WO2024041778A1 - Sensoranordnung zum ermitteln eines torsionswinkels eines torsionsstabs, lenkvorrichtung eines kraftfahrzeugs, kraftfahrzeug, verfahren zum betreiben einer sensoranordnung - Google Patents

Sensoranordnung zum ermitteln eines torsionswinkels eines torsionsstabs, lenkvorrichtung eines kraftfahrzeugs, kraftfahrzeug, verfahren zum betreiben einer sensoranordnung Download PDF

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WO2024041778A1
WO2024041778A1 PCT/EP2023/067422 EP2023067422W WO2024041778A1 WO 2024041778 A1 WO2024041778 A1 WO 2024041778A1 EP 2023067422 W EP2023067422 W EP 2023067422W WO 2024041778 A1 WO2024041778 A1 WO 2024041778A1
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WO
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transmitting
sensor arrangement
substrate
receiving
torsion bar
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Application number
PCT/EP2023/067422
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Inventor
Michael Kleinknecht
Sina FELLA
Stefan Kuntz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/105—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving inductive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—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
    • 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 invention relates to a sensor arrangement for determining a torsion angle of a torsion bar, in particular a steering device of a motor vehicle, with at least a first, second and third, in particular each plate or disk-shaped substrate, which are arranged at a distance from one another on the torsion bar and are each connected to the torsion bar in a rotationally fixed manner, wherein the third substrate is arranged in the longitudinal extent of the torsion bar between the first substrate and the second substrate, with a first and a second electrical receiving device being arranged on the first and the second substrate and at least part of an electrical transmitting device being arranged on the third substrate, or wherein on At least part of a first and a second electrical transmitting device is arranged on the first and second substrates and an electrical receiving device is arranged on the third substrate.
  • the invention also relates to a steering device with such a sensor arrangement, a motor vehicle with such a steering device and a method for operating such a sensor arrangement.
  • TAS Torque Angle Sensor
  • two electrically conductive eddy current targets are usually mounted on the torsion bar, which are detected by a measuring board that is decoupled from the rotation of the bar.
  • the angle of the two targets (due to the periodicity of the design) is recorded electrically in relation to the measuring board (absolute angle).
  • the difference between these two angles is proportional to the torque applied to the torsion bar, as described above.
  • An angular error in this absolute angle measurement therefore has a direct effect on the measured torque.
  • the published patent application DE 102008 006 865 A1 discloses an inductive torque sensor with an excitation coil, with a stator circuit board with a first and a second receiver means, and with two rotors that are rotatable relative to each other and relative to the stator circuit board, and which have the strength of an inductive coupling between the excitation coil and the receiver means.
  • the stator circuit board is arranged between the two rotors.
  • the sensor arrangement according to the invention with the features of claim 1 is characterized in that the first and second receiving devices or the first and second transmitting devices are differentially connected to one another.
  • the differential, i.e. electrically opposite, connection creates a particularly advantageous possibility for determining the torsion angle from a direct measurement of the difference angle of rotation of the receiving devices or the transmitting devices relative to one another, instead of determining the torsion angle from a difference in the absolute angle of rotation, which involves a higher measurement uncertainty Rotation of the respective receiving device relative to the Transmitting device, as described above.
  • a precise direct measurement of the difference angle by the differentially connected receiving devices or transmitting devices is possible without detouring via two individual absolute angles, the difference of which is only formed in a later step.
  • the differential measuring principle allows the use of a higher amplification factor compared to sensor arrangements known from the prior art because the differential signal is not superimposed by the absolute angle signal.
  • the dynamic range of an application-specific integrated circuit (ASIC) used to demodulate the signal is used particularly advantageously, and thus the signal quality is improved because the signal-to-noise ratio (SNR) increases .
  • the torque is thus particularly advantageously resolved much more finely compared to the sensor arrangements known from the prior art.
  • the substrates on which the receiving devices and the transmitting devices are arranged are in particular pushed onto the torsion bar.
