WO2020030322A1 - Sensorsystem zur bestimmung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements - Google Patents

Sensorsystem zur bestimmung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements Download PDF

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WO2020030322A1
WO2020030322A1 PCT/EP2019/064353 EP2019064353W WO2020030322A1 WO 2020030322 A1 WO2020030322 A1 WO 2020030322A1 EP 2019064353 W EP2019064353 W EP 2019064353W WO 2020030322 A1 WO2020030322 A1 WO 2020030322A1
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WO
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sensor system
rotation
receiving coils
partial
receiving
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/064353
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Utermoehlen
Christian Karcher
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2053—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/77—Specific profiles

Definitions

  • a magnet is usually rotated via a magnetic field sensor and the angle of rotation is determined by measuring the magnetic field vector.
  • sensors of this type also react to external magnetic fields which, for example, result from a current flow from adjacent power cables and are therefore usually very sensitive to interference.
  • Another sensor principle is based in particular on the eddy current effect.
  • a metallic target is usually moved over sensor coils, which are supplied with alternating voltage and induce an eddy current in this target. This usually leads to a reduction in the coil inductances and allows an interconnection in a resonant circuit via a
  • a disadvantage here can be, in particular, a high cross-sensitivity to installation tolerances, in particular the tilting of the target, and a possible locking of the frequencies to interference from outside, in particular also referred to as “injection locking”, since frequencies in the range of a few tens of MHz are usually used.
  • angle of rotation sensors based on coupled coils are known, for example in particular from EP 0 909 955 B1.
  • An excitation coil on a sensor printed circuit board is generally acted upon by an AC voltage which has a frequency in the range of a few MHz, for example 3.5 MHz. This creates an alternating electromagnetic field, which usually couples in receiving coils on the sensor circuit board and induces corresponding alternating voltages there.
  • the coupling between the transmitting coil and the receiving coils is influenced, for example, as a function of the angle of rotation by appropriately shaping a target.
  • Demodulation of the signal induced in the receiving coils with the carrier signal, in particular the signal of the transmitting coil, can usually be used to infer the amount and phase of the coupling.
  • the amount usually varies continuously with the angle of rotation.
  • the phase position can in particular be 0 ° or 180 °. Multiplying the amount by the cosine of the phase creates a sine / cosine system, especially when using two receiver coils with a 90 ° phase offset in relation to the measuring range, from which the angle can be determined using an ArcTan calculation.
  • the receiving coils have essentially sinusoidal outer contours and are arranged on a circular ring segment.
  • the excitation coil has essentially spiral-shaped windings.
  • a similar arrangement is also disclosed for example in FR2964735A1.
  • Excitation coil in particular the radial conductor tracks for inhomogeneities and / or increases in the excitation magnetic field, which as a rule lead to offsets in the reception coil signals. For example, even then
  • the object of the invention is to provide a sensor for determining at least one rotational property of a rotating element with an improved design of the excitation and / or receiving coils for at least partial compensation of signal offsets.
  • a sensor system for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one rotational axis is proposed.
  • a “sensor system for determining at least one rotational property of a rotating element” can basically be understood to mean any device which is suitable for detecting the at least one rotational property and which, for example, can generate at least one electrical measurement signal corresponding to the acquired property, such as a voltage or a current. Combinations of properties can also be recorded.
  • a “rotation property” can in principle be understood as a property that at least partially describes the rotation of the rotating element.
  • This can be, for example, an angular velocity, a speed, an angular acceleration, an angle of rotation or another Act property that can at least partially characterize a continuous or discontinuous, uniform or non-uniform rotation or rotation of the rotating element.
  • the rotational property can be a position, in particular an angle of rotation, or a speed or a combination of both quantities.
  • Other properties and / or other combinations of properties can also be ascertainable.
  • a “rotation angle” can in principle be understood to mean an angular position of a device capable of rotation, for example the rotating element or the sensor wheel, with respect to an axis perpendicular to the axis of rotation.
  • the angular position can be specified as the angle which the rotatable device includes with the axis perpendicular to the axis of rotation with respect to the axis of rotation.
  • the sensor system can in particular be set up for use in a motor vehicle, in particular in an internal combustion engine or an electric motor.
  • a “rotating element” can in principle be understood to mean any element which has an axis of rotation and rotates about it.
  • the rotating element can be a shaft in a drive machine, for example a camshaft.
  • an angle of rotation of a camshaft or a rotational speed of a camshaft or a combination of both quantities can be determined.
  • the rotating element can also be a rotating element of an electric motor, for example a rotor.
  • the sensor system for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one axis of rotation comprises at least one sensor wheel that can be connected to the rotating element, the sensor wheel having a sensor wheel profile.
  • the sensor system further comprises at least one circuit carrier, the circuit carrier carrying at least one excitation coil and at least two receiving coils.
  • the excitation coil delimits at least one excitation area, the two receiving coils being arranged in the excitation area.
  • the receiving coils are arranged rotated relative to one another about the axis of rotation and each enclose the axis of rotation.
  • the receiving coils each have the same number n of at least two first partial turns and at least two second partial turns, the first partial turns and the second
  • each of the receiving coils comprises n first partial windings and n second partial windings, where n is a natural number and has a value of 2 or greater than 2.
  • a “donor wheel” can be used
  • Component can be understood, which is set up to cause at least one measurable signal, for example a magnetic field change, when connected to the rotating element per revolution of the rotating element.
  • a “donor wheel profile” can be used
  • any element can be understood according to the invention, which, as a component of the sensor wheel, contributes to the at least one measurable signal per revolution of the rotating element when the sensor wheel is connected to the rotating element.
  • it can be understood according to the invention, which, as a component of the sensor wheel, contributes to the at least one measurable signal per revolution of the rotating element when the sensor wheel is connected to the rotating element.
  • it can be understood according to the invention, which, as a component of the sensor wheel, contributes to the at least one measurable signal per revolution of the rotating element when the sensor wheel is connected to the rotating element.
  • it can be understood according to the invention, which, as a component of the sensor wheel, contributes to the at least one measurable signal per revolution of the rotating element when the sensor wheel is connected to the rotating element.
  • it can be understood according to the invention, which, as a component of the sensor wheel, contributes to the at least one measurable signal per revolution of the rotating element when the sensor wheel is connected to the rotating element.
  • it can be understood according to the invention
  • Profile element act any shape of the contour of the encoder wheel, in particular a bulge, for example a pin-shaped, a tooth-shaped or a serrated bulge, or a notch or a recess, for example a hole.
  • the profile element can also leave an, for example, circular contour of the sensor wheel unchanged.
  • the profile element can contribute to the generation of the measurable signal by means of electrical, magnetic or optical properties.
  • a sensor wheel in particular a sensor wheel with a circular contour, can have a plurality of profile elements, which can be arranged such that at least one electrically conductive profile element is followed by at least one electrically non-conductive profile element.
  • the at least one profile element can have at least one material selected from the group consisting of: an electrically conductive material; a ferromagnetic material; a metal.
  • the sensor wheel can have a material selected from the group consisting of: an electrically conductive material; a ferromagnetic material; a metal.
  • a “circuit carrier” can in principle be understood to mean any substrate which is set up, at least one circuit in whole or in part, for example in the form of one or more coils, resistors, capacitors, conductor tracks or other possible components of the circuit , to wear.
  • the circuit and / or the components of the circuit can in particular on one
  • the circuit carrier can also have a layer structure, in particular a layer structure comprising two or more levels, so that, for example, different circuits and / or different components of the same circuit, in particular different sections of a conductor track, can run in the different levels of the circuit carrier.
  • an “excitation coil” can in principle be understood as a coil that generates a magnetic flux when an electrical voltage and / or an electrical current is applied.
  • the excitation coil can comprise at least one excitation turn.
  • the field winding can in particular be essentially circular.
  • the excitation coil can have at least two,
  • the field windings can also be arranged essentially concentrically to the axis of rotation, the field turns being connected to at least one neighboring field turn by means of at least one connecting conductor piece. In particular, it can
  • Connection conductor piece transverse to a tangent to the circular
  • the excitation coil can comprise at least one conductor track.
  • the field winding can be formed by the conductor track.
  • the excitation coil with an alternating voltage of 1 MHz to 10 MHz, preferably from 2 to 5 MHz, particularly preferably from 3.5 MHz, can be acted upon or acted upon.
  • a “receiving coil” can in principle be understood as a coil which is set up to generate a signal based on an inductive coupling between the excitation coil and the receiving coil, which signal is dependent on the inductive coupling.
  • the receiving coil can comprise at least one conductor track.
  • an “excitation area” can basically be understood to mean any area, for example a two-dimensional surface or a three-dimensional space, which is defined by the excitation coil, in particular by a shape or a geometry of the excitation coil
  • Excitation coil highlighted, defined or definable.
  • the excitation coil in particular the conductor track of the excitation coil, the
  • the conductor track of the excitation coil can be circular, at least in sections, and its shape can define a circular and / or cylindrical excitation area.
  • the excitation area can be a circular cutout of the circuit carrier, the circular cutout being able to be delimited by the outer one of the circular excitation turns arranged concentrically around the axis of rotation.
  • the excitation area can be distinguished by the fact that when an electrical voltage or an electric current is applied to the excitation coil, it is penetrated by a magnetic flux such that a signal is induced in a reception coil arranged in the excitation area due to inductive coupling.
  • the receiving coils each enclose the axis of rotation. In particular, this can contribute to avoiding or reducing an offset signal in the receiving coils.
  • the term “enclose” can basically be understood to mean that each of the receiving coils essentially completely surrounds the axis of rotation.
  • Receiving coil be arranged around the axis of rotation such that the receiving coil, in particular the partial turns of the receiving coil, in at least one plane perpendicular to the axis of rotation the full
  • the receiving coil can also have a negligibly small section g of a circumference around the
  • Leave the axis of rotation in particular a section g, from 100 pm to 800 pm, preferably from 200 pm to 400 pm.
  • the section g can be together with a radial distance of the section g from the axis of rotation
  • an “offset signal” can in principle be any signal with an offset.
  • an “offset” can in principle be understood to mean in particular any amount by which a signal, a state variable or a measured value is changed, in particular reduced, enlarged, shifted or offset, for example with respect to a reference point, for example zero.
  • the offset can be a constant, additive or subtractive amount, which is based on a systematic error, for example a systematic error of a measuring device.
  • a correction of the signal, the state variable or the measured value can contribute to an improved, in particular more precise, determination of a desired variable with its correct value.
  • a “partial turn” of a coil can in principle be any periodically repeating one
  • Partial structure in particular a section, of the coil can be understood, the partial structure comprising at least one bend, turn, loop or a meander.
  • the first partial windings and / or the second partial windings can be repeated, shifted and / or lined up in a suitable manner, for example by means of suitable twisting
  • Partial turns of the receiving coil or a form of the receiving coil can be essentially generated.
  • the reception coil or the shape of the Reception coil apart from possibly existing connection conductor tracks described in more detail below and / or compensation structures and / or other elements not mentioned here, which are also described in more detail below, can be generated.
  • oppositely oriented can in principle be understood to mean that two oppositely oriented partial windings of the same receiving coil, for example when a voltage or a current is applied to the coil or when a voltage or a current is induced in the coil in different directions, in particular in directions opposite to the rotational axis, through which current flows.
  • the axis of rotation of the current flowing through the first partial windings of the receiving coil can be
  • Partial turns can be designed or vice versa.
  • the receiving coils can each have at least two
  • the receiving coil can have a kink in the reversal point.
  • each reversal point can be part of exactly one receiving coil. Accordingly, there may be no common reversal points that are part of more than one receiving coil or that can be assigned to more than one receiving coil.
  • the first partial turn meeting the second partial turn in the reversal point can be connected to the second partial turn in the reversal point by means of at least one vias.
  • via as a common one Acronym of the English expression "vertical interconnect access" is used in the context of the present invention as a designation for an electrical through-plating between the levels of the layer structure of the
  • the two reversal points of the receiving coil can be spaced g from 100 pm to 800 pm, preferably from 200 pm to 400 pm.
  • the distance g can in particular be the sum of a distance A between the first and second partial windings meeting at the reversal points and a diameter D of the via.
