WO2022023179A1 - Lenksystem und sensormodul für ein lenksystem - Google Patents

Lenksystem und sensormodul für ein lenksystem Download PDF

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WO2022023179A1
WO2022023179A1 PCT/EP2021/070591 EP2021070591W WO2022023179A1 WO 2022023179 A1 WO2022023179 A1 WO 2022023179A1 EP 2021070591 W EP2021070591 W EP 2021070591W WO 2022023179 A1 WO2022023179 A1 WO 2022023179A1
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steering system
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Ingo Becker
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • G01L5/221—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to steering wheels, e.g. for power assisted steering

Definitions

  • the present invention relates to a steering system and a sensor module for a steering system.
  • the present invention relates to a sensor module for determining a steering torque transmitted by a steering system and an absolute steering angle.
  • the steering torque and the absolute steering angle can serve as input variables in electrical steering systems.
  • the steering torque and the absolute steering angle are used here, for example, to control an electronic actuation of a steering system in motor vehicles.
  • a sensor arrangement with a steering angle sensor and a steering moment sensor is used to detect the steering torque and the absolute steering angle.
  • Document DE 10 2010 020 599 A1 describes a sensor arrangement for motor vehicle steering systems with a torque sensor for magnetically determining a steering torque and a rotational angle sensor for magnetically determining an absolute steering angle.
  • the torque sensor and the angle of rotation sensor together use exactly one carrier element with magnetic coding to determine the steering torque and the absolute steering angle. Due to contaminants in the area of the sensor arrangement, in particular between the carrier element and the angle of rotation sensor and/or the torque sensor, there may be an increase in inaccuracy when detecting the steering torque and the absolute steering angle. Replacing the sensor arrangement in the event of a defect is only possible with great effort.
  • the present invention relates to a sensor module for a steering system of a vehicle.
  • the sensor module includes a torque sensor, which is designed to determine a steering torque transmitted by the steering system, and a rotation angle sensor, which is designed to determine an absolute steering angle of the steering system.
  • the sensor module includes a housing for accommodating the torque sensor and the rotary angle sensor, the housing having at least one connecting element for detachable attachment to the steering system.
  • the steering system is suitable, for example, for controlling a motor vehicle, such as a passenger vehicle (car) or truck (truck).
  • a motor vehicle such as a passenger vehicle (car) or truck (truck).
  • the steering torque is to be understood as a torque which is transmitted via the steering system in order to steer the vehicle.
  • the steering torque is, for example, the torque which, when a steering command is given by a driver of the vehicle, is introduced into the steering system and transmitted by the steering system to steer one or more wheels of the vehicle.
  • the absolute steering angle is, for example, an angle by which a shaft of the steering system provided for receiving and/or transmitting the steering torque is rotated overall relative to a reference position that the shaft assumes in a basic position of the steering system. With more than one "whole" or full revolution of the shaft from the reference position, the absolute steering angle assumes values of more than 360°, for example.
  • the angle of rotation sensor can be designed as a so-called “multi-turn sensor”, which is designed in particular to detect the absolute steering angle.
  • the torque sensor and the angle of rotation sensor are designed in particular for “contactless” detection of the steering torque or the absolute steering angle.
  • the absolute steering angle can assume both positive and negative values, depending on the direction of rotation of the shaft relative to the reference position.
  • the housing can at least partially enclose the torque sensor and the angle of rotation sensor and, for accommodating these sensors inside the housing, can comprise means for arranging the torque sensor and the angle of rotation sensor inside the housing.
  • the housing can at least reduce the penetration of dirt, dust and/or moisture to the sensors. In this way, contamination in the area of the sensors can be reduced and an associated deterioration in inaccuracy when detecting the absolute steering angle and steering torque can be reduced.
  • the sensor module Due to the detachable attachment of the housing to the steering system, the sensor module is interchangeable. This means that the sensor module can be replaced for maintenance purposes, for example.
  • the sensors can be brought together into a position for (non-contact) detection of the steering torque and the absolute steering angle.
  • the connecting element has at least one recess for a screw connection for connection to the steering system.
  • the connecting element has at least one plug-in element for the plug-in connection to the steering system.
  • the plug-in element is designed, for example, in such a way that the sensor module can be attached to the steering system and/or detached from the steering system without the use of tools.
  • the housing completely encloses the torque sensor and the angle of rotation sensor.
  • the housing surrounds the torque sensors and the angle of rotation sensor, for example, in every direction. As a result, the penetration of dirt, dust and/or moisture from all directions and thus overall contamination in the area of the sensors can be reduced, at least within the housing.
  • the housing is sealed in a dustproof and/or watertight manner.
  • the dust-tight and/or watertight housing can ideally completely prevent dust or moisture/water from penetrating to the sensors.
  • the torque sensor is designed to magnetically determine the steering torque in interaction with a magnet arrangement which is arranged on a shaft of the steering system for recording the steering torque.
  • the angle of rotation sensor can be designed to determine the absolute steering angle magnetically in interaction with the magnet arrangement.
  • the shaft corresponds, for example, to a steering column of the steering system.
  • the magnet arrangement comprises, for example, a plurality of differently aligned magnets which are arranged around the shaft in the circumferential direction.
  • the magnet arrangement can be arranged on the shaft in a rotationally fixed (“integrated”) manner.
  • the rotation angle sensor includes, for example, one or more magnetic field sensors and a magnetoresistive structure whose electrical resistance changes with a change in a magnetic field emanating from the magnet arrangement.
  • the magnetic field sensors can measure a magnetic flux density of a magnetic field emanating from the magnet arrangement.
