur 12, 12A, 12B ist mit mindestens einer Oszillatorschaltung 26 gekoppelt, welche während des Betriebs mindestens ein periodisches Wechselsignal WS1, WS2 in die mindestens eine Erregerstruktur 12, 12A, 12B einkoppelt. Die mindestens zwei Koppelvorrichtungen 5, 5A1, 5A1, 5B, 5C beeinflussen jeweils eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur 12, 12A, 12B und der zugeordneten Empfangsstruktur 14, 14A, 14B, 14C. Mindestens eine Übertragungsvorrichtung 30 überträgt die Drehbewegung des drehbaren Körpers 3 um die Drehachse DA mit einem vorgegebenen Übertragungsverhältnis koaxial auf zumindest eine erste Koppelvorrichtung 5A1, 5A2 der mindestens zwei Koppelvorrichtungen 5, so dass sich zumindest die erste Koppelvorrichtung 5A1, 5A2 mit einer anderen Drehzahl um die Drehachse DA dreht als der drehbare Körper 3. Hierbei sind wenigstens zwei der Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C der mindestens zwei Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C konzentrisch ohne signifikante Überlappung auf dem Schaltungsträger 7 angeordnet. Mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 20 wertet in den mindestens zwei Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C induzierte Signale aus, welche die mindestens zwei Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C als mindestens zwei verschiedene Messsignale MS1, MS2, MS3 zur Verfügung stellen, welche Informationen über die Drehbewegung des Körpers 3 repräsentieren.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße induktive Sensoranordnung 1, 1A, 1B in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils drei Empfangsstrukturen 14A, 14B, 14C und drei Koppelvorrichtungen 5A1, 5A1, 5B, 5C und eine Auswerte- und Steuereinheit 20. Hierbei ist eine erste Empfangsstruktur 14A einer ersten Koppelvorrichtung 5A1, 5A1 zugeordnet und auf einer ersten Seite 7.1, hier der Unterseite des Schaltungsträgers 7 angeordnet. Eine zweite Empfangsstruktur 14B ist einer zweiten Koppelvorrichtung 5B zugeordnet und ebenfalls auf der ersten Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7 angeordnet. Eine dritte Empfangsstruktur 14C ist einer dritten Koppelvorrichtung 5C zugeordnet und auf einer zweiten Seite 7.2 des Schaltungsträgers 7 angeordnet.
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Wie aus 1 bis 3 weiter sichtlich ist, ist eine erste Erregerstruktur 12A auf der ersten Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7 angeordnet und der ersten Koppelvorrichtung 5A1, 5A1 und der zweiten Koppelvorrichtung 5B zugewandt. Eine zweite Erregerstruktur 12B ist auf der zweiten Seite 7.2 des Schaltungsträgers 7 angeordnet und der dritten Koppelvorrichtung 5C zugewandt. Somit ist die erste Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7 der ersten Koppelvorrichtung 5A1, 5A1 und der zweiten Koppelvorrichtung 5B zugewandt, während die zweite Seite 7.2 des Schaltungsträgers 7 der dritten Koppelvorrichtung 5C zugewandt ist. Zudem sind die zweite Koppelvorrichtung 5B und die dritte Koppelvorrichtung 5C direkt mit dem als Torsionsstange 3A ausgeführten drehbaren Körper 3 verbunden. Das bedeutet, dass die Drehbewegung der Torsionsstange 3A den Drehbewegungen der zweiten Koppelvorrichtung 5B und der dritten Koppelvorrichtung 5C entsprechen. Die erste Koppelvorrichtung 5A1, 5A1 ist über die Übertragungsvorrichtung 30 mit der Torsionsstange 3A verbunden. Daher ist die Drehbewegung der ersten Koppelvorrichtung 5A1, 5A2 in Abhängigkeit von dem Übertragungsverhältnis der Übertragungsvorrichtung 30 zu der Drehbewegung des als Torsionsstange 3A ausgeführten drehbaren Körpers 3 übersetzt oder untersetzt.