  • each of the first partial turns can each have at least one of the second partial turns
  • each of the receiving coils can have at least 2n-1 crossing points, in each of which a first and a second partial turn intersect, the first and the second partial turn being part of the same
  • each of the receiving coils can have exactly 2n-1 crossing points, in each of which a first and a second partial turn intersect, the first and the second partial turn being part of the same receiving coil.
  • n corresponds to the number of the first partial turns of the receiving coil.
  • the crossing points of the at least two receiving coils can in particular be arranged on a common circular path with a radius r m around the axis of rotation.
  • the reversal points can also be arranged on the circular path with the radius r m around the axis of rotation.
  • the reception coils can each limit at least one reception area.
  • the reception areas of the reception coils be congruent.
  • a “reception area” of the reception coil can basically be understood to mean any area, for example a two-dimensional surface or a three-dimensional space, which is defined by the reception coil, in particular by a shape or a geometry of the reception coil, in particular the first partial turns and / or second partial turns, highlighted, defined or definable.
  • the receiving coil, in particular the conductor track of the receiving coil can at least partially delimit, delimit or stake out the receiving area.
  • Receiving coils can each be configured in a ring, in particular as a ring-shaped section of the circuit carrier.
  • the reception areas can in particular be arranged concentrically around the axis of rotation.
  • the reception areas of the reception coils can each be delimited by an outer circular path with an outer radius r a and an inner circular path with an inner radius n.
  • it may be possible to describe a relationship between the radii n, r a and r m as follows: r m (n + r a ) / 2 (2)
  • a measuring range of the sensor system can in particular be measured using a
  • Opening angle a of the measuring range must be described.
  • Measuring range of the sensor system can basically be understood in the context of the present invention, any range in which the
  • the rotational property can be the angle of rotation.
  • the measuring range can therefore be, in particular, an angular range in which the rotating element by means of the
  • the opening angle ⁇ of the measuring range of the sensor system can result from the number n of first partial turns or of second partial turns as 360%.
  • the receiving coils each enclose the axis of rotation and are arranged rotated relative to one another about the axis of rotation.
  • the receiving coils can be offset by an angle F relative to one another
  • the receiving coils can also have an essentially identical shape.
  • Receiving coils each have an equal number n of at least two first partial turns and at least two second partial turns.
  • the circuit carrier carries the receiving coils.
  • the circuit carrier can in particular comprise a layer structure with several levels.
  • the first and second partial windings of the receiving coils can in particular each have at least one first section and at least one second section, the first section being able to run in a first plane of the circuit carrier, the second section being able to run in a second plane of the circuit carrier.
  • the first sections of the first partial turns can be connected to the subsequent second sections of the first partial turn by means of vias.
  • the first sections of the second partial turns can be connected to the subsequent second sections of the second partial turn by means of vias.
  • each of the vias connecting the first sections with the second sections can be arranged either on the outer circular path with the radius r a or on the inner circular path with the radius n.
  • the receiving coils can be designed in particular as planar coils.
  • the receiving coils can in particular be rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation.
  • the receiving coils can be sinusoidal in shape at least in sections.
  • the shape of the receiving coil, in particular the first and second partial windings can result from a transformation of two mirror-symmetrical ones
  • Functions on a circular path around the axis of rotation result as the center, wherein during the transformation the mirror axis can in particular be transformed into a circular path around the axis of rotation with radius r m .
  • the two functions that are mirror-symmetrical to one another can be, for example, two sinusoidal functions that are shifted against one another, in particular shifted against one another.
  • other functions are also possible.
  • the functions transformed to the circular path can be continuous and differentiable at intersections with the circular path with radius r m .
  • a center of the excitation area for example a
  • Excitation area can in particular be circular. Furthermore, the excitation area can be arranged concentrically around the axis of rotation.
  • the receiving coils can in particular each have at least one, preferably two, connecting conductor tracks.
  • the connecting conductor tracks can each be electrically connected in particular to one of the first partial windings or to one of the second partial windings of the receiving coil.
  • the connecting conductor tracks can in particular be led out of the reception area and the excitation area, in particular parallel to one another, and thereby generate an offset area which can contribute to voltage induction and thus in particular to an offset signal of the reception coils.
  • At least one of the at least two receiving coils can have at least one compensation structure, the compensation structure being set up to include at least one of the receiving coil, in particular of the
  • Connection conductor tracks of the receiving coil to at least partially compensate for the generated offset signal.
  • any device can be understood, which is set up to at least partially compensate, cancel or weaken an offset signal, for example by at least partially canceling or weakening the offset signal by a counteraction.
  • the compensation structure can be at least two
  • Compensating conductor tracks jointly span an essentially rectangular compensation area.
  • a length l CO mp of the rectangular compensation area which can run essentially perpendicular to a tangent to the excitation winding, can be 10 pm to 800 pm, preferably 50 pm to 500 pm.
  • a width w CO mp of the rectangular compensation area which can run essentially parallel to the tangent to the excitation winding, can be 100 pm to 8 mm, preferably 300 pm to 5 mm.
  • a size of the compensation area can essentially be a size of the offset area spanned by the connecting conductor tracks correspond.
  • the compensation conductor tracks can run at least in sections perpendicular to the connection conductor tracks.
  • the sensor system also has a sensor wheel.
  • the encoder wheel can comprise a large number of profile elements.
  • the transmitter wheel can have at least, in particular exactly, 2n profile elements, so that the number of profile elements corresponds at least, in particular exactly, to the sum of the number of the n first partial turns and the n second partial turns of one of the at least two receiving coils.
  • the adjacent profile elements can differ in their electrical conductivity.
  • electrically conductive profile elements can alternate with recesses or with electrically non or less conductive profile elements.
  • a sum of opening angles of two adjacent profile elements can result in 360% and thus be equal to the opening angle of the measuring range of the sensor system.
  • adjacent profile elements can have the same opening angle y, where y can be equal to half the opening angle of the measuring range of the sensor system.
  • the opening angles of two, in particular two, adjacent profile elements can be of the same size. In particular, it can
  • Encoder wheel 2n have profile elements and the opening angle y of the 2n
  • Profile elements can all be the same size and be 360 / (2n).
  • the encoder wheel can be rotationally symmetrical.
  • a distance of the sensor wheel from the receiving coils and the excitation coil can be 1 mm to 30 mm, preferably 2 mm to 10 mm, when the sensor wheel is connected to the rotating element.
  • the encoder wheel can be connected to the rotating element.
  • the Gerber wheel can be connectable to the rotating element by means of a screw connection and / or an adhesive connection.
  • the encoder wheel can be manufactured using a longitudinal pressing process.
  • a method for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one axis of rotation comprising the use of at least one sensor system as described above or described in more detail below.
  • the method comprises the following steps, preferably in the order given. A different order is also possible in principle. Furthermore, one or several or all of the process steps can also be carried out repeatedly. Furthermore, two or more of the method steps can also be carried out entirely or partially overlapping in time or simultaneously. In addition to the method steps mentioned, the method can also comprise further method steps.
  • the procedural steps are: a) applying a voltage, in particular an AC voltage, to the excitation coil;
  • the evaluation of the signals in step c) can in particular comprise demodulating the induced, recorded signals of the receiving coils with a signal of the excitation coil. Furthermore, the evaluation can determine the amount and phase of a coupling between the excitation coil and the
  • the amount can vary continuously with the angle of rotation.
  • Step c) may further comprise multiplying the amount by the cosine of the phase.
  • Step c) can further comprise determining the angle of rotation, in particular with the aid of the use of the arctangent function.
  • the proposed device and the proposed method have numerous advantages over devices and methods of the prior art. In particular, it may be possible that the proposed device and the proposed method are inexpensive,
  • the proposed device and the proposed method can be based on a simple measuring principle. It can also be advantageous that a simple inverse transformation with sine and
  • Cosine signals can be possible, in particular with the aid of arc tangent in a sensor system with two receiving coils, in particular one
  • a sensor board may comprise two independent, in particular completely separate, sensor systems as redundant systems, in particular to increase the
  • the proposed device and the proposed method can be tolerance-tolerant, so that greater mechanical tolerances can be permitted in particular during installation than in comparable devices of the prior art. In particular, this can contribute to a lower price of the sensor system compared to the prior art.
  • devices and methods for compensating the offset signal proposed in the context of the present invention are not associated with higher costs in comparison with the prior art, in particular since it is possible that only one
  • Figures 1A and 1B two mirror symmetrical to each other
  • FIG. 2 shows a further overview view of the receiving coil with vias
  • Figures 3A and 3B two reversal points of the receiving coil in one
  • FIG. 6 shows a compensation structure of the receiving coil
  • FIG. 7 a sensor wheel
  • Figure 8 shows a method for determining at least one
  • the sensor system 110 for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one axis of rotation 112 comprises at least one sensor wheel 114 which can be connected to the rotating element, the sensor wheel 114 having a sensor wheel profile 116.
  • the sensor system 110 further comprises at least one circuit carrier 118, the
  • Circuit carrier 118 carries at least one excitation coil 120 and at least two receiving coils 122.
  • the excitation coil 120 delimits at least one excitation area 124, the two receiving coils 122 being arranged in the excitation area 124.
  • the receiving coils are arranged rotated relative to one another about the axis of rotation 112 and in each case enclose them
  • the receiving coils 122 each have an equal number n of at least two first partial turns 126 and at least two second partial turns 128, the first partial turns 126 and the second partial turns 128 being oriented in opposite directions.
  • FIGS. 1B and 2 each show an overview view of one of the at least two receiving coils 122 of the sensor system 110.
  • Each of the receiving coils 122 comprises, for example, n first partial windings 126 and n second partial windings 128, n being a natural number and a value of 2 or greater than 2 has.
  • the receiving coil 122 can in particular comprise 4 first partial windings and 4 second partial windings.
  • the receiving coil 122 can have at least one
  • each receiving coil 122 each enclose the axis of rotation 112. This can in particular to avoid or reduce an offset Contribute signal in the receiving coils 122.
  • each receiving coil 122 in particular the first partial turns 126 and the second partial turns 128 of the receiving coil 122, can be arranged around the axis of rotation 112 such that the receiving coil 122, in particular the partial turns 126, 128 of the receiving coil 122, are perpendicular to at least one plane the rotation axis 112 completely or almost completely covers an angular range of 360 ° around the rotation axis 112, as can be seen in the detailed views in FIGS. 3A and 3B, for example in the form of meandering loops.
  • the receiving coil 122 can leave a section g of a circumference around the axis of rotation 112, in particular a section g, from 100 pm to 800 pm, preferably from 200 pm to 400 pm.
  • the section g can be together with a radial distance of the section g from the
  • Axis of rotation 122 in particular determine an opening angle d of a segment of a circle which is not covered by the receiving coil 122, in particular no element, in particular none of the first partial turns and none of the second partial turns, which the receiving coil bears, as shown in FIG. 3A.
  • the receiving coils 122 shown in FIGS. 1B, 2 and 4 each have 4 first partial turns 126 and 4 second partial turns 128.
  • the receiving coil 122 or the shape of the receiving coil can be set apart from any connecting conductor tracks 132 and / or described further below. or compensation structures 134 and / or other elements not mentioned here, which are also described in more detail below, such as in particular from FIGS.
  • FIG. 1B furthermore illustrates a measuring range 135 of the
  • a measuring range of the sensor system can be described in particular with the aid of an opening angle ⁇ of the measuring range.
  • the opening angle ⁇ of the measuring range of the sensor system can result from the number n of first partial windings or of second partial windings as 360%, as can be seen in FIG. 1B.
  • first partial turns 126 and the n second partial turns 128 of one of the at least two excitation coils 122 are oriented in opposite directions.
  • the n first partial windings 126 and the n second partial windings 128 of the further of the at least two excitation coils 122 are also oriented in opposite directions.
  • the rotation axis 112 for example when the current or the voltage is applied to the receiving coil 122 or when the current or the voltage is induced in the receiving coil 122, can be flowed around by the current flowing through the first partial turns 126 of the receiving coil 122 in a clockwise direction and by the current flowing through the second partial windings 128 of the same receiving coil 122 flows counterclockwise.