  • the measured magnetic flux density and the electrical resistance of the magnetoresistive structure can be used to record the absolute steering angle. This enables contactless and magnetic detection of the absolute steering angle.
  • the torque sensor includes a magnetic field sensor, for example.
  • the magnetic field sensor is designed, for example, to determine the magnetic flux density of the magnetic field, the value of which depends in particular on the steering torque. This enables non-contact and magnetic detection of the steering torque.
  • a housing side of the housing that faces the magnet arrangement is permeable to a magnetic field of the magnet arrangement.
  • the side of the housing facing the magnet arrangement is made, for example, at least partially from paramagnetic and/or diamagnetic material. In particular, this allows magnetic detection of the absolute steering angle and steering torque, as described above. At the same time, the penetration of dirt, dust and/or moisture to the sensors can be reduced by the arrangement of the magnets.
  • the sensor module includes at least one magnetic flux concentrator, which is designed to conduct a magnetic field of the magnet arrangement to the torque sensor or the angle of rotation sensor.
  • this improves the signal quality of the torque and/or angle of rotation sensor, for example.
  • Better signal quality means, for example, greater accuracy when detecting the absolute steering angle or the steering torque.
  • the torque sensor includes a first magnetic field sensor and at least one second magnetic field sensor.
  • the sensor module includes a torque sensor for determining the steering torque electromagnetically, optically, capacitively, or inductively.
  • the torque sensor and the rotary angle sensor are mounted on a common printed circuit board.
  • the sensor module includes an interface coupled to the torque sensor and the angle of rotation sensor for outputting a signal generated by the torque sensor and the angle of rotation sensor.
  • the signal includes, for example, sensor data from the torque sensor for determining the steering torque and other sensor data from the angle of rotation sensor for determining the absolute steering angle. Therefore, both the absolute steering angle and the steering torque can be determined using the signal.
  • the interface is, for example, an interface for serial or parallel data transmission.
  • the interface can be used to acquire the sensor data from both the torque sensor and the angle of rotation sensor, separate interfaces for the torque sensor and the angle of rotation sensor can be dispensed with. This can save costs.
  • the present invention relates to a steering system for a vehicle.
  • the steering system includes one of the previous exemplary embodiments of a sensor module for determining a steering torque transmitted by the steering system and an absolute steering angle.
  • FIG. 1 shows a sensor module for determining an absolute steering angle and a steering torque in a steering system
  • 2a shows a counting device for determining the absolute steering angle in a first scenario
  • Fig. 1 shows a sensor module 100 for determining an absolute steering angle and a steering torque in a steering system 200.
  • sensor module 100 includes two torque sensors 110 for determining a steering torque transmitted by steering system 200 .
  • the sensor module 100 includes a rotation angle sensor 120 for determining the absolute steering angle.
  • the sensor module 100 has a housing 130 for accommodating the torque sensors 110 and the angle of rotation sensor 120 .
  • the housing 130 has a connecting element 132 on opposite sides of the housing.
  • the connecting elements 132 are each provided with a recess 134 for a screw connection for attachment to the steering system 200.
  • the connecting elements can each be carried out as a clip, which is used for a plug-in connection with the steering system.
  • the torque sensors 110 and the angle of rotation sensor 120 are each designed as an application-specific integrated circuit (ASIC) and applied to a common printed circuit board 140 .
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the torque sensors 110 and the rotation angle sensor 120 of the sensor module 130 are attached in the radial direction adjacent to a rotatable shaft 210 of the steering system 200 provided for transmitting the steering torque and to a magnet arrangement 212 arranged around the shaft 210 .
  • the shaft 210 is rotatable relative to the sensor module 100 .
  • the magnet arrangement 212 has a plurality of magnets arranged adjacently in the circumferential direction, as a result of which an arrangement of magnetic polarities that changes in the circumferential direction, a so-called “magnetic coding”, is formed.
  • the magnet arrangement 212 is, for example, non-rotatably coupled to the shaft 210 .
  • the magnetic coding of the magnet arrangement 212 is rotated relative to the sensor module 100 so that the magnetic poles are moved past the rotation angle sensor 120 .
  • the rotation angle sensor 120 includes, for example, a magnetic field sensor and a counting device.
  • the magnetic field sensor can measure a magnetic flux density of a magnetic field emanating from the magnet arrangement.
  • the counting device is designed to detect a total number of magnetic poles that have moved past the angle of rotation sensor 120 in a first or second direction of rotation when the shaft 210 is rotated relative to a reference position. Knowing the angular segments assigned to the magnetic poles, the absolute steering angle can be inferred using the detected number of magnetic poles that were moved past the rotation angle sensor 120 and the measured magnetic flux density.
  • the counting device 290 comprises a so-called “domain wall generator” 292 and a magnetoresistive structure 294 coupled to it.
  • domain wall generator 292 changes its magnetization and thereby creates a domain wall 296.
  • the domain wall 296 accumulates in order to achieve an energetically favorable state within the magnetoresistive structure 294.
  • 2a shows a first state of the counting device 290 in which no domain wall has (yet) accumulated within the magnetoresistive structure 294.
  • FIG. The first state indicates, for example, the reference position of shaft 210.
  • FIG. 2b shows a second state of the counting device 290, in which the domain wall 296 has accumulated within the magnetoresistive structure 294.
  • FIG. The second state occurs, for example, when the shaft 210 is rotated by a specific angle segment, so that exactly one magnetic polarity of the magnet arrangement 212 has been moved past the counting device 290 .