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Wie Aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, weisen die Erregerstrukturen 12 jeweils mindestens eine Erregerspule auf. Die Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C weisen in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils zwei Empfangsspulen mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstrukturen auf. Hierbei bildet jeweils eine erste Empfangsspule der Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C einen Sinuskanal aus, und jeweils eine zweite Empfangsspule der Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C bildet einen Cosinuskanal aus. Somit umfassen die korrespondierenden Messsignale MS1, MS2, MS3 jeweils ein Signal des Sinuskanals und ein Signal des Cosinuskanals. Die Auswerte- und Steuereinheit bestimmt durch eine Arcustangensfunktion eine korrespondierende Informationen der Drehbewegung des Körpers 3. Um Überkreuzungen der Schleifenstrukturen der einzelnen Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C zu vermeiden, sind Abschnitte der Schleifenstrukturen in mehreren verschiedenen Lagen des Schaltungsträgers 7 angeordnet. Die einzelnen Abschnitte der jeweiligen Schleifenstruktur sind über nicht näher dargestellte Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 weisen die Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C jeweils drei Empfangsspulen mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur auf, welche ein Mehrphasensystem ausbilden. Hierbei führt die Auswerte- und Steuereinheit 20 eine geeignete Phasentransformation von Signalen des Mehrphasensystems durch und bestimmen mittels einer Arcustangensfunktion das jeweilige Messsignal MS1, MS2, MS3.
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Wie aus 2 und 3 weiter ersichtlich ist, sind die erste Erregerstruktur 12A und die erste Empfangsstruktur 14A und die zweite Empfangsstruktur 14B konzentrisch ohne signifikante Überlappung an der ersten Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7 angeordnet. Hierbei ist die der ersten Koppelvorrichtung 5A1, 5A2 zugeordnete erste Empfangsstruktur 14A radial außerhalb der ersten Erregerstruktur 12A angeordnet. Die der zweiten Koppelvorrichtung 5B zugeordnete zweite Empfangsstruktur 14B ist radial innerhalb der ersten Erregerstruktur 12A. Zudem ist die zweite Erregerstruktur 12B und die dritte Empfangsstruktur 14C konzentrisch ohne signifikante Überlappung an der zweiten Seite 7.2 des Schaltungsträgers 7 angeordnet. Hierbei ist die der dritten Koppelvorrichtung 5C zugeordnete dritte Empfangsstruktur 14C radial innerhalb der zweiten Erregerstruktur 12B angeordnet.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, sind die der zweiten Koppelvorrichtung 5B zugeordnete zweite Empfangsstruktur 14B und die der dritten Koppelvorrichtung 5C zugeordnete dritte Empfangsstrukturen 14C in mehreren verschiedenen Lagen des Schaltungsträgers 7 angeordnet und überlappen sich zumindest teilweise.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, weisen die Koppelvorrichtungen 5, 5A1, 5A2, 5B, 5C jeweils eine vorgegebene Anzahl von elektrisch leitenden Koppelsegmenten 5.1, 5.1A, 5.1B, 5.1C auf, welche eine Periodizität der in den Empfangsstrukturen 14, 14A, 14B, 14C induzierten Signale definieren. In den dargestellten Ausführungsbeispielen weist die erste Koppelvorrichtung 5A1, 5A1 beispielhaft fünfzehn elektrisch leitende Koppelsegmente 5.1A auf. Die zweite Koppelvorrichtung 5B weist vier elektrisch leitende Koppelsegmente 5.1B und die dritte Koppelvorrichtung 5C weist sieben elektrisch leitende Koppelsegmente 5.1C auf.