  • first partial windings 126 can be configured as partial windings rotating to the left with respect to the axis of rotation 112 and the second partial windings 128 can be configured as partial windings rotating to the right with respect to the axis of rotation 112 or vice versa.
  • the receiving coils 122 can each have at least two reversal points 136, in particular exactly two reversal points 136, wherein at the reversal points 136 one of the first partial turns 126 meets one of the second partial turns 128, in particular one of the first partial turns 126 in each case merges into one of the second partial turns 128.
  • the direction of the current in particular the direction of rotation of the current with respect to the axis of rotation 112, can change abruptly at the reversal point 136.
  • everyone can change abruptly at the reversal point 136.
  • the reversal point 136 can be part of exactly one receiving coil 122, as can be seen for example in FIG. Accordingly, there may be no common reversal points 136 which are part of more than one receiving coil 122 or can be assigned to more than one receiving coil 122.
  • the first partial winding 126 which meets the second partial winding 128 in the reversal point 136 can in the reversal point 136 by means of at least one vias 138 may be connected to the second partial turn 128, as shown in FIGS. 3A, 3B and 4.
  • the distance g can in particular be the sum of a distance A between those in the reversal points 136
  • FIG. 3B shows a detailed view of the two reversal points 136 of FIG
  • Receiving coil 122 is point symmetrical to a point P, as can be seen in FIG. 3B.
  • the point P can result as an intersection from a straight line 172 which intersects the axis of rotation 112 and is each at identical distances from the vias 138 of the reversal points 136, and an imaginary connecting line 174 which connects the two vias 138.
  • each of the first coils can be different for each of the receiving coils 122
  • Cross windings 126 each with at least one of the second windings 128 at least once in at least one crossing point 140, the intersecting first 126 and second windings 128 running at the crossing point 140 in different planes of the circuit board 118.
  • each of the receiving coils 122 can be at least 2n-1
  • each of the receiving coils 122 can have exactly 2n-1 crossing points 140, in each of which a first 126 and a second partial winding 128 intersect, the first 126 and the second partial winding 128 being part of the same receiving coil 122.
  • n corresponds to the number of the first partial turns 126 of the receiving coil 122.
  • the crossing points 140 of the at least two receiving coils 122 can in particular be arranged on a common circular path with radius r m around the axis of rotation 112, as for example in FIG. 3A illustrated.
  • the reversal points 136 can also be arranged on the circular path with the radius r m around the axis of rotation 112, as can also be seen, for example, in FIG. 3A.
  • the reception coils 122 can each delimit at least one reception area 142.
  • Receiving coils 122 are congruent. For example, the
  • Receiving coil 122 in particular the conductor path 130 of the receiving coil 122, at least partially delimit, delimit or pin out the receiving area 142.
  • the receiving areas 142 of the receiving coils 122 can each be configured in a ring-shaped manner, in particular as a ring-shaped section of the circuit carrier.
  • the reception areas 142 can in particular be arranged concentrically around the axis of rotation 112. In particular, the
  • Receiving areas 142 of the receiving coils 122 can each be delimited by an outer circular path with an outer radius r a and an inner circular path with an inner radius n, as shown in FIGS. 1B and 2.
  • the receiving coils 122 each enclose the axis of rotation 112 and are arranged rotated relative to one another about the axis of rotation 122.
  • Figure 4 shows two twisted by the angle F against each other
  • the receiving coils 122 can also have a substantially identical shape.
  • the receiving coils 122 each have an equal number n of at least two first partial turns 126 and at least two second partial turns 128.
  • Figure 4 shows two twisted against each other
  • the circuit carrier 118 carries the receiving coils 122, as can be seen in FIG. 4.
  • the circuit carrier 118 can in particular comprise a layer structure with several levels.
  • the first 126 and second partial windings 128 of the reception coils 122 can in particular each have at least one first section 144 and at least one second section 146, the first section 144 being able to run in a first plane of the circuit carrier 118, the second section 146 being in a second Level of the circuit carrier 118 can run.
  • Partial turns 126 can be connected to the adjoining second sections 146 of the first partial turn 126 by means of vias 138. Likewise, the first sections 144 of the second partial windings 128 can coincide with one another
  • each of the vias 138 connecting the first sections 144 to the second sections 146 can either be arranged on the outer circular path with the radius r a or on the inner circular path with the radius n, as can be seen for example in FIGS. 2 and 4.
  • the receiving coils 122 can be designed in particular as planar coils. The receiving coils 122 can in particular
  • the receiving coils 122 can be sinusoidal in shape at least in sections.
  • the shape of the receiving coil 122, in particular the first 126 and second partial windings 128, can result from a transformation of two mirror-symmetrical ones
  • FIGS. 1A and 1B illustrate an example of such an overview
  • the two functions 148 that run mirror-symmetrically to one another can be, for example, two sinusoidal functions 148 that are shifted against one another, in particular shifted against one another.
  • other functions 148 are also possible.
  • the functions 148 transformed to the circular path can be continuous and differentiable at points of intersection with the circular path with radius r m .
  • the receiving coils 122 can in particular each have at least one, preferably two, connecting conductor tracks 132, as shown in FIG. 6.
  • the connecting conductor tracks 132 can each be electrically connected in particular to one of the first partial turns 126 and / or to one of the second partial turns 128 of the receiving coil 122.
  • the connecting conductor tracks 132 can in particular be led out of the reception area 142 and the excitation area 124, in particular parallel to one another, and thereby generate an offset area 152 which can contribute to a voltage induction and thus in particular to an offset signal of the reception coils 122.
  • At least one of the at least two receiving coils 122 can therefore have at least one compensation structure 134, the
  • Compensation structure 134 is set up to at least one of the
  • Receiving coil 122 in particular offset signal generated in particular by the connecting conductor tracks 132 of the receiving coil 122, at least partially
  • the compensation structure 134 can have at least two
  • Compensation conductor tracks 154 which in particular connect directly to the connecting conductor tracks 132, in particular can merge into them. Furthermore, the compensation conductor tracks 154 can jointly span an essentially rectangular compensation area 156.
  • a length l CO mp of the rectangular compensation surface 156 which can run essentially perpendicular to a tangent to an excitation winding 158, can be 10 pm to 800 pm, preferably 50 pm to 500 pm.
  • a width w CO mp of the rectangular compensation surface 156 which can run essentially parallel to the tangent to the excitation winding 158, can be 100 ⁇ m to 8 mm, preferably 300 ⁇ m to 5 mm.
  • a size of the compensation area 158 can essentially correspond to a size of the offset area 152 spanned by the connecting conductor tracks 132.
  • the compensation conductor tracks 154 can run at least in sections perpendicular to the connection conductor tracks 132.
  • the sensor system has at least one excitation coil 120.
  • FIGS. 5A and 5B show the excitation coil 120 in an overview view (5A) and in a detail view (5B).
  • the excitation coil 120 can have at least one excitation turn 158 include.
  • the excitation winding 158 can in particular be essentially circular.
  • the excitation coil 120 can comprise at least two, preferably at least three or even more excitation windings 158.
  • the excitation windings 158 can furthermore be arranged essentially concentrically to the axis of rotation 112, wherein the
  • Excitation windings 158 each with at least one neighboring one
  • Excitation winding 158 are connected by means of at least one connecting conductor piece 160.
  • the connecting conductor piece 160 can extend transversely to a tangent to the circular excitation winding 158 and enclose an angle ⁇ of 5 ° to 75 °, preferably 30 ° to 60 °, particularly preferably 40 ° to 50 °.
  • a distance d between two adjacent, circular, concentrically arranged excitation windings can be constant, as shown in FIG. 5B.
  • the excitation coil 120 can comprise at least one conductor track 162.
  • the connecting conductor piece 160 can extend transversely to a tangent to the circular excitation winding 158 and enclose an angle ⁇ of 5 ° to 75 °, preferably 30 ° to 60 °, particularly preferably 40 ° to 50 °.
  • a distance d between two adjacent, circular, concentrically arranged excitation windings can be constant, as shown in FIG. 5B.
  • the excitation coil 120 can comprise at least one conductor track
  • Excitation winding 158 may be formed by the conductor 162.
  • the excitation coil 120 can be supplied with an AC voltage of 1 Mhz to 10 Mhz, preferably from 2 to 5 Mhz, particularly preferably from 3.5 Mhz.
  • the excitation coil 120 in particular the conductor track 162 of the excitation coil 120, can at least partially delimit, delimit or stake the excitation area 124.
  • the conductor track 162 of the excitation coil 120 can be circular, at least in sections, and define a circular and / or cylindrical excitation area 124.
  • the excitation region 124 can be a circular section of the circuit carrier 118, the circular one
  • the excitation region 124 can be characterized in that when an electrical voltage or an electric current is applied to the excitation coil 120, a magnetic flux passes through it such that a signal is induced in a reception coil 120 arranged in the excitation region 124 due to inductive coupling ,
  • Sensor system 110 also has a sensor wheel 114 with sensor wheel profile 116.
  • FIG. 7 shows the encoder wheel 114.
  • the encoder wheel profile 116 can in particular comprise a plurality of profile elements 164. In particular, it can
  • Encoder wheel 114 has at least, in particular exactly, 2n profile elements 164, so that the number of profile elements 164 at least
  • Receiving coils 122 corresponds.
  • the adjacent profile elements 164 can differ in their electrical conductivity.
  • electrically conductive profile elements 164 may also coexist
  • adjacent profile elements 164 can have the same opening angle g, g being half
  • Opening angle a of the measuring range 135 of the sensor system 110 can be.
  • the opening angles of two, in particular two, adjacent profile elements 164 can be the same size.
  • the encoder wheel 114 can have 2n profile elements 164 and the opening angles g of the 2n profile elements 164 can all be of the same size and 360 / (2n).
  • the encoder wheel 114 can be rotationally symmetrical. A distance of the sensor wheel 114 from the receiving coils 122 and the excitation coil 120 can be at
  • connection of the encoder wheel 114 to the rotating element is 1 mm to 30 mm, preferably 2 mm to 10 mm.
  • the encoder wheel 114 can be connected to the rotating element.
  • the Gerber wheel 114 can be connectable to the rotating element by means of a screw connection and / or an adhesive connection.
  • the encoder wheel 114 can be operated using a
  • a method for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one axis of rotation comprising the use of at least one sensor system as described above or described in more detail below.
  • the method comprises the following steps, preferably in the order given. A different order is also possible in principle. Furthermore, one or several or all of the process steps can also be carried out repeatedly. Furthermore, two or more of the method steps can also be carried out entirely or partially overlapping in time or simultaneously. In addition to the method steps mentioned, the method can also comprise further method steps.
  • step a) applying a voltage, in particular an alternating voltage, to the excitation coil (process step 166), in step b) recording at least two signals generated by the excitation coil in the at least two reception coils (process step 168) and in step c ) evaluating the signals of the receiving coils and determining the rotational property of the rotating element using the recorded signals (method step 170).
  • FIG. 8 shows the method.
  • the evaluation of the signals in step c) can in particular comprise demodulating the induced, picked up signals of the receiving coils (122) with a signal of the excitation coil (120).
  • the evaluation can further comprise determining the amount and phase of a coupling between the excitation coil (120) and the receiving coils (122). The amount can vary continuously with the angle of rotation.
  • Step c) can also be used
  • Step c) can further comprise determining the angle of rotation, in particular with the aid of the use of the arctangent function.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Sensorsystem (110) umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad (114), wobei das Geberrad (114) ein Geberradprofil (116) aufweist. Das Sensorsystem (110) umfasst weiterhin mindestens einen Schaltungsträger (118), wobei der Schaltungsträger (118) mindestens eine Erregerspule (120) sowie mindestens zwei Empfangsspulen (122) trägt. Die Erregerspule (120) begrenzt mindestens einen Erregerbereich (124), wobei die zwei Empfangsspulen (122) in dem Erregerbereich (124) angeordnet sind. Ferner sind die Empfangsspulen (122) relativ zueinander um die Rotationsachse (112) verdreht angeordnet und umschließen jeweils die Rotationsachse(112). Die Empfangsspulen (122) weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen (126) und mindestens zwei zweiten Teilwindungen (128) auf, wobei die ersten Teilwindungen (126) und die zweiten Teilwindungen (128) gegenläufig orientiert sind.