  • FIG. 2a and 2b each show a diagram 280 in which, by way of example, a course 298 of the electrical resistance of the magnetoresistive structure 294 is plotted against the rotation of the shaft 210.
  • FIG. 2a and 2b each show a diagram 280 in which, by way of example, a course 298 of the electrical resistance of the magnetoresistive structure 294 is plotted against the rotation of the shaft 210.
  • a first resistance value 298a of the magnetoresistive structure 294 in the first state of the counting device 290 is lower than a second resistance value 298b of the magnetoresistive structure 294 in the second state of the counting device 290.
  • the absolute steering angle can be deduced from the measured magnetic flux density and the electrical resistance of the magnetoresistive structure 294 .
  • the torque sensors 110 each include, for example, a magnetic field sensor (not shown) for magnetic determination of the steering torque.
  • yoke structures are used to determine the steering torque, which are arranged together with the magnet arrangement on an input and output shaft with a so-called “torsion bar", which twists to different degrees depending on the steering torque.
  • This allows the yoke structures to rotate relative to the magnet assembly 212 depending on the steering torque. Twisting of the yoke structures relative to the magnet arrangement 212 can in turn affect a magnetic flux density of a magnetic field emanating from the magnet arrangement 212 at the torque sensors 110, so that different values for the magnetic flux density result at the torque sensors 110 depending on the steering torque. Therefore, conclusions can be drawn about the steering torque from a value for the magnetic flux density, which is measured by the magnetic field sensors.
  • multiple torque sensors serves in particular to increase the reliability of the sensor module compared to a single torque sensor due to a redundancy of the multiple torque sensors relative to one another.
  • robustness and diagnostic capability can be increased compared to an individual torque sensor.
  • the magnetic determination of the absolute steering angle and the steering torque means in particular a non-contact determination of this.
  • no mechanical coupling of the shaft 210 to the sensor module 100 is required when the sensor module 100 is installed, for example by means of a gear.
  • the expense and susceptibility to errors in assembly are lower than in the case of sensor arrangements which have a mechanical coupling to steering systems.
  • a so-called “blind assembly” is possible with the sensor module 100, for example.
  • the sensor module 100 shown here can be understood as “gerieless”.
  • the housing 130 can be designed to be impervious to dirt and moisture, since there is no mechanical coupling of the steering system to the sensor module 100 through the housing 130 .
  • the housing 130 is, for example, waterproof and/or dustproof in order to ideally prevent dirt or contamination inside the housing 130, which would influence the magnetic field of the magnet arrangement 212.
  • housing side 136 pointing towards the magnet arrangement 212 is permeable to the magnetic field emanating from the magnet arrangement 212 .
  • housing side 136 is at least partially fabricated from a diamagnetic or paramagnetic and non-conductive material.
  • the housing side 136 is adapted to a shape of the magnet arrangement 212 such that the housing side 136 runs parallel to the magnet arrangement 212 . Possible contamination can therefore only occur in an air gap between the Magnetan regulation 212 of the housing side 136. In general, the contamination can thus be lower compared to exemplary embodiments with a different configuration of the housing side pointing towards the magnet arrangement 212 .
  • the sensor module 100 has magnetic flux concentrators 160 , a pair of which is assigned to one of the torque sensors 110 and the angle of rotation sensor 120 .
  • the torque sensors 110 and the angle of rotation sensor 120 each generate, for example, a digital signal that indicates the steering torque or the absolute angle of rotation. These signals can be forwarded to an interface 150 via the printed circuit board 140 and can be taken out of the housing 130 through this, so that the signals can be picked up outside of the housing 130 for further processing.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung auf ein Sensormodul (100) für ein Lenksystem (200) eines Fahrzeugs. Das Sensormodul (100) umfasst einen Drehmomentsensor (110), welcher ausgebildet ist, um ein von dem Lenksystem (200) übertragenes Lenkmoment zu ermitteln und einen Drehwinkelsensor (120), welcher ausgebildet ist, um einen absoluten Lenkwinkel des Lenksystems (200) zu ermitteln. Zudem umfasst das Sensormodul (100) ein Gehäuse (130) zur Aufnahme des Drehmomentsensors (110) und des Drehwinkelsensors (120), wobei das Gehäuse (130) zumindest ein Verbindungselement (132) zur lösbaren Anbringung an dem Lenksystem (200) aufweist.

Description

Lenksvstem und Sensormodul für ein Lenksvstem
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lenksystem und ein Sensormodul für ein Lenksystem. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Sen sormodul zum Bestimmen eines von einem Lenksystem übertragenen Lenkmoments und eines absoluten Lenkwinkels.
Bei Kraftfahrzeugen können bei elektrischen Lenksystemen das Lenkmoment und der absolute Lenkwinkel als Eingangsgrößen dienen. Das Lenkmoment und der ab solute Lenkwinkel werden hierbei beispielsweise zur Regelung einer elektronischen Betätigung einer Lenkung von Kraftfahrzeugen verwendet.
In bekannten Konzepten wird zur Erfassung des Lenkmoments und des absoluten Lenkwinkels eine Sensoranordnung mit einem Lenkwinkelsensor und einem Lenkmo mentsensor verwendet.