  • the substrates are designed as printed circuit boards. These circuit boards are connected to the torsion bar in a rotationally fixed manner, so they rotate when rotated.
  • At least one of the substrates is arranged on a spacer attached to the torsion bar by a holder for increasing the torsion lever.
  • the transmitting and receiving devices which are designed in particular as coils, are designed to be individually measured and monitored by electronic switches of the ASIC at predetermined time intervals.
  • the sensor arrangement has at least one magnetic angle sensor for measuring the absolute torsion angle in order to achieve a particularly advantageous plausibility check of the sensor signals. In order to achieve advantageous redundancy of the sensor arrangement, the use of at least one of the transmitting and/or receiving devices by a second ASIC circuit is provided.
  • the transmitting device has at least one transmitting coil
  • the first receiving device at least one first receiving coil and the second receiving device have at least one second receiving coil
  • the first transmitting device has at least one first transmitting coil
  • the second transmitting device has at least one second transmitting coil
  • the receiving device has at least one receiving coil.
  • TX coil transmitting coil
  • a transmitting coil is arranged on the third substrate, which is designed in particular as a printed circuit board (PCB).
  • the transmitter coil is preferably designed in such a way that a harmonic magnetic field with a predetermined frequency can be generated or is generated, which in particular has a predetermined periodicity in the angular direction. Further preferably, the transmitter coil is designed such that the distribution of the magnetic field or the strength of the magnetic field is approximately rectangular depending on the angle and locally radially homogeneous.
  • a temporal change in the magnetic field induces an electrical voltage in a first receiving coil (RX coil) arranged on the first substrate and a second receiving coil (RX coil) arranged on the second substrate.
  • the two coils are differentially connected, i.e. electrically connected in opposite directions, and are designed to be demodulated together.
  • the difference angle between the attachment points of the corresponding substrates on the shaft can be determined by changing the voltage difference between the two receiving coils.
  • the voltage difference is directly proportional to the torque through a suitable choice of the coil geometry.
  • the periodicity of the design, especially the coil geometry results in the uniqueness range of the measurement method.
  • the periodicity of the design is particularly preferably chosen such that the maximum difference angle occurring on the torsion bar optimally fills the uniqueness range.
  • the first and second transmitting coils or the first and second receiving coils each have the same number Have turns. This increases the robustness of the measurement method in a particularly advantageous manner. If more than just two transmitting coils or receiving coils are provided, as will be explained in the following text, they particularly preferably all have the same number of turns.
  • the transmitting device has an electrically conductive active element, in particular a target, which is arranged on the third substrate or is designed as the third substrate, and a stationary excitation coil assigned to the active element.
  • an electrically conductive active element in particular a target
  • a stationary excitation coil assigned to the active element.
  • Such an arrangement also generates an angle-dependent magnetic field.
  • a non-rotating, i.e. stationary and in particular rotationally symmetrical transmitter coil is provided, which is assigned to an electrically conductive active element that rotates with the torsion bar, in particular designed as a target.
  • the active element is either arranged on the third substrate or the third substrate is designed to be electrically conductive and forms the active element itself.
  • the resulting magnetic field is locally superimposed, depending on the angle, by an electromagnetic field created by eddy currents in the target, so that the torsion angle can be determined depending on this.
  • At least one of the transmitting coils, receiving coils or the active element runs or is formed geometrically periodically along the respective substrate in the tangential direction.
  • Such periodicity results in the advantage that the coils and the active element are also designed to be geometrically differential.
  • a period corresponds to one turn of the coils, which are in particular geometrically sinusoidal.
  • the at least one of the transmitting coils, receiving coils or the active element runs in a tangential direction sinusoidally or at least approximately step-shaped, in particular rectangular, along the respective substrate or is trained. This provides a geometrically particularly simple way of achieving periodicity, as described above.
  • the geometry is selected such that the output signals of the transmitting devices and/or receiving devices represent a torsion angle of the torsion bar.
  • a connection has the advantage that the torsion angle is determined particularly easily and reliably by the sensor arrangement according to the invention.