Description

Beschreibung
Titel
Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 40-41, 63-74 und 120-129 beschrieben.
So wird in einer ersten bekannten Ausführungsform derartiger Sensoren üblicherweise ein Magnet über einen Magnetfeldsensor gedreht und durch die Messung des Magnetfeldvektors der Drehwinkel ermittelt. Sensoren dieses Typs reagieren in der Regel auch auf externe Magnetfelder, die beispielsweise durch einen Stromfluss von benachbart angeordneten Stromkabeln herrühren und sind demzufolge meist sehr störempfindlich.
Ein weiteres Sensorprinzip basiert insbesondere auf dem Wirbelstromeffekt. Hier wird in der Regel ein metallisches Target über Sensorspulen bewegt, die mit Wechselspannung beaufschlagt werden und in diesem Target einen Wirbelstrom induzieren. Dies führt üblicherweise zur Reduzierung der Spuleninduktivitäten und erlaubt über eine Verschaltung in einem Schwingkreis über eine
Frequenzänderung auf den Drehwinkel zu schließen. Nachteilig kann hier insbesondere eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber Einbautoleranzen, insbesondere der Verkippung des Targets, sein sowie ein mögliches Locking der Frequenzen auf Störungen von außen, insbesondere auch als„Injection Locking“ bezeichnet, da üblicherweise mit Frequenzen im Bereich von einigen zehn MHz gearbeitet wird. Weiterhin sind Drehwinkelsensoren auf Basis von gekoppelten Spulen bekannt, beispielsweise insbesondere aus EP 0 909 955 Bl. Eine Erregerspule auf einer Sensor- Leiterplatte wird in der Regel mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die eine Frequenz im Bereich einiger MHz, beispielweise 3.5 MHz, aufweist. Dadurch entsteht ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches üblicherweise in Empfangsspulen auf der Sensorleiterplatte koppelt und dort entsprechende Wechselspannungen induziert. Durch entsprechende Formung eines Targets wird die Kopplung zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen beispielsweise drehwinkelabhängig beeinflusst. Durch Demodulation des in den Empfangsspulen induzierten Signals mit dem Trägersignal, insbesondere dem Signal der Sendespule, kann in der Regel auf Betrag und Phase der Kopplung geschlossen werden. Der Betrag variiert üblicherweise kontinuierlich mit dem Drehwinkel. Die Phasenlage kann insbesondere 0° oder 180° betragen. Durch Multiplikation des Betrags mit dem Cosinus der Phase entsteht ein Sinus-/ Cosinus-System, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfangsspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich, aus dem über eine ArcTan Berechnung der Winkel ermittelt werden kann.
Bekannte Ausführungsformen dieser Spulen zeigt weiterhin beispielsweise die DE 10 2013 225 921 Al. Die Empfangsspulen weisen im Wesentlichen sinusförmige Außenkonturen auf und sind auf einem Kreisringsegment angeordnet. Die Erregerspule weist im Wesentlichen spiralförmig umlaufende Wicklungen auf. Eine ähnliche Anordnung ist weiterhin beispielsweise auch in FR2964735A1 offenbart.
Trotz der Vorteile der Sensorsysteme zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So weisen die Spulenanordnungen des Standes der Technik, insbesondere beispielsweise Spulenanordnungen der Schriften DE102013225921A1 und FR2964735A1 eine Reihe von Nachteile beim Messen eines Drehwinkels auf. So sorgen
insbesondere durch die segmentierte Realisierung des Sensors und der
Erregerspule, insbesondere die radialen Leiterbahnen für Inhomogenitäten und/oder Erhöhungen im Erregermagnetfeld, die in der Regel zu Offsets in den Empfangsspulensignalen führen. So können beispielsweise auch dann
Spannungen induziert werden, wenn kein Target vorhanden ist. Da vorhandene Offsets vor der Winkelberechnung subtrahiert werden müssen, bedeutet dies in der Regel ein Mehraufwand im übergeordneten System. Darüber hinaus schränken Signaloffsets den Nutzbereich von Analog-Digital-Wandlern im übergeordneten System üblicherweise ein, sodass die Auflösung des
Drehwinkels begrenzt ist. Weitere Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements sind häufig die Anschlüsse der Empfangsspulen.
Hier sind insbesondere häufig Flächen vorhanden, in denen in der Regel Spannungen induziert werden, die Signaloffsets verursachen. Zu diesem Effekt trägt häufig ebenso eine im Wesentlichen spiralförmig umlaufende Erregerspule bei. Durch den nicht konstanten Abstand der Windungen der Erregerspule zum Bereich der Empfangsspulen entstehen üblicherweise inhomogene
Feldverteilungen, die beispielsweise zu Offsets in den Empfangsspulensignalen und eventuellen Winkelfehlern führen.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Sensors zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements mit einem verbesserten Design der Erreger- und/oder Empfangsspulen zur zumindest teilweisen Kompensation von Signaloffsets.
Offenbarung der Erfindung
In Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Unter einem„Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzliche eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche geeignet ist, die mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Messsignal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer„Rotationseigenschaft“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, ein Drehwinkel oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere einen Drehwinkel, oder um eine Drehzahl oder um eine Kombination beider Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einem„Drehwinkel“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Winkelposition einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder des Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden werden. Beispielsweise kann die Winkelposition als Winkel angegeben werden, welchen die rotationsfähige Vorrichtung mit der senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse bezüglich der Rotationsachse einschließt.
Das Sensorsystem kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Brennkraftmaschine oder einem Elektromotor, eingerichtet sein. Unter einem„rotierenden Element“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden werden, welches eine Rotationsachse aufweist und um diese rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle in einer Antriebsmaschine sein, beispielsweise eine Nockenwelle. Beispielsweise kann ein Drehwinkel einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Kombination beider Größen bestimmt werden. Ferner kann es sich bei dem rotierenden Element auch um ein rotierendes Element eines Elektromotors handeln, beispielsweise um einen Rotor.
Das Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad, wobei das Geberrad ein Geberradprofil aufweist. Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens einen Schaltungsträger, wobei der Schaltungsträger mindestens eine Erregerspule sowie mindestens zwei Empfangsspulen trägt. Die Erregerspule begrenzt mindestens einen Erregerbereich, wobei die zwei Empfangsspulen in dem Erregerbereich angeordnet sind. Ferner sind die Empfangsspulen relativ zueinander um die Rotationsachse verdreht angeordnet und umschließen jeweils die Rotationsachse. Die Empfangsspulen weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen und mindestens zwei zweiten Teilwindungen auf, wobei die ersten Teilwindungen und die zweiten
Teilwindungen gegenläufig orientiert sind. Damit umfasst beispielsweise jede der Empfangsspulen n erste Teilwindungen und n zweite Teilwindungen, wobei n eine natürliche Zahl ist und einen Wert von 2 oder größer als 2 hat.
Unter einem„Geberrad“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung
grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares
Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, beispielsweise eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Unter einem„Geberradprofil“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung
grundsätzlich die Gesamtheit von Profilelementen und von zwischen den Profilelementen angeordneten Zwischenräumen des Geberrads verstanden werden. Weiterhin kann unter dem Geberradprofil auch die Anordnung, beispielsweise die Reihenfolge, der Profilelemente verstanden werden. Unter einem„Profilelement“ des Geberrads kann im Rahmen der vorliegenden
Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden werden, welches als Bestandteil des Geberrads dazu beiträgt, bei Verbindung des Geberrads mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements das mindestens eine messbare Signal zu bewirken. Insbesondere kann es sich bei dem
Profilelement um eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads handeln, insbesondere eine Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftörmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch. Das Profilelement kann jedoch eine beispielsweise kreisförmige Kontur des Geberrads auch unverändert lassen. Insbesondere kann das Profilelement durch elektrische, magnetische oder optische Eigenschaften zu der Entstehung des messbaren Signals beitragen. Beispielsweise kann ein Geberrad, insbesondere ein Geberrad mit kreisförmiger Kontur, eine Mehrzahl von Profilelementen aufweisen, welche derart angeordnet sein können, dass mindestens ein elektrisch leitfähiges Profilelement von mindestens einem elektrisch nicht leitfähigen Profilelement gefolgt wird.
Insbesondere kann das mindestens eine Profilelement mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigem Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall. Weiterhin kann das Geberrad ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigem Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall.
Unter einem„Schaltungsträger“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Substrat verstanden werden, welches eingerichtet ist, mindestens eine Schaltung ganz oder in Teilen, beispielsweise in Form von einer oder mehreren Spulen, Widerständen, Kondensatoren, Leiterbahnen oder anderen möglichen Bauteilen der Schaltung, zu tragen. Hierbei können die Schaltung und/oder die Bauteile der Schaltung insbesondere auf einer
Oberfläche des Schaltungsträgers angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger jedoch auch einen Schichtaufbau aufweisen, insbesondere einen Schichtaufbau umfassend zwei oder mehr Ebenen, so dass beispielsweise verschiedene Schaltungen und/oder verschiedene Bauteile derselben Schaltung, insbesondere verschiedene Abschnitte einer Leiterbahn, in den verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers verlaufen können.
Unter einer„Erregerspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung umfassen. Die Erregerwindung kann insbesondere im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein. Weiterhin kann die Erregerspule mindestens zwei,
vorzugsweise mindestens drei oder sogar mehr Erregerwindungen umfassen. Die Erregerwindungen können weiterhin im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet sein, wobei die Erregerwindungen jeweils mit mindestens einer benachbarten Erregerwindung mittels mindestens eines Verbindungsleiterstücks verbunden sind. Insbesondere kann das
Verbindungsleiterstück quer zu einer Tangente an die kreisförmige
Erregerwindung verlaufen und mit dieser einen Winkel ß von 5° bis 75°, bevorzugt von 30° bis 60°, besonders bevorzugt von 40° bis 50° einschließen. Weiterhin kann ein Abstand d zwischen jeweils zwei benachbarten,
kreisförmigen, konzentrisch angeordneten Erregerwindungen konstant sein. Insbesondere kann die Erregerspule mindestens eine Leiterbahn umfassen. Insbesondere kann die Erregerwindung von der Leiterbahn geformt sein.
Insbesondere kann die Erregerspule mit einer Wechselspannung von 1 Mhz bis 10 Mhz, bevorzugt von 2 bis 5 Mhz, besonders bevorzugt von 3,5 Mhz, beaufschlagt oder beaufschlagbar sein.
Unter einer„Empfangsspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangsspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Insbesondere kann die Empfangsspule mindestens eine Leiterbahn umfassen.
Unter einem„Erregerbereich“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Gebiet, beispielsweise eine zweidimensionale Fläche oder ein dreidimensionaler Raum, verstanden werden, welches durch die Erregerspule, insbesondere durch eine Form oder eine Geometrie der
Erregerspule, hervorgehoben, definiert oder definierbar ist. Beispielsweise kann die Erregerspule, insbesondere die Leiterbahn der Erregerspule, den
Erregerbereich zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. So kann insbesondere die Leiterbahn der Erregerspule zumindest abschnittsweise kreisförmig ausgebildet sein und ihre Form einen kreisförmigen und/oder zylinderförmigen Erregerbereich abstecken. Insbesondere kann es sich bei dem Erregerbereich um einen kreisförmigen Ausschnitt des Schaltungsträgers handeln, wobei der kreisförmige Ausschnitt durch die äußere der konzentrisch um die Rotationsachse angeordneten kreisförmigen Erregerwindungen begrenzt sein kann. Insbesondere kann sich der Erregerbereich dadurch auszeichnen, dass er bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms an die Erregerspule derart von einem magnetischen Fluss durchsetzt ist, dass in einer in dem Erregerbereich angeordneten Empfangsspule aufgrund von induktiver Kopplung ein Signal induziert wird.