Dokument DE 10 2010 020 599 A1 beschreibt eine Sensoranordnung für Kraftfahr zeug-Lenksysteme mit einem Drehmomentsensor zur magnetischen Bestimmung ei nes Lenkmoments und einem Drehwinkelsensor zur magnetischen Bestimmung ei nes absoluten Lenkwinkels. Der Drehmomentsensor und der Drehwinkelsensor nut zen gemeinsam genau ein Trägerelement mit einer magnetischen Codierung zur Be stimmung des Lenkmoments und des absoluten Lenkwinkels. Aufgrund von Kontami nationen im Bereich der Sensoranordnung, insbesondere zwischen dem Trägerele ment und dem Drehwinkel- und/oder dem Drehmomentsensor, kann es zur Erhöhung einer Ungenauigkeit beim Erfassen des Lenkmoments und des absoluten Lenkwin kels kommen. Eine Austauschbarkeit der Sensoranordnung im Falle eines Defektes ist nur unter großem Aufwand möglich.
Daher besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Konzept zur Erfassung eines Lenkmoments und eines absoluten Lenkwinkels, insbesondere zur Verringerung ei ner durch Kontaminationen bedingten Ungenauigkeit beim Erfassen des Lenkmo ments und des absoluten Lenkwinkels. Diesem Bedarf kann durch den Gegenstand der hierin offenbarten unabhängigen und abhängigen Ansprüche nachgekommen werden.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Sensor modul für ein Lenksystem eines Fahrzeugs. Das Sensormodul umfasst einen Dreh momentsensor, welcher ausgebildet ist, um ein von dem Lenksystem übertragenes Lenkmoment zu ermitteln und einen Drehwinkelsensor, welcher ausgebildet ist, um einen absoluten Lenkwinkel des Lenksystems zu ermitteln. Zudem umfasst das Sen sormodul ein Gehäuse zur Aufnahme des Drehmomentsensors und des Drehwin kelsensors, wobei das Gehäuse zumindest ein Verbindungselement zur lösbaren An bringung an dem Lenksystem aufweist.
Das Lenksystem ist beispielsweise zum Steuern eines Kraftfahrzeugs, wie beispiels weise eines Personenkraftfahrzeugs (Pkw) oder Lastkraftfahrzeugs (Lkw) geeignet.
Das Lenkmoment ist als ein Drehmoment zu verstehen, welches zum Steuern des Fahrzeugs über das Lenksystem übertragen wird. Das Lenkmoment ist beispiels weise das Drehmoment, welches bei einem Lenkbefehl durch einen Fahrer des Fahr zeugs in das Lenksystem eingeleitet und zur Lenkung eines oder mehrerer Räder des Fahrzeugs von dem Lenksystem übertragen wird.
Als der absolute Lenkwinkel ist beispielsweise ein Winkel zu verstehen, um welchen eine zur Aufnahme und/oder Übertragung des Lenkmoments vorgesehene Welle des Lenksystems gegenüber einer Referenzposition, welche die Welle in einer Grundstel lung des Lenksystems annimmt, insgesamt verdreht ist. Bei mehr als einer „ganzen“ oder vollen Umdrehungen der Welle aus der Referenzposition heraus nimmt der ab solute Lenkwinkel beispielsweise Werte von über 360° an.
Der Drehwinkelsensor kann dementsprechend als ein sogenannter „Multi-turn-Sen- sor“ ausgebildet sein, welche insbesondere zur Erfassung des absoluten Lenkwin kels ausgebildet ist. Der Drehmomentsensor und der Drehwinkelsensor sind insbesondere zur „berüh rungslosen“ Erfassung des Lenkmoments, beziehungsweise des absoluten Lenkwin kels ausgebildet.
Im Allgemeinen kann der absolute Lenkwinkel je nach Richtung einer Verdrehung der Welle gegenüber der Referenzposition sowohl positive, als auch negative Werte annehmen.
Das Gehäuse kann den Drehmomentsensor und den Drehwinkelsensor zumindest teilweise umschließen und zur Aufnahme dieser Sensoren im Inneren des Gehäuses Mittel zur Anordnung des Drehmomentsensors und des Drehwinkelsensors innerhalb des Gehäuses umfassen. Durch das Gehäuse kann ein Vordringen von Schmutz, Staub und/oder Feuchtigkeit zu den Sensoren zumindest reduziert werden. Somit kann eine Kontamination im Bereich der Sensoren verringert und eine damit einher gehende Verschlechterung einer Ungenauigkeit beim Erfassen des absoluten Lenk winkels und Lenkmoments reduziert werden.
Durch die lösbare Anbringung des Gehäuses an dem Lenksystem ist das Sensormo dul austauschbar. Somit kann der Sensormodul zum Beispiel zu Wartungszwecken ausgetauscht werden.
Durch (äußeres) Anbringen des Gehäuses an dem Lenksystem können die Sensoren gemeinsam in Position zum (berührungslosen) Erfassen des Lenkmoments und des absoluten Lenkwinkels gebracht werden.
In Ausführungsbeispielen, in welchen die Sensoren zum berührungslosen Erfassen des Lenkmoments und des absoluten Lenkwinkels ausgebildet sind, ist bei der An bringung des Sensormoduls an dem Lenksystem beispielsweise keine mechanische Kopplung („ohne Lenkwinkelgetriebe“) mit dem Lenksystem erforderlich. Gegenüber Konzepten, welche eine mechanische Kopplung (mit Lenkwinkelgetriebe) mit dem Lenksystem zur Erfassung des Lenkmoments und des absoluten Lenkwinkels vorse hen, kann sich daher ein geringerer Montageaufwand bei der Anbringung des Sen sormoduls ergeben. In manchen Ausführungsbeispielen weist das Verbindungselement zumindest eine Ausnehmung für eine Verschraubung zur Verbindung mit dem Lenksystem auf.
In manchen Ausführungsbeispielen weist das Verbindungselement zumindest ein Steckelement zur steckbaren Verbindung mit dem Lenksystem auf.