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die erste Koppelvorrichtung 5A1 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1A als Zahnscheibe ausgeführt und der ersten Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7 zugewandt. Die elektrisch leitenden Koppelsegmente 5.1A sind als Zähne ausgeführt und durch Aussparungen voneinander getrennt. Hierbei sind die elektrisch leitenden Koppelsegmente 5.1A der ersten Koppelvorrichtung 5A1 über einen äußeren Kurzschlussring 5.2B miteinander verbunden. In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 ist in die elektrisch leitenden Koppelsegmente 5.1A der ersten Koppelvorrichtung 5A1 jeweils mindestens ein Radialschlitz eingebracht, welcher den äußeren Kurzschlussring 5.2B auftrennt.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist die erste Koppelvorrichtung 5A2 im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1B ebenfalls als Zahnscheibe ausgeführt und der ersten Seite 7.1 des Schaltungsträgers 7 zugewandt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind die als Zähne ausgeführten elektrisch leitenden Koppelsegmente 5.1A im zweiten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1B über einen inneren Kurzschlussring 5.2A miteinander verbunden. In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 ist in die elektrisch leitenden Koppelsegmente 5.1A der ersten Koppelvorrichtung 5A2 jeweils mindestens ein Radialschlitz eingebracht, welcher den inneren Kurzschlussring 5.2A auftrennt.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, sind die zweite Koppelvorrichtung 5B und die dritte Koppelvorrichtung 5C jeweils als Rotor mit als Flügel ausgebildeten elektrisch leitenden Koppelsegmenten 5.1B, 5.1C ausgeführt, wobei sich die Anzahl der elektrisch leitenden Koppelelemente 5.1B, 5.1C der beiden Koppelvorrichtungen 5B, 5C unterscheidet.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen der induktive Sensoranordnung 1, 1A, 1B ist die Übertragungsvorrichtung 30 als Planetengetriebe 30A ausgeführt.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Übertragungsvorrichtung als Zahnradsystem bzw. Zahnradgetriebe ausgeführt.
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Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, erzeugt eine in der Auswerte- und Steuereinheit 20 angeordnete Oszillatorschaltung 28 zwei periodische Wechselsignale WS1, WS2. Hierbei wird im dargestellten Ausführungsbeispiel ein erstes Wechselsignal WS1 in die erste Erregerstruktur 12A eingekoppelt, und ein zweites Wechselsignal WS2 wird in die zweite Erregerstruktur 12B eingekoppelt. Zudem empfängt die Auswerte- und Steuereinheit 20 von der ersten Empfangsstruktur 14A ein erstes Messsignal, von der zweiten Empfangsstruktur 14B ein zweites Messsignal MS2 und von der dritten Empfangsstrukturen 14C ein drittes Messsignal MS3. Ein Signalaufbereitungsblock 22 multiplext und demoduliert die Messsignale MS1, MS2, MS3 und erzeugt korrespondierende analoge Drehwinkelsignale DW1, DW2, DW3, welche nacheinander von einem Analog-DigitalWandler 24 digitalisiert und an einen Logikblock 26 weitergeleitet werden. Hierbei repräsentiert ein erstes Drehwinkelsignal DW1 das erste Messsignal MS1, ein zweites Drehwinkelsignal DW2 repräsentiert ein zweites Messsignal MS2 und einer dritte Drehwinkelsignal DW3 repräsentiert ein drittes Messsignal MS3. Der Logikblock 26 der Auswerte- und Steuereinheit 20 ermittelt aus dem ersten Drehwinkelsignal DW1 und dem zweiten Drehwinkelsignal DW2 einen absoluten Drehwinkel des drehbaren Körpers 3 in einem Eindeutigkeitsbereich, welcher größer als 360 Grad bzw. eine Umdrehung des drehbaren Körpers 3 ist. Aus dem zweiten Drehwinkelsignal DW2 und dem dritten Drehwinkelsignal DW3 ermittelt der Logikblock 26 der Auswerte- und Steuereinheit 20 einen Differenzwinkel zwischen einem ersten Abschnitt des drehbaren Körpers 3 und einem zweiten Abschnitt des drehbaren Körpers 3. Aus diesem Differenzwinkel kann ein Drehmoment bestimmt werden, welcher auf den als Torsionsstange 3A ausgeführten drehbaren Körper 3 wirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063845 A1 [0002]
- DE 102020205202 A1 [0003]