Die Empfangsspulen umschließen jeweils die Rotationsachse. Dies kann insbesondere zu einer Vermeidung oder einer Reduktion eines Offset-Signals in den Empfangsspulen beitragen. Unter dem Begriff„umschließen“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden werden, dass jede der Empfangsspulen die Rotationsachse im Wesentlichen vollständig umgibt. Hierbei kann jede Empfangsspule, insbesondere die Teilwindungen der
Empfangsspule, derart um die Rotationsachse herum angeordnet sein, dass die Empfangsspule, insbesondere die Teilwindungen der Empfangsspule, in mindestens einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse den vollen
Winkelbereich von 360° um die Rotationsachse abdeckt, beispielsweise in Form von mäandernden Schleifen. Alternativ kann die Empfangsspule dabei aber auch einen vernachlässigbar kleinen Abschnitt g eines Umfangs um die
Rotationsachse, insbesondere einen Abschnitt g von 100 pm bis 800 pm, bevorzugt von 200 pm bis 400 pm, frei lassen. Der Abschnitt g kann gemeinsam mit einem radialen Abstand des Abschnitts g von der Rotationsachse
insbesondere einen Öffnungswinkel d eines Kreissegments bestimmen, welches nicht von der Empfangsspule abgedeckt ist, insbesondere kein Element, insbesondere keine der ersten Teilwindungen und keine der zweiten
Teilwindungen, der Empfangsspule trägt. Unter einem„Offset-Signal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges, mit einem Offset behaftetes Signal handeln. Unter einem„Offset“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich insbesondere ein beliebiger Betrag verstanden werden, um den ein Signal, eine Zustandsgröße oder ein Messwert verändert, insbesondere verringert, vergrößert, verschoben oder versetzt ist, beispielsweise gegenüber einem Bezugspunkt, beispielsweise Null.
Insbesondere kann es sich bei dem Offset um einen konstanten, additiven oder subtraktiven Betrag, handeln, welcher auf einem systematischen Fehler, beispielsweise einem systematischen Fehler einer Messvorrichtung beruht. Insbesondere kann eine Korrektur des Signals, der Zustandsgröße oder des Messwerts zu einer verbesserten, insbesondere genaueren, Bestimmung einer gewünschten Größe mit ihrem korrekten Wert beitragen.
Unter einer„Teilwindung“ einer Spule kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige, sich periodisch wiederholende
Teilstruktur, insbesondere ein Abschnitt, der Spule verstanden werden, wobei die Teilstruktur mindestens eine Biegung, Windung, Schlaufe oder einen Mäander umfasst. Insbesondere kann durch eine periodische Wiederholung, Verschiebung und/oder Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels geeigneter Verdrehung, der ersten Teilwindungen und/oder der zweiten
Teilwindungen die Empfangsspule oder eine Form der Empfangsspule im Wesentlichen erzeugbar sein. Beispielsweise kann durch die periodische Wiederholung, Verschiebung und/oder die anschließende Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels der geeigneten Verdrehung der Teilwindungen gegeneinander, die Empfangsspule oder die Form der Empfangsspule abgesehen von eventuell vorhandenen, weiter unten noch näher beschriebenen Anschlussleiterbahnen und/oder weiter unten ebenfalls noch näher beschriebenen Kompensationsstrukturen und/oder anderen, hier nicht erwähnten Elementen erzeugbar sein.
Unter dem Ausdruck„gegenläufig orientiert“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden werden, dass zwei gegenläufig orientierte Teilwindungen derselben Empfangsspule beispielsweise bei Anlegen einer Spannung oder eines Stroms an die Spule oder bei Induktion einer Spannung oder eines Stroms in der Spule in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in bezüglich der Rotationsache gegensätzlichen Umlaufrichtungen, von Strom durchflossen werden. So kann die Rotationsachse beispielsweise bei dem Anlegen oder der bei der Induktion des Stroms oder der Spannung von dem durch die ersten Teilwindungen der Empfangsspule fließenden Strom im
Uhrzeigersinn umflossen werden und von dem durch die zweiten Teilwindungen derselben Empfangsspule fließenden Strom im Gegenuhrzeigersinn umflossen werden. Dementsprechend können die ersten Teilwindungen bezüglich der Rotationsachse als linksumlaufende Teilwindungen und die zweiten
Teilwindungen als bezüglich der Rotationsachse rechtsumlaufende
Teilwindungen ausgestaltet sein oder vice versa.
Insbesondere können die Empfangsspulen jeweils mindestens zwei
Umkehrpunkte, insbesondere jeweils genau zwei Umkehrpunkte, aufweisen, wobei an den Umkehrpunkten jeweils eine der ersten Teilwindungen auf jeweils eine der zweiten Teilwindungen derselben Empfangsspule trifft, insbesondere jeweils eine der ersten Teilwindungen in jeweils eine der zweiten Teilwindungen übergeht. Insbesondere kann die Stromrichtung, insbesondere die
Umlaufrichtung des Stroms bezüglich der Rotationsachse, sich in dem
Umkehrpunkt abrupt ändern. So kann die Empfangsspule in dem Umkehrpunkt insbesondere einen Knick aufweisen. Insbesondere kann jeder Umkehrpunkt Bestandteil von genau einer Empfangsspule sein. Dementsprechend kann es sein, dass keine gemeinsamen Umkehrpunkte existieren, welche Bestandteil von mehr als einer Empfangsspule sind oder sich mehr als einer Empfangsspule zuordnen lassen. Die in dem Umkehrpunkt auf die zweite Teilwindung treffende erste Teilwindung kann in dem Umkehrpunkt mittels mindestens eines Vias mit der zweiten Teilwindung verbunden sein. Der Begriff Via, als gebräuchliches Akronym des englischen Ausdrucks„vertical interconnect access“, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezeichnung für eine elektrische Durchkontaktierungen zwischen den Ebenen des Schichtaufbaus des
Schaltungsträgers verwendet. Wie bereits weiter oben beschrieben, können die zwei Umkehrpunkte der Empfangsspule einen Abstand g von 100 pm bis 800 pm, bevorzugt von 200 pm bis 400 pm, aufweisen. Der Abstand g kann sich hierbei insbesondere als Summe aus einem Abstand A zwischen den in den Umkehrpunkten aufeinandertreffenden ersten und zweiten Teilwindungen und einem Durchmesser D des Vias ergeben.
Weiterhin kann sich für jede der Empfangsspulen jede der ersten Teilwindungen jeweils mit mindestens einer der zweiten Teilwindungen derselben
Empfangsspule mindestens einmal in mindestens einem Kreuzungspunkt kreuzen, wobei die sich kreuzenden ersten und zweiten Teilwindungen im Kreuzungspunkt in verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers verlaufen. Insbesondere kann jede der Empfangsspulen mindestens 2n-l Kreuzungspunkte aufweisen, in denen sich jeweils eine erste und eine zweite Teilwindung kreuzen, wobei die erste und die zweite Teilwindung Bestandteil derselben
Empfangsspule sind. Insbesondere kann jede der Empfangsspulen genau 2n-l Kreuzungspunkte aufweisen, in denen sich jeweils eine erste und eine zweite Teilwindung kreuzen, wobei die erste und die zweite Teilwindung Bestandteil derselben Empfangsspule sind. Hierbei entspricht, wie weiter oben bereits erläutert, n der Anzahl der ersten Teilwindungen der Empfangsspule. Die Kreuzungspunkte der mindestens zwei Empfangsspulen können insbesondere auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit Radius rm um die Rotationsachse angeordnet sein.
Auch die Umkehrpunkte können auf der Kreisbahn mit dem Radius rm um die Rotationsachse angeordnet sein. Damit kann ein Öffnungswinkel d des
Kreissegments, welches insbesondere keine Teilwindung der Empfangsspule trägt, gegeben sein durch d = (A + D)/rm (1)
Die Empfangsspulen können jeweils mindestens einen Empfangsbereich begrenzen. Insbesondere können die Empfangsbereiche der Empfangsspulen deckungsgleich sein. Unter einem„Empfangsbereich“ der Empfangsspule kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Gebiet, beispielsweise eine zweidimensionale Fläche oder ein dreidimensionaler Raum, verstanden werden, welches durch die Empfangsspule, insbesondere durch eine Form oder eine Geometrie der Empfangsspule, insbesondere der ersten Teilwindungen und/oder zweiten Teilwindungen, hervorgehoben, definiert oder definierbar ist. Beispielsweise kann die Empfangsspule, insbesondere die Leiterbahn der Empfangsspule, den Empfangsbereich zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. Die Empfangsbereiche der
Empfangsspulen können jeweils ringförmig, insbesondere als ringförmiger Abschnitt des Schaltungsträgers, ausgestaltet sein. Die Empfangsbereiche können insbesondere konzentrisch um die Rotationsachse angeordnet sein. Insbesondere können die Empfangsbereiche der Empfangsspulen jeweils durch eine äußere Kreisbahn mit einem äußeren Radius ra und eine innere Kreisbahn mit einem inneren Radius n begrenzt sein. Weiterhin kann es möglich sein, dass ein Zusammenhang zwischen den Radien n, ra und rm folgendermaßen beschrieben werden kann: rm = (n + ra)/2 (2)
Ein Messbereich des Sensorsystems kann insbesondere mithilfe eines
Öffnungswinkels a des Messbereichs beschrieben sein. Unter einem
Messbereich des Sensorsystems kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Bereich verstanden werden, in dem das
Sensorsystem die mindestens eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements eindeutig bestimmen kann. Insbesondere kann es sich bei der Rotationseigenschaft, wie bereits weiter oben beschrieben, um den Drehwinkel handeln. Bei dem Messbereich kann es sich daher insbesondere um einen Winkelbereich handeln, in dem dem rotierenden Element mittels des
Sensorsystems ein Drehwinkel eindeutig zuordenbar ist. Hierbei kann sich der Öffnungswinkel a des Messbereichs des Sensorsystems aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen oder von zweiten Teilwindungen als 360% ergeben.
Die Empfangsspulen umschließen jeweils die Rotationsachse und sind relativ zueinander um die Rotationsachse verdreht angeordnet. Insbesondere können die Empfangsspulen um einen Winkel F relativ zueinander um die Rotationsachse verdreht angeordnet sein, wobei sich F aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen oder zweiten Teilwindungen und aus der Anzahl m der Empfangsspulen als F = 360°/ (2*n*m) ergeben kann. Die Empfangsspulen können weiterhin eine im Wesentlichen identische Form aufweisen. Die
Empfangsspulen weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen und mindestens zwei zweiten Teilwindungen auf. Der Schaltungsträger trägt die Empfangsspulen. Der Schaltungsträger kann insbesondere einen Schichtaufbau mit mehreren Ebenen umfassen. Die ersten und zweiten Teilwindungen der Empfangsspulen können insbesondere jeweils mindestens einen ersten Abschnitt und jeweils mindestens einen zweiten Abschnitt aufweisen, wobei der erste Abschnitt in einer ersten Ebene des Schaltungsträgers verlaufen kann, wobei der zweite Abschnitt in einer zweiten Ebene des Schaltungsträgers verlaufen kann. Hierbei können die ersten Abschnitte der ersten Teilwindungen mit den sich anschließenden zweiten Abschnitten der ersten Teilwindung mittels Vias verbunden sein. Ebenso können die ersten Abschnitte der zweiten Teilwindungen mit den sich anschließenden zweiten Abschnitten der zweiten Teilwindung mittels Vias verbunden sein.
Insbesondere kann jeder der die ersten Abschnitte mit den zweiten Abschnitten verbindenden Vias entweder auf der äußeren Kreisbahn mit dem Radius ra oder auf der inneren Kreisbahn mit dem Radius n angeordnet sein. Weiterhin können die Empfangsspulen insbesondere als Planarspulen ausgebildet sein. Die Empfangsspulen können insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse sein. Weiterhin können die Empfangsspulen zumindest abschnittsweise sinusförmig geformt sein. Insbesondere kann sich die Form der Empfangsspule, insbesondere der ersten und zweiten Teilwindungen, aus einer Transformation von zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden
Funktionen auf eine Ringbahn um die Rotationsachse als Zentrum ergeben, wobei bei der Transformation die Spiegelachse insbesondere auf eine Kreisbahn um die Rotationsachse mit Radius rm transformiert werden kann. Bei den zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden Funktionen kann es sich beispielsweise um zwei gegeneinander verschobene, insbesondere um gegeneinander verschobene, sinusförmige Funktionen handeln. Auch andere Funktionen sind jedoch möglich. Insbesondere können die auf die Ringbahn transformierten Funktionen in Schnittpunkten mit der Kreisbahn mit Radius rm stetig und differenzierbar sein. Weiterhin kann ein Zentrum des Erregerbereichs, beispielsweise ein
Schwerpunkt des Erregerbereichs, die Rotationsachse umfassen. Der
Erregerbereich kann insbesondere kreisförmig ausgestaltet sein. Ferner kann der Erregerbereich konzentrisch um die Rotationsachse angeordnet sein.