Das Steckelement ist beispielsweise derart ausgeführt, so dass das Sensormodul ohne Einsatz von Werkzeug an dem Lenksystem angebracht und/oder von dem Lenksystem gelöst werden kann.
In manchen Ausführungsbeispielen umgibt das Gehäuse den Drehmomentsensor und den Drehwinkelsensor vollständig.
Das Gehäuse umgibt den Drehmomentsensoren den Drehwinkelsensor beispiels weise in jeder Richtung. Dadurch kann das Vordringen von Schmutz, Staub und/oder Feuchtigkeit aus allen Richtungen und damit eine insgesamte Kontamination im Be reich der Sensoren zumindest innerhalb des Gehäuses reduziert werden.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse staubdicht und/oder wasserdicht abgedichtet.
Durch das staubdichte und/oder wasserdichte Gehäuse kann das Vordringen von Staub, beziehungsweise Feuchtigkeit/Wasser zu den Sensoren idealerweise voll ständig verhindert werden.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Drehmomentsensor ausgebildet, um das Lenkmoment in Wechselwirkung mit einer Magnetanordnung, welche auf einer Welle des Lenksystems zur Aufnahme des Lenkmoments angeordnet ist, magnetisch zu er mitteln. Der Drehwinkelsensor kann ausgebildet sein, um den absoluten Lenkwinkel in Wechselwirkung mit der Magnetanordnung magnetisch zu ermitteln. Die Welle entspricht zum Beispiel einer Lenksäule des Lenksystems.
Die Magnetanordnung umfasst beispielsweise mehrere verschieden ausgerichtete Magnete, welche in Umfangsrichtung um die Welle angeordnet sind. Zudem kann die Magnetanordnung drehfest („integriert“) auf der Welle angeordnet sein.
Der Drehwinkelsensor umfasst beispielsweise einen oder mehrere Magnetfeldsenso ren und eine magnetoresistive Struktur, deren elektrischer Widerstand sich mit einer Änderung eines von der Magnetanordnung ausgehenden Magnetfelds ändert. Die Magnetfeldsensoren können eine magnetische Flussdichte eines von der Magnetan ordnung ausgehenden Magnetfeldes messen. Zum Erfassen des absoluten Lenkwin kels kann die gemessene magnetische Flussdichte und der elektrische Widerstand der magnetoresistiven Struktur herangezogen werden. Dies ermöglicht eine berüh rungslose und magnetische Erfassung des absoluten Lenkwinkels.
Der Drehmomentsensor umfasst beispielsweise einen Magnetfeldsensor. Der Mag netfeldsensor ist beispielsweise ausgebildet, um die magnetische Flussdichte des Magnetfelds zu ermitteln, deren Wert insbesondere abhängig von dem Lenkmoment ist. Dadurch ist eine berührungslose und magnetische Erfassung des Lenkmoments möglich.
Bei der berührungslosen Erfassung ist beispielsweise keine mechanische Koppelung des Drehmomentsensors oder des Drehwinkelsensors mit dem Lenksystem erforder lich. Zum Beispiel ist es nicht erforderlich die Lenksäule über ein Getriebe mit den Sensoren zu koppeln.
In manchen Ausführungsbeispielen ist eine zu der Magnetanordnung weisende Ge häuseseite des Gehäuses durchlässig für ein Magnetfeld der Magnetanordnung.
Die zu der Magnetanordnung weisende Gehäuseseite ist beispielsweise zumindest teilweise aus paramagnetischem und/oder diamagnetischem Material gefertigt. Dies erlaubt insbesondere eine, wie vorhergehend beschriebene, magnetische Erfas sung des absoluten Lenkwinkels und Lenkmoments. Gleichzeitig kann das Vordrin gen von Schmutz, Staub und/oder Feuchtigkeit zu den Sensoren von der Magnetan ordnung her reduziert werden.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Sensormodul zumindest einen Mag netflusskonzentrator, welcher ausgebildet ist, um ein Magnetfeld der Magnetanord nung zu dem Drehmomentsensor oder dem Drehwinkelsensor zu leiten.
Wie für einen Fachmann verständlich ist, wir dadurch beispielsweise die Signalgüte des Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensors verbessert. Eine bessere Signalgüte bewirkt beispielsweise eine höhere Genauigkeit beim Erfassen des absoluten Lenk winkels, beziehungsweise des Lenkmoments.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Drehmomentsensor einen ersten Magnetfeldsensor und zumindest einen zweiten Magnetfeldsensor.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Sensormodul einen Drehmoments ensor zur elektromagnetischen, optischen, kapazitiven oder induktiven Bestimmung des Lenkmoments.
In manchen Ausführungsbeispielen sind der Drehmomentsensor und der Drehwin kelsensor auf einer gemeinsamen Leiterplatte angebracht.
Gegenüber Konzepten, die vorsehen den Drehmomentsensor und den Drehwin kelsensors auf separaten Leiterplatten anzubringen, kann auf diese Weise eine An zahl an Bauteilen reduziert und damit Produktionskosten verringert werden.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Sensormodul eine mit dem Drehmo mentsensor und Drehwinkelsensor gekoppelte Schnittstelle zur Ausgabe eines von dem Drehmomentsensor und dem Drehwinkelsensor erzeugten Signals. Das Signal umfasst zum Beispiel Sensordaten des Drehmomentsensors zur Bestim mung des Lenkmoments und weiterer Sensordaten des Drehwinkelsensors zur Be stimmung des absoluten Lenkwinkels. Daher können sowohl der absolute Lenkwin kel, als auch das Lenkmoment anhand des Signals bestimmt werden.