  • several coils are provided as transmitting devices or receiving devices, which are electrically offset from one another by a predetermined angle. For example, two coils that are electrically offset by 90° to one another or three coils that are electrically offset by 120° to one another are provided.
  • an electrical voltage induced in the sensor arrangement is proportional to the torsion angle of the torsion bar.
  • the torsion angle is at least approximately proportional to a torsional moment acting on the torsion bar, so that the electrical voltage induced in the sensor arrangement is also proportional to the torsional moment.
  • At least two transmitting devices or receiving devices are arranged on at least one of the substrates, each offset from one another by a predetermined angle of rotation.
  • the transmitting devices and/or the receiving devices are each provided twice.
  • a first and a second receiving device with a first and a second receiving coil are provided, but also two first and two second receiving coils, the two first receiving coils and the two second receiving coils each being electrically offset by a predetermined angle, preferably 90° are arranged to each other.
  • the coils particularly advantageously have a sinusoidal coil geometry.
  • the torque is proportional to the corrected arc tangent of the ratio of the induced voltages in the both pairs of coils.
  • the coils have a rectangular coil geometry.
  • the reference position of the two coil pairs is preferably selected such that, without any applied torque, the differential voltage of the first coil pair is + 50% of the full possible amplitude and the differential voltage of the second coil pair is - 50%.
  • the coils particularly preferably have a large number of turns in order to increase the amplitude of the signal. Both transmitting or receiving coils preferably have the same number of turns.
  • At least one further substrate with at least one further transmitting device or receiving device is arranged on the torsion bar in a rotationally fixed manner.
  • the respective transmitting device or receiving device is arranged offset from at least one of the other transmitting devices or receiving devices by a predetermined angle of rotation, as described above. Alternatively, these have the same angular orientation, i.e. are arranged without angular offset.
  • the torsion bar has an electrically conductive material and forms a ground connection for at least one of the transmitting devices or the receiving devices. Forming the ground connection through the torsion bar results in the advantage that a separate ground connection is not necessary; after all, the transmitting and receiving devices are already connected to the torsion bar in an electrically conductive manner due to the rotation-proof connection of the substrates to the torsion bar.
  • the energy and/or signal transmission to at least one of the transmitting devices or the receiving devices takes place via flex cables, sliding contacts, or wirelessly.
  • Such electrical contacting of the transmitting and/or receiving devices creates a particularly advantageous possibility for efficient energy and/or signal transmission.
  • the steering device of a motor vehicle with the features of claim 13 has the sensor arrangement according to the invention. This also results in the advantages mentioned.
  • the motor vehicle with the features of claim 14 has the steering device according to the invention. This also results in the advantages mentioned.
  • the method for operating the sensor arrangement according to the invention is characterized by the features of claim 15 in that a difference angle of rotation of the receiving devices or the transmitting devices relative to one another is determined as a function of a voltage difference of an induced electrical voltage.
  • a difference angle of rotation of the receiving devices or the transmitting devices relative to one another is determined as a function of a voltage difference of an induced electrical voltage.
  • Figure 1 shows an advantageous sensor arrangement
  • Figure 2 shows a first exemplary embodiment of a transmission or
  • Figure 3 shows a second embodiment of a transmission or
  • Figure 4 is a circuit diagram of a transmitting or receiving device for the sensor arrangement
  • Figures 5A and 5B magnetic field angle diagrams when using the sensor arrangement and Figure 6 is a voltage-angle diagram.
  • Figure 1 shows a sensor arrangement 1 for determining a torsion angle or torsional moment M of a torsion bar 2, as indicated by a circular arrow.
  • the torsion bar 2 is in particular part of a steering device, not shown, of a motor vehicle.
  • the sensor arrangement 1 has a first substrate 3, a second substrate 4 and a third substrate 5. The substrates
  • the substrates 3, 4, 5 are designed here, purely as an example, as disk-shaped circuit boards.