Die Empfangsspulen können insbesondere jeweils mindestens eine, bevorzugt zwei, Anschlussleiterbahnen aufweisen. Die Anschlussleiterbahnen können jeweils insbesondere mit einer der ersten Teilwindungen oder mit einer der zweiten Teilwindungen der Empfangsspule elektrisch verbunden sein. Die Anschlussleiterbahnen können insbesondere aus dem Empfangsbereich und dem Erregerbereich herausgeführt sein, insbesondere parallel zueinander, und dabei einen Offset- Bereich erzeugen, welcher zu einer Spannungsinduktion und damit insbesondere zu einem Offset-Signal der Empfangsspulen beitragen kann.
Mindestens eine der mindestens zwei Empfangsspulen kann mindestens eine Kompensationsstruktur aufweisen, wobei die Kompensationsstruktur eingerichtet ist, um mindestens ein von der Empfangsspule, insbesondere von den
Anschlussleiterbahnen der Empfangsspule, erzeugtes Offset-Signal zumindest teilweise zu kompensieren. Unter einer„Kompensationsstruktur“ kann im
Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Offset-Signal zumindest teilweise auszugleichen, aufzuheben oder abzuschwächen, beispielsweise indem das Offset-Signal durch eine Gegenwirkung zumindest teilweise aufgehoben oder abgeschwächt wird. Die Kompensationsstruktur kann mindestens zwei
Kompensationsleiterbahnen aufweisen, welche sich insbesondere direkt an die Anschlussleiterbahnen anschließen können. Weiterhin können die
Kompensationsleiterbahnen gemeinsam eine im Wesentlichen rechteckige Kompensationsfläche umspannen. Insbesondere kann eine Länge lCOmp der rechteckigen Kompensationsfläche, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Tangente an die Erregerwindung verlaufen kann, 10 pm bis 800 pm, bevorzugt 50 pm bis 500 pm betragen. Weiterhin kann eine Breite wCOmp der rechteckigen Kompensationsfläche, welche im Wesentlichen parallel zu der Tangente an die Erregerwindung verlaufen kann, 100 pm bis 8 mm, bevorzugt 300 pm bis 5 mm betragen. Ferner kann eine Größe der Kompensationsfläche im Wesentlichen einer Größe des von den Anschlussleiterbahnen umspannten Offset- Bereichs entsprechen. Weiterhin können die Kompensationsleiterbahnen zumindest abschnittsweise senkrecht zu den Anschlussleiterbahnen verlaufen.
Das Sensorsystem weist weiterhin ein Geberrad auf. Das Geberrad kann eine Vielzahl von Profilelementen umfassen. Insbesondere kann das Geberrad mindestens, insbesondere genau, 2n Profilelemente auf, so dass die Anzahl von Profilelementen mindestens, insbesondere genau, der Summe der Anzahl von den n ersten Teilwindungen und den n zweiten Teilwindungen einer der mindestens zwei Empfangsspulen entspricht. Insbesondere können sich die benachbarten Profilelemente in ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden. Beispielsweise können sich elektrisch leitfähige Profilelemente mit Aussparungen oder mit elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Profilelementen abwechseln. Weiterhin kann eine Summe von Öffnungswinkeln von zwei benachbarten Profilelementen 360% ergeben und damit gleich dem Öffnungswinkel des Messbereichs des Sensorsystems sein. Insbesondere können benachbarte Profilelemente denselben Öffnungswinkel y aufweisen, wobei y gleich dem halben Öffnungswinkel des Messbereichs des Sensorsystems sein kann.
Insbesondere können die Öffnungswinkel von zwei, insbesondere jeweils zwei, benachbarten Profilelementen gleich groß sein. Insbesondere kann das
Geberrad 2n Profilelemente aufweisen und die Öffnungswinkel y der 2n
Profilelemente können alle gleich groß sein und 360/(2n) betragen. Ferner kann das Geberrad rotationssymmetrisch sein. Ein Abstand des Geberrads von den Empfangsspulen und der Erregerspule kann bei Verbindung des Geberrads mit dem rotierenden Element 1 mm bis 30 mm, bevorzugt 2 mm bis 10 mm betragen. Das Geberrad ist mit dem rotierenden Element verbindbar. Insbesondere kann das Gerberrad mittels einer Schraubverbindung und/oder einer Klebverbindung mit dem rotierenden Element verbindbar sein. Weiterhin kann das Geberrad mithilfe eines Längspressverfahrens hergestellt sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines wie weiter oben bereits beschriebenen oder weiter unten noch näher beschriebenen Sensorsystems umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle der Verfahrensschrite auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschrite auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschriten auch weitere Verfahrensschrite umfassen.
Die Verfahrensschrite sind: a) Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung an die Erregerspule;
b) Aufnehmen mindestens zweier von der Erregerspule in den
Empfangsspulen induzierten Signale; und
c) Auswerten der Signale der Empfangsspulen und Ermiteln der
Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mitels der
aufgenommenen Signale.
Das Auswerten der Signale in Schrit c) kann insbesondere ein Demodulieren der induzierten, aufgenommenen Signale der Empfangsspulen mit einem Signal der Erregerspule umfassen. Weiterhin kann das Auswerten ein Bestimmen von Betrag und Phase einer Kopplung zwischen der Erregerspule und den
Empfangsspulen umfassen. Hierbei kann der Betrag kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Ferner kann Schrit c) ein Multiplizieren des Betrags mit dem Cosinus der Phase umfassen. Weiter kann Schrit c) ein Bestimmen des Drehwinkels umfassen, insbesondere mithilfe der Anwendung der Arkustangens- Funktion.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere kann es möglich sein, dass die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren kostengünstig sind,
insbesondere, da sie auf einem kostengünstigen Sensorprinzip beruhen können, beispielsweise da kein teurer Magnet benötig wird. Weiterhin kann es möglich sein, dass eventuell in der Umgebung vorhandene Magnetfelder, beispielsweise in Folge von hohen Strömen innerhalb von Kabeln, welche in der Nähe des Sensorsystems angeordnet sein können, keinen Einfluss auf die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren haben. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren auf einem einfachen Messprinzip beruhen können. Ferner kann es vorteilhaft sein, dass eine einfache Rücktransformation mit Sinus- und
Cosinussignalen möglich sein kann, insbesondere mithilfe des Arcustangens bei einem Sensorsystem mit zwei Empfangsspulen, insbesondere einem
Zweiphasensystem. Weiterhin kann es möglich sein, dass eine Sensorplatine zwei unabhängige, insbesondere komplett getrennte, Sensorsysteme als redundante Systeme umfassen kann, insbesondere zur Erhöhung der
Verfügbarkeit und/oder der funktionalen Sicherheit. Weiterhin kann es möglich sein, dass die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren toleranzrobust sein können, so dass insbesondere bei einem Einbau größere mechanische Toleranzen zugelassen werden können als bei vergleichbaren Vorrichtungen des Standes der Technik. Dies kann insbesondere zu einem gegenüber dem Stand der Technik geringeren Preis des Sensorsystems beitragen. Weiterhin kann es möglich sein, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Vorrichtungen und Verfahren zur Kompensation des Offsets-Signals nicht mit im Vergleich zum Stand der Technik höheren Kosten verbunden sind, insbesondere da es möglich ist, dass lediglich ein
Leiterplattendesign angepasst werden muss.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung sind in den
Ausführungsbeispielen dargestellt, welche in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch gezeigt sind.
Es zeigen:
Figuren 1A und 1B zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufende
Funktionen (1A) und Übersichtsansicht einer
Empfangsspule (1B);
Figur 2 weitere Übersichtsansicht der Empfangsspule mit Vias;
Figur 3A und 3B zwei Umkehrpunkte der Empfangsspule in einer
Übersichtsansicht (3A) und in einer Detailansicht (3B);
Figur 4 zwei gegeneinander verdreht angeordnete
Empfangsspulen; Figuren 5A und 5B einer Erregerspule in einer Übersichtsansicht (5A) und in einer Detailansicht (5 B);
Figur 6 eine Kompensationsstruktur der Empfangsspule;
Figur 7 ein Geberrad; und
Figur 8 ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer
Rotationseigenschaft eines um mindestens eine
Rotationsachse rotierenden Elements.
Ausführungsformen der Erfindung
Das Sensorsystem 110 zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse 112 rotierenden Elements umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad 114, wobei das Geberrad 114 ein Geberradprofil 116 aufweist. Das Sensorsystem 110 umfasst weiterhin mindestens einen Schaltungsträger 118, wobei der
Schaltungsträger 118 mindestens eine Erregerspule 120 sowie mindestens zwei Empfangsspulen 122 trägt. Die Erregerspule 120 begrenzt mindestens einen Erregerbereich 124, wobei die zwei Empfangsspulen 122 in dem Erregerbereich 124 angeordnet sind. Ferner sind die Empfangsspulen relativ zueinander um die Rotationsachse 112 verdreht angeordnet und umschließen jeweils die
Rotationsachse 112. Die Empfangsspulen 122 weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen 126 und mindestens zwei zweiten Teilwindungen 128 auf, wobei die ersten Teilwindungen 126 und die zweiten Teilwindungen 128 gegenläufig orientiert sind.
Die Figuren 1B und 2 zeigen jeweils eine Übersichtsansicht der einen der mindestens zwei Empfangsspulen 122 des Sensorsystems 110. Jede der Empfangsspulen 122 umfasst beispielsweise n erste Teilwindungen 126 und n zweite Teilwindungen 128, wobei n eine natürlich Zahl ist und einen Wert von 2 oder größer als 2 hat. Die Empfangsspule 122 kann, wie in den Figur 1B und 2 gezeigt, insbesondere 4 erste Teilwindungen und 4 zweite Teilwindungen umfassen. Insbesondere kann die Empfangsspule 122 mindestens eine
Leiterbahn 130 umfassen.
Die Empfangsspulen 122 umschließen jeweils die Rotationsachse 112. Dies kann insbesondere zu einer Vermeidung oder einer Reduktion eines Offset- Signals in den Empfangsspulen 122 beitragen. Hierbei kann jede Empfangsspule 122, insbesondere die ersten Teilwindungen 126 und die zweiten Teilwindungen 128 der Empfangsspule 122, derart um die Rotationsachse 112 herum angeordnet sein, dass die Empfangsspule 122, insbesondere die Teilwindungen 126, 128 der Empfangsspule 122, in mindestens einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse 112 einen Winkelbereich von 360° um die Rotationsachse 112 vollständig oder, wie in den Detailansichten in den Figuren 3A und 3B zu sehen, fast vollständig abdeckt, beispielsweise in Form von mäandernden Schleifen. Insbesondere kann die Empfangsspule 122 dabei einen Abschnitt g eines Umfangs um die Rotationsachse 112, insbesondere einen Abschnitt g von 100 pm bis 800 pm, bevorzugt von 200 pm bis 400 pm, frei lassen. Der Abschnitt g kann gemeinsam mit einem radialen Abstand des Abschnitts g von der
Rotationsachse 122 insbesondere einen Öffnungswinkel d eines Kreissegments bestimmen, welches nicht von der Empfangsspule 122 abgedeckt ist, insbesondere kein Element, insbesondere keine der ersten Teilwindungen und keine der zweiten Teilwindungen, der Empfangsspule trägt, wie in Figur 3A dargestellt.