Die Schnittstelle ist beispielsweise eine Schnittstelle zur seriellen oder parallelen Da tenübertragung.
Dadurch, dass die Schnittstelle zur Erfassung der Sensordaten sowohl des Drehmo mentsensors als auch des Drehwinkelsensors genutzt werden kann, kann von jeweils separaten Schnittstellen für den Drehmomentsensor und den Drehwinkelsensor ab gesehen werden. Dadurch können Kosten eingespart werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Lenk system für ein Fahrzeug. Das Lenksystem umfasst eines der vorhergehenden Aus führungsbeispiele eines Sensormoduls zum Bestimmen eines von dem Lenksystem übertragenen Lenkmoments und eines absoluten Lenkwinkels.
Einige Beispiele von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachfolgend be zugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Sensormodul zur Bestimmung eines absoluten Lenkwinkels und eines Lenkmoments bei einem Lenksystem;
Fig. 2a eine Zähleinrichtung zum Bestimmen des absoluten Lenkwinkels in einem ersten Szenario; und
Fig. 2b die Zähleinrichtung zum Bestimmen des absoluten Lenkwinkels in einem zweiten Szenario. Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsbeispiele in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht be absichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschrän ken, sondern dass Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche funktionale und/oder strukturelle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfin dung liegen, abdecken sollen.
Fig. 1 zeigt ein Sensormodul 100 zur Bestimmung eines absoluten Lenkwinkels und eines Lenkmoments bei einem Lenksystem 200.
Das Sensormodul 100 umfasst im gezeigten Beispiel zwei Drehmomentsensoren 110 zum Ermitteln eines von dem Lenksystem 200 übertragenen Lenkmoments. Zudem umfasst das Sensormodul 100 einen Drehwinkelsensor 120 zum Ermitteln des abso luten Lenkwinkels. Ferner weist das Sensormodul 100 ein Gehäuse 130 zur Aufnahme der Drehmomentsensoren 110 und des Drehwinkelsensors 120 auf. Zur lösbaren An bringung des Sensormoduls 100 an dem Lenksystem 200 weist das Gehäuse 130 an gegenüberliegenden Gehäuseseiten jeweils ein Verbindungselement 132 auf.
Im gezeigten Beispiel sind die Verbindungselemente 132 jeweils mit einer Ausneh mung 134 für eine Schraubverbindung zur Anbringung an dem Lenksystem 200 ver sehen. Alternativ können die Verbindungselemente jeweils als eine Klammer ausge führt sein, welche einer steckbaren Verbindung mit dem Lenksystem dient.
Die Drehmomentsensoren 110 und der Drehwinkelsensors 120 sind jeweils als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch: application-specific integrated Circuit, ASIC) ausgeführt und auf einer gemeinsamen Leiterplatte 140 aufgebracht.
Die Drehmomentsensoren 110 und der Drehwinkelsensors 120 des Sensormoduls 130 sind in radialer Richtung benachbart zu einer zum Übertragen des Lenkmoments vorgesehenen drehbaren Welle 210 des Lenksystems 200 und einer um die Welle 210 angeordneten Magnetanordnung 212 angebracht. Die Welle 210 ist gegenüber dem Sensormodul 100 drehbar. Die Magnetanordnung 212 weist eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Magneten auf, wodurch eine in Umfangsrichtung wechselnde Anord nung magnetischer Polungen, eine sogenannte „magnetische Kodierung“, gebildet wird. Die Magnetanordnung 212 ist beispielsweise drehfest mit der Welle 210 gekop pelt.
Beim Drehen der Welle 210 wird die magnetische Kodierung der Magnetanordnung 212 gegenüber dem Sensormodul 100 verdreht, so dass die magnetischen Polungen an den Drehwinkelsensors 120 vorbeibewegt werden.
Der Drehwinkelsensor 120 umfasst beispielsweise einen Magnetfeldsensor und eine Zähleinrichtung. Der Magnetfeldsensor kann eine magnetische Flussdichte eines von der Magnetanordnung ausgehenden Magnefeldes messen. Die Zähleinrichtung ist ausgebildet, um eine Anzahl der magnetischen Polungen zu detektieren, welche sich insgesamt beim Verdrehen der Welle 210 gegenüber einer Referenzposition in einer ersten oder zweiten Drehrichtung an dem Drehwinkelsensor 120 vorbeibewegt haben. In Kenntnis von den magnetischen Polungen zugeordneten Winkelsegmenten kann unter Verwendung der detektierten Anzahl der magnetischen Polungen, die an dem Drehwinkelsensors 120 vorbeibewegt wurden, und der gemessenen magnetischen Flussdichte auf den absoluten Lenkwinkel geschlossen werden.
Fig. 2a und 2b zeigen beispielhaft ein mögliches Funktionsprinzip einer solchen Zäh leinrichtung
Fig. 2a und 2b zeigen beispielhaft eine Zähleinrichtung 290. Die Zähleinrichtung 290 umfasst einen sogenannten „Domänenwandgenerator“ 292 und eine mit diesem ge koppelte magnetoresistive Struktur 294. Wenn sich unterschiedliche magnetische Po lungen an der Zähleinrichtung 290 vorbeibewegen, ändert der Domänenwandgenera tor 292 seine Magnetisierung und erzeugt dabei eine Domänenwand 296. Die Domä nenwand 296 lagert sich, um einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen inner halb der magnetoresistiven Struktur 294 an. Fig. 2a zeigt einen ersten Zustand der Zähleinrichtung 290, in welchem sich (noch) keine Domänenwand innerhalb der magnetoresistiven Struktur 294 angelagert hat. Der erste Zustand kennzeichnet beispielsweise die Referenzposition der Welle 210.