  • the substrates 3, 4, 5 are arranged at a distance from one another on the torsion bar 2 and are each connected to the torsion bar 2 in a rotationally fixed manner.
  • the first substrate 3 and the second substrate 4 are each connected in a rotationally fixed manner to the torsion bar 2 by a holding device 6, having a holder 7 and a spacer 8 attached to the torsion bar 2.
  • the (mirror image) holding devices 6 serve to increase the torsion lever, i.e. the detected torsion angle.
  • the third substrate 5 is arranged in the longitudinal extent of the torsion bar 2 between the first substrate 3 and the second substrate 4. On the substrates 3,
  • first and a second electrical receiving device are arranged on the first substrate 3 and on the second substrate 4 and at least part of an electrical transmitting device is arranged on the third substrate 5, or at least one is arranged on the first substrate 3 and on the second substrate 4 Part of a first and a second electrical transmitting device and an electrical receiving device arranged on the third substrate 5.
  • At least two receiving devices and/or two transmitting devices are therefore provided. It is envisaged that the first and second receiving devices or the first and second transmitting devices are differentially electrically connected to one another. This will be explained with reference to Figure 4.
  • a first, concrete possibility for arranging and designing the transmitting and receiving devices is that on the first substrate 3 a first receiving device 9 with a first receiving coil, on the second substrate 4 a second receiving device 10 with a second receiving coil, and on the third Substrate 5 a transmitting device 11 with a transmitting coil are arranged.
  • the roles of the transmitting and receiving devices are swapped according to a second possibility, i.e. on the first substrate 3 a first transmitting device 9 'with a first transmitting coil, on the second substrate 4 a second transmitting device 10' with a second transmitting coil, and on the third Substrate 5 a receiving device 11 'arranged with a receiving coil.
  • a second possibility i.e. on the first substrate 3 a first transmitting device 9 'with a first transmitting coil, on the second substrate 4 a second transmitting device 10' with a second transmitting coil, and on the third Substrate 5 a receiving device 11 'arranged with a receiving coil.
  • an electrically conductive active element is arranged as part of the transmitting device 11 or is formed by the third substrate 5.
  • a stationary excitation coil is then assigned to the active element.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of such transmitting or receiving devices 9, 10, 11 (or 9 ', 10', 11 ') for the sensor arrangement 1.
  • the transmitting and receiving devices 9, 10, 11 each have at least a spool as described above (options 1 and 2).
  • the corresponding arrangements are preferred identical or at least similar, so that Figure 2 shows an exemplary embodiment for each of the substrates 3, 4, 5 with the transmitting and receiving devices 9, 10, 11.
  • the first receiving device 9 has a first receiving coil 12
  • the second receiving device 10 has a second receiving coil 13
  • the transmitting device 11 has a transmitting coil 14.
  • the coils 12, 13, 14 run geometrically periodically in the tangential direction along the respective substrate 3, 4, 5. For this purpose, they are designed to be step-shaped in the tangential direction, in the present case rectangular.
  • the energy and/or signal transmission to or from the various coils 12, 13, 14 takes place through electrical contact connections 15. These are designed in particular as flex cables or sliding contacts.
  • corresponding coils 12', 13', 14' are provided.
  • the first transmitting device 9' then has a first transmitting coil 12'
  • the second transmitting device 10 has a second transmitting coil 13'
  • the receiving device 11' has a receiving coil 14'.
  • this possibility is not identified in the figures by the corresponding reference symbols.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of such transmitting or receiving devices 9, 10, 11 for the sensor arrangement 1.
  • an electrically conductive active element 16 designed as a target is arranged on the third substrate 5, to which a stationary excitation coil 17 with several turns is assigned is.
  • the first receiving coil 12 and the second receiving coil 13 continue to run geometrically periodically along the respective substrate 3, 4 in the tangential direction, but, in contrast to the previous exemplary embodiment, are now sinusoidal in the tangential direction and are therefore already designed to be differential in themselves.
  • these differential coils are then connected in pairs in differential series, as will be explained with reference to FIG. 4.