Die in den Figuren 1B, 2 und 4 dargestellten Empfangsspulen 122 weisen jeweils 4 erste Teilwindungen 126 und 4 zweite Teilwindungen 128 auf. Insbesondere kann durch eine periodische Wiederholung, Verschiebung und/oder
Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels geeigneter Verdrehung, der ersten Teilwindungen 126 und/oder der zweiten Teilwindungen 128 die Empfangsspule 122 oder eine Form der Empfangsspule 122 im
Wesentlichen erzeugbar sein. Beispielsweise kann durch die periodische Wiederholung, Verschiebung und die anschließende Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels der geeigneten Verdrehung der Teilwindungen 126, 128 gegeneinander, die Empfangsspule 122 oder die Form der Empfangsspule abgesehen von eventuell vorhandenen, weiter unten noch näher beschriebenen Anschlussleiterbahnen 132 und/oder weiter unten ebenfalls noch näher beschriebenen Kompensationsstrukturen 134 und/oder anderen, hier nicht erwähnten Elementen erzeugbar sein, wie insbesondere aus den
Übersichtsansichten der Empfangsspule 122 in den Figuren 1B und 2
hervorgeht. Figur 1B veranschaulicht des Weiteren einen Messbereich 135 des
Sensorsystems 110. Ein Messbereich des Sensorsystems kann insbesondere mithilfe eines Öffnungswinkels a des Messbereichs beschrieben sein. Hierbei kann sich der Öffnungswinkel a des Messbereichs des Sensorsystems aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen oder von zweiten Teilwindungen als 360% ergeben, wie in Figur 1B zu sehen.
Die n ersten Teilwindungen 126 und die n zweiten Teilwindungen 128 der einen der mindestens zwei Erregerspulen 122 sind gegenläufig orientiert. Auch die n ersten Teilwindungen 126 und die n zweiten Teilwindungen 128 der weiteren der mindestens zwei Erregerspulen 122 sind gegenläufig orientiert. So kann die Rotationsachse 112, beispielsweise bei Anlegen des Stroms oder der Spannung an die Empfangsspule 122 oder bei Induktion des Stroms oder der Spannung in der Empfangsspule 122, von dem durch die ersten Teilwindungen 126 der Empfangsspule 122 fließenden Strom im Uhrzeigersinn umflossen werden und von dem durch die zweiten Teilwindungen 128 derselben Empfangsspule 122 fließenden Strom im Gegenuhrzeigersinn umflossen werden. Dementsprechend können die ersten Teilwindungen 126 bezüglich der Rotationsachse 112 als linksumlaufende Teilwindungen und die zweiten Teilwindungen 128 als bezüglich der Rotationsachse 112 rechtsumlaufende Teilwindungen ausgestaltet sein oder vice versa.
Wie in den Figuren 3A, 3B und 4 dargestellt, können die Empfangsspulen 122 jeweils mindestens zwei Umkehrpunkte 136, insbesondere jeweils genau zwei Umkehrpunkte 136, aufweisen, wobei an den Umkehrpunkten 136 jeweils eine der ersten Teilwindungen 126 auf jeweils eine der zweiten Teilwindungen trifft 128, insbesondere jeweils eine der ersten Teilwindungen 126 in jeweils eine der zweiten Teilwindungen 128 übergeht. Insbesondere kann die Stromrichtung, insbesondere die Umlaufrichtung des Stroms bezüglich der Rotationsachse 112, sich in dem Umkehrpunkt 136 abrupt ändern. Insbesondere kann jeder
Umkehrpunkt 136 Bestandteil von genau einer Empfangsspule 122 sein, wie beispielsweise in Figur 4 zu sehen. Dementsprechend kann es sein, dass keine gemeinsamen Umkehrpunkte 136 existieren, welche Bestandteil von mehr als einer Empfangsspule 122 sind oder sich mehr als einer Empfangsspule 122 zuordnen lassen. Die in dem Umkehrpunkt 136 auf die zweite Teilwindung 128 treffende erste Teilwindung 126 kann in dem Umkehrpunkt 136 mittels mindestens eines Vias 138 mit der zweiten Teilwindung 128 verbunden sein, wie in den Figuren 3A, 3B und 4 dargestellt. Insbesondere können die zwei
Umkehrpunkte 136 der Empfangsspule 122 den bereits weiter oben
beschriebenen Abstand g von 100 pm bis 800 pm, bevorzugt von 200 pm bis 400 pm, aufweisen. Der Abstand g kann sich hierbei insbesondere als Summe aus einem Abstand A zwischen den in den Umkehrpunkten 136
aufeinandertreffenden ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128 und einem Durchmesser D des Vias 138 ergeben, wie in Figur 3A zu sehen.
Figur 3B zeigt eine Detailansicht von den zwei Umkehrpunkten 136 der
Empfangsspule 122. Insbesondere können die Leiterbahnen 130 der
Empfangsspule 122 punktsymmetrisch zu einem Punkt P verlaufen, wie in Figur 3B zu sehen. Insbesondere kann sich der Punkt P ergeben als Schnittpunkt aus einer Geraden 172, welche die Rotationsachse 112 schneidet und jeweils identisch große Abstände zu den Vias 138 der Umkehrpunkte 136 aufweist, und einer gedachten Verbindungslinie 174, welche die beiden Vias 138 verbindet.
Weiterhin kann sich für jede der Empfangsspulen 122 jede der ersten
Teilwindungen 126 jeweils mit mindestens einer der zweiten Teilwindungen 128 mindestens einmal in mindestens einem Kreuzungspunkt 140 kreuzen, wobei die sich kreuzenden ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128 im Kreuzungspunkt 140 in verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers 118 verlaufen.
Insbesondere kann jede der Empfangsspulen 122 mindestens 2n-l
Kreuzungspunkte 140 aufweisen, in denen sich jeweils eine erste 126 und eine zweite Teilwindung 128 kreuzen, wobei die erste 126 und die zweite Teilwindung 128 Bestandteil derselben Empfangsspule 122 sind. Insbesondere kann jede der Empfangsspulen 122 genau 2n-l Kreuzungspunkte 140 aufweisen, in denen sich jeweils eine erste 126 und eine zweite Teilwindung 128 kreuzen, wobei die erste 126 und die zweite Teilwindung 128 Bestandteil derselben Empfangsspule 122 sind. Hierbei entspricht, wie weiter oben bereits erläutert, n der Anzahl der ersten Teilwindungen 126 der Empfangsspule 122. Die Kreuzungspunkte 140 der mindestens zwei Empfangsspulen 122 können insbesondere auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit Radius rm um die Rotationsachse 112 angeordnet sein, wie beispielsweise in Figur 3A veranschaulicht. Auch die Umkehrpunkte 136 können auf der Kreisbahn mit dem Radius rm um die Rotationsachse 112 angeordnet sein, wie ebenfalls beispielsweise in Figur 3A zu sehen. Damit kann ein Öffnungswinkel d des Kreissegments, welches insbesondere keine der Teilwindungen 126, 128 der Empfangsspule 122 trägt, gegeben sein durch d = (A + D)/rm (1)
Die Empfangsspulen 122 können jeweils mindestens einen Empfangsbereich 142 begrenzen. Insbesondere können die Empfangsbereiche 142 der
Empfangsspulen 122 deckungsgleich sein. Beispielsweise kann die
Empfangsspule 122, insbesondere die Leiterbahn 130 der Empfangsspule 122, den Empfangsbereich 142 zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. Die Empfangsbereiche 142 der Empfangsspulen 122 können jeweils ringförmig, insbesondere als ringförmiger Abschnitt des Schaltungsträgers, ausgestaltet sein. Die Empfangsbereiche 142 können insbesondere konzentrisch um die Rotationsachse 112 angeordnet sein. Insbesondere können die
Empfangsbereiche 142 der Empfangsspulen 122 jeweils durch eine äußere Kreisbahn mit einem äußeren Radius ra und eine innere Kreisbahn mit einem inneren Radius n begrenzt sein, wie in den Figuren 1B und 2 dargestellt.
Weiterhin kann es möglich sein, dass ein Zusammenhang zwischen den Radien n, ra und rm folgendermaßen beschrieben werden kann: rm— (p + ra)/2 (2)
Die Empfangsspulen 122 umschließen jeweils die Rotationsachse 112 und sind relativ zueinander um die Rotationsachse 122 verdreht angeordnet.
Insbesondere können die Empfangsspulen 122 um einen Winkel F relativ zueinander um die Rotationsachse 112 verdreht angeordnet sein, wobei sich F aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen 126 oder zweiten Teilwindungen 128 und aus der Anzahl m der Empfangsspulen 122 als F = 360°/ (2*n*m) ergeben kann. Figur 4 zeigt zwei um den Winkel F gegeneinander verdrehte
Empfangsspulen 122.
Die Empfangsspulen 122 können weiterhin eine im Wesentlichen identische Form aufweisen. Die Empfangsspulen 122 weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen 126 und mindestens zwei zweiten Teilwindungen 128 auf. Figur 4 zeigt zwei gegeneinander verdrehte
Empfangsspulen 122 für den möglichen Fall n = 4. Der Schaltungsträger 118 trägt die Empfangsspulen 122, wie in Figur 4 zu sehen. Der Schaltungsträger 118 kann insbesondere einen Schichtaufbau mit mehreren Ebenen umfassen.
Die ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128 der Empfangsspulen 122 können insbesondere jeweils mindestens einen ersten Abschnitt 144 und jeweils mindestens einen zweiten Abschnitt 146 aufweisen, wobei der erste Abschnitt 144 in einer ersten Ebene des Schaltungsträgers 118 verlaufen kann, wobei der zweite Abschnitt 146 in einer zweiten Ebene des Schaltungsträgers 118 verlaufen kann. Hierbei können die ersten Abschnitte 144 der ersten
Teilwindungen 126 mit den sich anschließenden zweiten Abschnitten 146 der ersten Teilwindungl26 mittels Vias 138 verbunden sein. Ebenso können die ersten Abschnitte 144 der zweiten Teilwindungen 128 mit den sich
anschließenden zweiten Abschnitten 146 der zweiten Teilwindung 128 mittels Vias 138 verbunden sein. Insbesondere kann jeder der die ersten Abschnitte 144 mit den zweiten Abschnitten 146 verbindenden Vias 138 entweder auf der äußeren Kreisbahn mit dem Radius ra oder auf der inneren Kreisbahn mit dem Radius n angeordnet sein, wie beispielsweise in den Figuren 2 und 4 zu sehen. Weiterhin können die Empfangsspulen 122 insbesondere als Planarspulen ausgebildet sein. Die Empfangsspulen 122 können insbesondere
rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse 112 sein.
Weiterhin können die Empfangsspulen 122 zumindest abschnittsweise sinusförmig geformt sein. Insbesondere kann sich die Form der Empfangsspule 122, insbesondere der ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128, aus einer Transformation von zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden
Funktionen auf eine Ringbahn um die Rotationsachse 112 als Zentrum ergeben, wobei bei der Transformation die Spiegelachse insbesondere auf eine Kreisbahn um die Rotationsachse mit Radius rm transformiert werden kann. Die Figuren 1A und 1B veranschaulichen in Zusammenschau beispielhaft eine solche
Transformation. Bei den zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden Funktionen 148 kann es sich beispielsweise um zwei gegeneinander verschobene, insbesondere um gegeneinander verschobene, sinusförmige Funktionen 148 handeln. Auch andere Funktionen 148 sind jedoch möglich. Insbesondere können die auf die Ringbahn transformierten Funktionen 148 in Schnittpunkten mit der Kreisbahn mit Radius rm stetig und differenzierbar sein.
Die Empfangsspulen 122 können insbesondere jeweils mindestens eine, bevorzugt zwei, Anschlussleiterbahnen 132 aufweisen, wie in Figur 6 dargestellt. Die Anschlussleiterbahnen 132 können jeweils insbesondere mit einer der ersten Teilwindungen 126 und/oder mit einer der zweiten Teilwindungen 128 der Empfangsspule 122 elektrisch verbunden sein. Die Anschlussleiterbahnen 132 können insbesondere aus dem Empfangsbereich 142 und dem Erregerbereich 124 herausgeführt sein, insbesondere parallel zueinander, und dabei einen Offset- Bereich 152 erzeugen, welcher zu einer Spannungsinduktion und damit insbesondere zu einem Offset-Signal der Empfangsspulen 122 beitragen kann. Mindestens eine der mindestens zwei Empfangsspulen 122 kann daher mindestens eine Kompensationsstruktur 134 aufweisen, wobei die
Kompensationsstruktur 134 eingerichtet ist, um mindestens ein von der
Empfangsspule 122, insbesondere von den Anschlussleiterbahnen 132 der Empfangsspule 122, erzeugtes Offset-Signal zumindest teilweise zu
kompensieren. Die Kompensationsstruktur 134 kann mindestens zwei
Kompensationsleiterbahnen 154 aufweisen, welche sich insbesondere direkt an die Anschlussleiterbahnen 132 anschließen, insbesondere in diese übergehen, können. Weiterhin können die Kompensationsleiterbahnen 154 gemeinsam eine im Wesentlichen rechteckige Kompensationsfläche 156 umspannen.