Fig. 2b zeigt einen zweiten Zustand der Zähleinrichtung 290, in welchem sich die Do mänenwand 296 innerhalb der magnetoresistiven Struktur 294 angelagert hat. Der zweite Zustand tritt beispielsweise auf, wenn die Welle 210 um ein bestimmtes Win kelsegment verdreht ist, so dass genau eine magnetische Polung der Magnetanord nung 212 an der Zähleinrichtung 290 vorbeibewegt wurde.
Je weiter die Welle 210 gegenüber der Referenzposition verdreht ist, desto mehr Do mänenwände können sich nach dem vorhergehend beschriebenen Prinzip in der mag netoresistiven Struktur 294 anlagern. Je nach Anzahl und Polarität der in der magne toresistiven Struktur 294 angelagerten Domänenwände kann sich ein elektrischer Wi derstand der magnetoresistiven Struktur 294 ändern.
Fig. 2a und 2b zeigen jeweils ein Diagramm 280, in welchem beispielhaft ein Verlauf 298 des elektrischen Widerstands der magnetoresistiven Struktur 294 gegen die Ver drehung der Welle 210 aufgetragen ist.
Wie anhand von Fig. 2a und 2b zu sehen ist, ist ein erster Widerstandswert 298a der magnetoresistiven Struktur 294 im ersten Zustand der Zähleinrichtung 290 geringer als ein zweiter Widerstandswert 298b der magnetoresistiven Struktur 294 im zweiten Zustand der Zähleinrichtung 290.
Anhand der gemessenen magnetischen Flussdichte und des elektrischen Widerstands der magnetoresistiven Struktur 294 kann auf den absoluten Lenkwinkel geschlossen werden.
Die Drehmomentsensoren 110 umfassen beispielsweise jeweils einen Magnetfeld sensor (nicht gezeigt) zur magnetischen Bestimmung des Lenkmoments. Zur Bestim mung des Lenkmoments werden beispielsweise Joch Strukturen verwendet, welche zu- sammen mit der Magnetanordnung auf einer Ein- und Ausgangswelle mit einem soge nannten „Torsionsstab“ angeordnet sind, welcher sich abhängig von dem Lenkmoment unterschiedlich stark verwindet. Dadurch können sich die Jochstrukturen abhängig von dem Lenkmoment zur Magnetanordnung 212 verdrehen. Verdrehungen der Jochstruk turen zur Magnetanordnung 212 können sich wiederum auf eine an den Drehmo mentsensoren 110 herrschende magnetische Flussdichte eines von der Magnetanord nung 212 ausgehenden Magnetfeldes auswirken, so dass je nach Lenkmoment unter schiedliche Werte für die magnetische Flussdichte bei den Drehmomentsensoren 110 ergeben. Daher kann von einem Wert für die magnetischen Flussdichte, welcher je weils von den Magnetfeldsensoren gemessen wird, auf das Lenkmoment geschlossen werden.
Die Verwendung mehrerer Drehmomentsensoren, wie in dem in Fig. 1 gezeigten Bei spiel, dient insbesondere einer Erhöhung einer Ausfallsicherheit des Sensormoduls gegenüber eines einzelnen Drehmomentsensors aufgrund einer Redundanz der meh reren Drehmomentsensoren zueinander. Zudem kann dadurch gegenüber einem ein zelnen Drehmomentsensor eine Robustheit und eine Diagnosefähigkeit erhöht wer den.
Die magnetische Bestimmung des absoluten Lenkwinkels und des Lenkmoments be deutet insbesondere eine berührungslose Bestimmung dieser. Somit ist keine mecha nische Koppelung der Welle 210 mit dem Sensormodul 100 bei einer Montage des Sensormoduls 100, zum Beispiel mittels eines Getriebes, erforderlich. Dadurch sind beispielsweise ein Aufwand und eine Fehleranfälligkeit der Montage geringer als bei Sensoranordnungen, welche eine mechanische Koppelung mit Lenksystemen vorse hen. Bei der Montage des Sensormoduls 100 ist es zum Beispiel gegenüber solcher Sensoranordnungen nicht erforderlich darauf zu achten, dass das oben genannte Ge triebe korrekt mit dem Lenksystem gekoppelt ist, um Schäden, die zum Beispiel von einem ungewollten Zahnsprung herrühren, zu vermeiden. Im Gegensatz dazu ist bei dem Sensormodul 100 zum Beispiel eine sogenannte „Blindmontage“ möglich. Gegenüber Sensoranordnungen, die eine mechanische Kopplung mit dem Lenksys tem über ein Getriebe vorsehen, kann das hier gezeigte Sensormodul 100 als „getrie belos“ verstanden werden.
Ein Vorteil der berührungslosen Bestimmung kann darin gesehen werden, dass das Gehäuse 130 dicht gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit gestaltet werden kann, da eine mechanischen Kopplung des Lenksystems mit dem Sensormodul 100 durch das Gehäuse 130 entfällt.
Das Gehäuse 130 ist, wie in Fig. 1 angedeutet, beispielsweise wasserdicht und/oder staubdicht, um Verschmutzungen oder Kontaminationen innerhalb des Gehäuses 130, welche das Magnetfeld der Magnetanordnung 212 beeinflussen, idealerweise zu ver hindern.