  • a further first receiving coil 18 and a further second receiving coil 19 are provided, with the first receiving coils 12, 18 and the second receiving coils 13, 19 each being arranged offset from one another.
  • the corresponding substrates 3, 4, 5 are not shown or are shown transparently for reasons of clarity.
  • the active element 16 forms the third substrate 5 directly.
  • Figure 4 shows an exemplary circuit diagram of a combination of two of the transmitting or receiving devices 9, 10, 11 for the sensor arrangement 1.
  • the connection of the two receiving coils 12, 13 on the first and second substrate 3, 4 is shown as an example.
  • These are differentially connected to one another via a circuit arrangement 20 shown as a block, in particular designed as an ASIC, so electrical current flows through them in opposite directions.
  • the transmitting coil 14 is also connected to the circuit arrangement 20.
  • the circuit arrangement 20 is supplied with electrical voltage through a supply line 21 and is connected to an electrical reference potential through the ground line 22. An output signal from the sensor arrangement 1 is output via output lines 23.
  • Figures 5A and 5B show magnetic field angle diagrams when using the sensor arrangement 1, in this case a course of the magnetic field strength of a magnetic field B over a torsion angle a.
  • 5A shows the amount of the magnetic field B that arises when the torsion bar 2 is torsion when the first receiving coil 12 and the second receiving coil 13 have an electrical angular offset of 90° to one another.
  • FIG. 5B shows the amount of the magnetic field B that arises when the torsion bar 2 is torsion when the coils 12, 13 have no angular offset from one another. Accordingly, the areas with maximum and minimum magnetic field strength are congruent, so that a minimum possible overall signal is output.
  • Figure 6 shows a voltage-angle diagram, in this case a course of the induced electrical voltage U in the receiving coils 12, 13 over their difference angle cp. It can be seen that the voltage signal repeats itself with a periodicity P, so that a uniqueness range is thereby defined.
  • the receiving coils 12, 13 are geometrically designed such that the induced voltage is proportional to the torsion angle and the torsional moment on the torsion bar 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zum Ermitteln eines Torsionswinkels eines Torsionsstabs (2), insbesondere einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem ersten, zweiten und dritten, insbesondere jeweils platten- oder scheibenförmigen Substrat (3,4,5), die voneinander beabstandet an dem Torsionsstab (2) angeordnet und mit dem Torsionsstab (2) jeweils drehfest verbunden sind, wobei das dritte Substrat (5) in Längserstreckung des Torsionsstabs (2) zwischen dem ersten Substrat (3) und dem zweiten Substrat (4) angeordnet ist, wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat (3,4) eine erste und eine zweite elektrische Empfangseinrichtung (9,10) und auf dem dritten Substrat (5) zumindest ein Teil einer elektrischen Sendeeinrichtung (11) angeordnet sind, oder wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat (3,4) zumindest ein Teil einer ersten und einer zweiten elektrischen Sendeeinrichtung (9',10') und auf dem dritten Substrat (5) eine elektrische Empfangseinrichtung (11') angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Empfangseinrichtung (9,10) oder die erste und die zweite Sendeeinrichtung (9',10') differentiell miteinander verschaltet sind.

Description

Beschreibung
Titel
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Ermitteln eines Torsionswinkels eines Torsionsstabs, insbesondere einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem ersten, zweiten und dritten, insbesondere jeweils plattenöder scheibenförmigen Substrat, die voneinander beabstandet an dem Torsionsstab angeordnet und mit dem Torsionsstab jeweils drehfest verbunden sind, wobei das dritte Substrat in Längserstreckung des Torsionsstabs zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet ist, wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat eine erste und eine zweite elektrische Empfangseinrichtung und auf dem dritten Substrat zumindest ein Teil einer elektrischen Sendeeinrichtung angeordnet sind, oder wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat zumindest ein Teil einer ersten und einer zweiten elektrischen Sendeeinrichtung und auf dem dritten Substrat eine elektrische Empfangseinrichtung angeordnet sind.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Lenkvorrichtung mit einer derartigen Sensoranordnung, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Lenkvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Sensoranordnung.