Insbesondere kann eine Länge lCOmp der rechteckigen Kompensationsfläche 156, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Tangente an eine Erregerwindung 158 verlaufen kann, 10 pm bis 800 pm, bevorzugt 50 pm bis 500 pm betragen. Weiterhin kann eine Breite wCOmp der rechteckigen Kompensationsfläche 156, welche im Wesentlichen parallel zu der Tangente an die Erregerwindung 158 verlaufen kann, 100 pm bis 8 mm, bevorzugt 300 pm bis 5 mm betragen. Ferner kann eine Größe der Kompensationsfläche 158 im Wesentlichen einer Größe des von den Anschlussleiterbahnen 132 umspannten Offset- Bereichs 152 entsprechen. Weiterhin können die Kompensationsleiterbahnen 154 zumindest abschnittsweise senkrecht zu den Anschlussleiterbahnen 132 verlaufen.
Das Sensorsystem weist mindestens eine Erregerspule 120 auf. Die Figuren 5A und 5B zeigen die Erregerspule 120 in einer Übersichtsansicht (5A) und in einer Detailansicht (5B). Die Erregerspule 120 kann mindestens eine Erregerwindung 158 umfassen. Die Erregerwindung 158 kann insbesondere im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein. Weiterhin kann die Erregerspule 120 mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei oder sogar mehr Erregerwindungen 158 umfassen. Die Erregerwindungen 158 können weiterhin im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse 112 angeordnet sein, wobei die
Erregerwindungen 158 jeweils mit mindestens einer benachbarten
Erregerwindung 158 mittels mindestens eines Verbindungsleiterstücks 160 verbunden sind. Insbesondere kann das Verbindungsleiterstück 160 quer zu einer Tangente an die kreisförmige Erregerwindung 158 verlaufen und mit dieser einen Winkel ß von 5° bis 75°, bevorzugt von 30° bis 60°, besonders bevorzugt von 40° bis 50° einschließen. Weiterhin kann ein Abstand d zwischen jeweils zwei benachbarten, kreisförmigen, konzentrisch angeordneten Erregerwindungen konstant sein, wie in Figur 5B gezeigt. Insbesondere kann die Erregerspule 120 mindestens eine Leiterbahn 162 umfassen. Insbesondere kann die
Erregerwindung 158 von der Leiterbahn 162 geformt sein. Insbesondere kann die Erregerspule 120 mit einer Wechselspannung von 1 Mhz bis 10 Mhz, bevorzugt von 2 bis 5 Mhz, besonders bevorzugt von 3,5 Mhz, beaufschlagt oder beaufschlagbar sein.
Beispielsweise kann die Erregerspule 120, insbesondere die Leiterbahn 162 der Erregerspule 120, den Erregerbereich 124 zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. So kann insbesondere die Leiterbahn 162 der Erregerspule 120 zumindest abschnittsweise kreisförmig ausgebildet sein und einen kreisförmigen und/oder zylinderförmigen Erregerbereich 124 abstecken. Insbesondere kann es sich bei dem Erregerbereich 124 um einen kreisförmigen Ausschnitt des Schaltungsträgers 118 handeln, wobei der kreisförmige
Ausschnitt durch die äußere der konzentrisch um die Rotationsachse 112 angeordneten kreisförmigen Erregerwindungen 158 begrenzt sein kann.
Insbesondere kann sich der Erregerbereich 124 dadurch auszeichnen, dass er bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms an die Erregerspule 120 derart von einem magnetischen Fluss durchsetzt ist, dass in einer in dem Erregerbereich 124 angeordneten Empfangsspule 120 aufgrund von induktiver Kopplung ein Signal induziert wird.
Das Sensorsystem 110 weist weiterhin ein Geberrad 114 mit Geberradprofil 116 auf. Figur 7 zeigt das Geberrad 114. Das Geberradprofil 116 kann insbesondere eine Vielzahl an Profilelementen 164 umfassen. Insbesondere kann das
Geberrad 114 mindestens, insbesondere genau, 2n Profilelemente 164 aufweisen, so dass die Anzahl von Profilelementen 164 mindestens,
insbesondere genau, der Summe der Anzahl von den n ersten Teilwindungen 126 und den n zweiten Teilwindungen 128 einer der mindestens zwei
Empfangsspulen 122 entspricht. Insbesondere können sich die benachbarten Profilelemente 164 in ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden.
Beispielsweise können sich elektrisch leitfähige Profilelemente 164 mit
Aussparungen oder mit elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Profilelementen 164 abwechseln, wie in Figur 7 zu sehen. Weiterhin kann eine Summe von Öffnungswinkeln von zwei benachbarten Profilelementen 164 360% ergeben und damit gleich dem Öffnungswinkel a des Messbereichs 135 des
Sensorsystems 110 sein. Figur 7 stellt ein solches Geberrad 114 für den möglichen Fall n = 3 dar. Insbesondere können benachbarte Profilelemente 164 denselben Öffnungswinkel g aufweisen, wobei g gleich dem halben
Öffnungswinkel a des Messbereichs 135 des Sensorsystems 110 sein kann. Insbesondere können die Öffnungswinkel von zwei, insbesondere jeweils zwei, benachbarten Profilelementen 164 gleich groß sein. Insbesondere kann das Geberrad 114 2n Profilelemente 164 aufweisen und die Öffnungswinkel g der 2n Profilelemente 164 können alle gleich groß sein und 360/(2n) betragen. Ferner kann das Geberrad 114 rotationssymmetrisch sein. Ein Abstand des Geberrads 114 von den Empfangsspulen 122 und der Erregerspule 120 kann bei
Verbindung des Geberrads 114 mit dem rotierenden Element 1 mm bis 30 mm, bevorzugt 2 mm bis 10 mm betragen. Das Geberrad 114 ist mit dem rotierenden Element verbindbar. Insbesondere kann das Gerberrad 114 mittels einer Schraubverbindung und/oder einer Klebverbindung mit dem rotierenden Element verbindbar sein. Weiterhin kann das Geberrad 114 mithilfe eines
Längspressverfahrens hergestellt sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines wie weiter oben bereits beschriebenen oder weiter unten noch näher beschriebenen Sensorsystems umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle der Verfahrensschrite auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschrite auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschriten auch weitere Verfahrensschrite umfassen.
Die Verfahrensschrite sind: in Schrit a) ein Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung an die Erregerspule (Verfahrensschrit 166), in Schrit b) Aufnehmen von mindestens zwei von der Erregerspule in den mindestens zwei Empfangsspulen erzeugten Signalen (Verfahrensschrit 168) und in Schrit c) ein Auswerten der Signale der Empfangsspulen und Ermiteln der Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mitels der aufgenommenen Signale (Verfahrensschrit 170). Figur 8 zeigt das Verfahren Das Auswerten der Signale in Schrit c) kann insbesondere ein Demodulieren der induzierten, aufgenommenen Signale der Empfangsspulen (122) mit einem Signal der Erregerspule (120) umfassen. Weiterhin kann das Auswerten ein Bestimmen von Betrag und Phase einer Kopplung zwischen der Erregerspule (120) und den Empfangsspulen (122) umfassen. Hierbei kann der Betrag kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Ferner kann Schrit c) ein
Multiplizieren des Betrags mit dem Cosinus der Phase umfassen. Weiter kann Schrit c) ein Bestimmen des Drehwinkels umfassen, insbesondere mithilfe der Anwendung der Arkustangens- Funktion.

Claims

Ansprüche
1. Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements, wobei das Sensorsystem (110), mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad (114) umfasst, wobei das Geberrad (114) eine Geberradprofil (116) aufweist, wobei das Sensorsystem (110) mindestens einen Schaltungsträger (118) umfasst, wobei der Schaltungsträger (118) mindestens eine Erregerspule (120) sowie mindestens zwei Empfangsspulen (122) trägt, wobei die Erregerspule (120) mindestens einen Erregerbereich (124) begrenzt, wobei die zwei Empfangsspulen (122) in dem Erregerbereich (124) angeordnet sind, wobei die Empfangsspulen (122) relativ zueinander um die Rotationsachse (112) verdreht angeordnet sind, wobei die
Empfangsspulen (122) jeweils die Rotationsachse (112) umschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen (122) jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen (126) und mindestens zwei zweiten Teilwindungen (128) aufweisen, wobei die ersten Teilwindungen (126) und die zweiten Teilwindungen (128) gegenläufig orientiert sind.
2. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Empfangsspulen (122) jeweils mindestens zwei Umkehrpunkte (136) aufweisen, wobei an den Umkehrpunkten (136) jeweils eine der ersten Teilwindungen (126) auf jeweils eine der zweiten Teilwindungen (128) derselben Empfangsspule (122) trifft.
3. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder
Umkehrpunkt (136) Bestandteil von genau einer Empfangsspule (122) ist.
4. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich für jede der Empfangsspulen (122) jede der ersten Teilwindungen (126) der Empfangsspule (122) jeweils mit mindestens einer der zweiten Teilwindungen (128) derselben Empfangsspule (122) mindestens einmal in mindestens einem Kreuzungspunkt (140) kreuzt, wobei die sich kreuzenden ersten (126) und zweiten Teilwindungen (128) in dem Kreuzungspunkt (140) in
verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers (118) verlaufen.
5. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Kreuzungspunkte (140) der mindestens zwei Empfangsspulen (122) auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit Radius rm um die Rotationsachse (112) angeordnet sind.
6. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangsspulen (122) jeweils mindestens einen Empfangsbereich (142) begrenzen, wobei die Empfangsbereiche (142) deckungsgleich sind.
7. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Empfangsbereiche (124) der Empfangsspulen (122) jeweils ringförmig ausgestaltet sind, wobei die Empfangsbereiche (142) konzentrisch um die Rotationsachse (112) angeordnet sind.
8. Sensorsystem (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der mindestens zwei Empfangsspulen (122) mindestens eine Kompensationsstruktur (134) aufweist, wobei die
Kompensationsstruktur (134) eingerichtet ist, um mindestens ein von der Empfangsspule (122) erzeugtes Offset-Signal zumindest teilweise zu kompensieren, wobei die Kompensationsstruktur (134) außerhalb des Empfangsbereichs (142) und außerhalb des Erregerbereichs (124) angeordnet ist.
9. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein Öffnungswinkel a eines Messbereichs (135) des Sensorsystems (110) aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen (126) oder von zweiten
Teilwindungen (128) als 360% ergibt.
10. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangsspulen (122) um einen Winkel F relativ zueinander um die
Rotationsachse (112) verdreht angeordnet sind, wobei sich F aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen (126) oder zweiten Teilwindungen (128) und aus der Anzahl m von Empfangsspulen (124) als 360°/ (2*n*m) ergibt.
11. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, die Erregerspule (120) mindestens eine Erregerwindung (158) umfasst, wobei die
Erregerwindungen (158) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Erregerwindungen (158) jeweils mit mindestens einer benachbarten Erregerwindung (158) mittels mindestens eines
Verbindungsleiterstücks (160) verbunden sind.
12. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Geberrad (114) eine Vielzahl von Profilelementen (164) umfasst, wobei die Vielzahl der Profilelemente (164) mindestens der Summe 2n der Anzahl n von den ersten Teilwindungen (126) und der Anzahl n von den zweiten Teilwindungen (128) einer der mindestens zwei Empfangsspulen (122) entspricht.
13. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine
Summe von Öffnungswinkeln von zwei benachbarten Profilelementen 360% ergibt.
14. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements, wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines Sensorsystems(llO) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
a) Aufnehmen von mindestens zwei von der Erregerspule (120) in den
mindestens zwei Empfangsspulen (122) erzeugten Signalen; und b) Auswerten der Signale und Ermitteln der Rotationseigenschaft mittels der Signale.
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