Um eine magnetische Bestimmung des Lenkmoments und des absoluten Drehwinkels durch die Drehmomentsensoren, beziehungsweise den Drehwinkelsensor zu ermögli chen, ist eine zu der Magnetanordnung 212 weisende Gehäuseseite 136 für das von der Magnetanordnung 212 ausgehende Magnetfeld durchlässig. Die Gehäuseseite 136 ist zum Beispiel zumindest teilweise aus einem diamagnetischen oder paramag netischen und nicht-leitendem Material gefertigt.
Zudem ist die Gehäuseseite 136 an eine Form der Magnetanordnung 212 angepasst, so dass die Gehäuseseite 136 parallel zu der Magnetanordnung 212 verläuft. Mögliche Kontaminationen können daher lediglich in einem Luftspalt zwischen der Magnetan ordnung 212 der Gehäuseseite 136 auftreten. Im Allgemeinen kann die Kontamination gegenüber Ausführungsbeispielen mit einer anderen Ausgestaltung der zu der Mag netanordnung 212 weisenden Gehäuseseite somit geringer sein.
Um das Magnetfeld zu den Drehmomentsensoren zu leiten, weist das Sensormodul 100 Magnetflusskonzentratoren 160 auf, von denen jeweils ein Paar einem der Dreh momentsensoren 110 und dem Drehwinkelsensor 120 zugeordnet ist. Die Drehmomentsensoren 110 und der Drehwinkelsensor 120 erzeugen jeweils bei spielsweise ein digitales Signal, welches das Lenkmoment, beziehungsweise den ab soluten Drehwinkel angibt. Diese Signale können über die Leiterplatte 140 an eine Schnittstelle 150 weitergeleitet und durch diese aus dem Gehäuse 130 herausgeführt werden, so dass die Signale zur Weiterverarbeitung außerhalb des Gehäuses 130 ab gegriffen werden können.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung auf genommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Wäh rend jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale ei nes Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Bezuqszeichen Sensormodul Drehmomentsensor/en Drehwinkelsensor Gehäuse Verbindungselement Ausnehmung Gehäuseseite Leiterplatte Schnittstelle Magnetflusskonzentrator Lenksystem Welle Magnetanordnung Diagramm Zähleinrichtung Domänenwandgenerator magnetoresistive Struktur Domänenwand Verlauf des elektrischen Widerstandsa erster Widerstandswert b zweiter Widerstandswert

Claims

Patentansprüche
1. Sensormodul (100) für ein Lenksystem (200) eines Fahrzeugs, das Sensormo dul (100) umfassend: zumindest einen Drehmomentsensor (110), welcher ausgebildet ist, um ein von dem Lenksystem (200) übertragenes Lenkmoment zu ermitteln; zumindest einen Drehwinkelsensor (120), welcher ausgebildet ist, um einen Lenkwinkel des Lenksystems (200) zu ermitteln; und ein Gehäuse (130) zur Aufnahme des Drehmomentsensors (110) und des Drehwinkelsensors (120), wobei das Gehäuse (130) zumindest ein Verbin dungselement (132) zur lösbaren Anbringung an dem Lenksystem (200) auf weist.
2. Sensormodul (100) gemäß Anspruch 1 , wobei das Verbindungselement (132) zumindest eine Ausnehmung (134) für eine Verschraubung zur Verbindung mit dem Lenksystem (200) aufweist.
3. Sensormodul (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verbindungsele ment (132) zumindest ein Steckelement zur steckbaren Verbindung mit dem Lenksystem (200) aufweist.
4. Sensormodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (130) den Drehmomentsensor (110) und den Drehwinkelsensor (120) vollständig umgibt.
5. Sensormodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (130) staubdicht und/oder wasserdicht abgedichtet ist.
6. Sensormodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehmomentsensor (110) ausgebildet ist, um das Lenkmoment in Wechselwirkung mit einer Magnetanordnung (212), welche auf einer Welle (210) des Lenksystems (200) zur Aufnahme des Lenkmoments angeordnet ist, magnetisch zu ermitteln; und wobei der Drehwinkelsensor (110) ausgebildet ist, um den absoluten Lenkwin kel in Wechselwirkung mit der Magnetanordnung (212) magnetisch zu ermit teln.
7. Sensormodul (100) gemäß Anspruch 6, wobei eine zu der Magnetanordnung (212) weisende Gehäuseseite (136) des Gehäuses (130) durchlässig für ein Magnetfeld der Magnetanordnung (212) ist.
8. Sensormodul (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend zumindest einen Magnetflusskonzentrator (160), welcher ausgebildet ist, um ein Magnet feld der Magnetanordnung (212) zu dem Drehmomentsensor (110) oder dem Drehwinkelsensor (120) zu leiten.
9. Sensormodul (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Drehmo mentsensor (110) einen ersten Magnetfeldsensor und zumindest einen zwei ten Magnetfeldsensor umfasst.
10. Sensormodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Drehmomentsensor zur elektromagnetischen, , optischen, kapazitiven oder induktiven Bestimmung des Lenkmoments.
11. Sensormodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehmomentsensor (110) und der Drehwinkelsensor (120) auf einer gemein samen Leiterplatte (140) angebracht sind.
12. Sensormodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner um fassend eine mit dem Drehmomentsensor (110) und Drehwinkelsensor (120) gekoppelte Schnittstelle (150) zur Ausgabe eines von dem Drehmoments ensor (110) und dem Drehwinkelsensor (120) erzeugten Signals.
13. Lenksystem (200) für ein Fahrzeug, umfassend ein Sensormodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bestimmen eines von dem Lenk system (200) übertragenen Lenkmoments und eines absoluten Lenkwinkels.
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