Stand der Technik
Es ist bekannt, das Drehmoment bei induktiven Drehmoment- oder Lenkwinkelsensoren (Torque Angle Sensor, TAS) durch die Differenz zweier Absolutwinkelmessungen zu bestimmen. Dazu wird der Absolutwinkel an zwei axialen Positionen eines Torsionsstabs bestimmt. Das an dem Torsionsstab anliegende Drehmoment ist in guter Näherung proportional zu der Differenz dieser beiden Winkel. Dieses Messprinzip findet zum Beispiel in elektromechanisch unterstützten Lenksystemen in Kraftfahrzeugen Anwendung.
Bei derartigen Sensoren sind üblicherweise auf dem Torsionsstab zwei elektrisch leitfähige Wirbelstrom-Targets montiert, die von einer von der Drehung des Stabs entkoppelten Messplatine erfasst werden. Hierbei wird der Winkel der zwei Targets (bedingt durch die Periodizität des Designs) elektrisch in Bezug zu der Messplatine erfasst (Absolutwinkel). Die Differenz dieser beiden Winkel ist proportional zu dem an dem Torsionsstab anliegenden Drehmoment, wie vorstehend beschrieben. Ein Winkelfehler dieser Absolutwinkelmessung hat folglich eine direkte Auswirkung auf das gemessene Drehmoment.
Aus dem Stand der Technik sind Sensoranordnungen bekannt, die die Messgenauigkeit bei der Differenzbildung dieser Winkelgrößen erhöhen sollen. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift DE 102008 006 865 A1 einen induktiven Drehmomentsensor mit einer Erregerspule, mit einer Statorleiterplatte mit einem ersten und einem zweiten Empfängermittel, und mit zwei Rotoren, die relativ zueinander und relativ zu der Statorleiterplatte verdrehbar sind, und die die Stärke einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängermitteln beeinflussen. Die Statorleiterplatte ist zwischen den beiden Rotoren angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die erste und die zweite Empfangseinrichtung oder die erste und die zweite Sendeeinrichtung differentiell miteinander verschaltet sind. Durch die differentielle, also elektrisch gegensinnige Verschaltung ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur Ermittlung des Torsionswinkels aus einer direkten Messung des Differenzwinkels einer Verdrehung der Empfangseinrichtungen oder der Sendeeinrichtungen zueinander geschaffen, anstelle einer mit einer höheren Messunsicherheit behafteten Ermittlung des Torsionswinkels aus einer Differenz der absoluten Drehwinkel einer Verdrehung der jeweiligen Empfangseinrichtung relativ zu der Sendeeinrichtung, wie eingangs beschrieben. Es ist insofern eine präzise direkte Messung des Differenzwinkels durch die differentiell verschalteten Empfangseinrichtungen oder Sendeeinrichtungen ohne Umweg über zwei einzelne Absolutwinkel, deren Differenz erst in einem späteren Schritt gebildet wird, möglich. Das differentielle Messprinzip erlaubt die Verwendung eines höheren Verstärkungsfaktors im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen, weil das differentielle Signal nicht durch das Signal des Absolutwinkels überlagert wird. Dadurch wird beispielsweise der Dynamikumfang einer zur Demodulation des Signals verwendeten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) besonders vorteilhaft ausgenutzt, und damit die Signalqualität verbessert, weil sich das Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio, SNR) erhöht. Das Drehmoment wird somit im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen besonders vorteilhaft deutlich feiner aufgelöst. Die Substrate, auf denen die Empfangseinrichtungen und die Sendeeinrichtungen angeordnet sind, sind insbesondere jeweils auf den Torsionsstab aufgeschoben. Insbesondere sind die Substrate als Leiterplatten ausgebildet. Diese Leiterplatten sind drehfest mit dem Torsionsstab verbunden, rotieren also bei Drehung mit. Besonders bevorzugt ist zumindest eines der Substrate, insbesondere das erste und das zweite Substrat, durch eine Halterung zur Erhöhung des Torsionshebels an einem an dem Torsionsstab befestigten Abstandshalter angeordnet. Zur Erhöhung der Sicherheit und Überwachung von Fehlerfällen ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die insbesondere als Spulen ausgebildeten Sende- und Empfangseinrichtungen dazu ausgebildet sind, durch elektronische Schalter der ASIC in vorgegebenen zeitlichen Abständen einzeln gemessen und überwacht zu werden. Weiter bevorzugt weist die Sensoranordnung zumindest einen magnetischen Winkelsensor zur Messung des absoluten Torsionswinkels auf, um eine besonders vorteilhafte Plausibilisierung der Sensorsignale zu erreichen. Zum Erreichen einer vorteilhaften Redundanz der Sensoranordnung ist insbesondere die Nutzung zumindest einer der Sende- und/oder Empfangseinrichtungen durch eine zweite ASIC-Schaltung vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung zumindest eine Sendespule, die erste Empfangseinrichtung zumindest eine erste Empfangsspule und die zweite Empfangseinrichtung zumindest eine zweite Empfangsspule aufweisen, oder dass die erste Sendeeinrichtung zumindest eine erste Sendespule, die zweite Sendeeinrichtung zumindest eine zweite Sendespule, und die Empfangseinrichtung zumindest eine Empfangsspule aufweisen. Durch die Verwendung von Sende- und Empfangsspulen ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zum Ermitteln des Torsionswinkels durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung geschaffen. Beispielsweise ist auf dem insbesondere als Leiterplatte (PCB) ausgebildeten dritten Substrat eine Sendespule (TX-Spule) angeordnet. Bevorzugt ist die Sendespule derart ausgebildet, dass durch diese ein harmonisches Magnetfeld mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugbar ist oder erzeugt wird, das insbesondere eine vorgegebene Periodizität in Winkelrichtung aufweist. Weiter bevorzugt ist die Sendespule derart ausgebildet, dass die Verteilung des Magnetfeldes beziehungsweise die Stärke des Magnetfeldes annähernd rechteckförmig in Abhängigkeit des Winkels und lokal radial homogen ist. Eine zeitliche Änderung des Magnetfeldes induziert in einer auf dem ersten Substrat angeordneten ersten Empfangsspule (RX-Spule) und einer auf dem zweiten Substrat angeordneten zweiten Empfangsspule (RX-Spule) eine elektrische Spannung. Die beiden Spulen sind differentiell, also elektrisch gegensinnig verschaltet und sind dazu ausgebildet, gemeinsam demoduliert zu werden. Wirkt nun ein Drehmoment auf die Welle (Torsionsstab), so lässt sich durch die Änderung der Spannungsdifferenz der beiden Empfangsspulen auf den Differenzwinkel zwischen den Befestigungspunkten der entsprechenden Substrate auf der Welle schließen. Alternativ sind anstelle zweier Empfangsspulen nur eine Empfangsspule auf dem dritten Substrat und eine erste und eine zweite Sendespule auf dem ersten und zweiten Substrat vorgesehen. Bevorzugt ist die Spannungsdifferenz durch geeignete Wahl der Spulengeometrie direkt proportional zu dem Drehmoment. Durch die Periodizität des Designs, insbesondere der Spulengeometrie, ergibt sich der Eindeutigkeitsbereich des Messverfahrens. Besonders bevorzugt ist die Periodizität des Designs derart gewählt, dass der maximal an dem Torsionsstab auftretende Differenzwinkel den Eindeutigkeitsbereich optimal ausfüllt.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Sendespule oder die erste und die zweite Empfangsspule jeweils die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen. Dadurch ist die Robustheit des Messverfahrens besonders vorteilhaft erhöht. Sind mehr als nur jeweils zwei Sendespulen oder Empfangsspulen vorgesehen, wie im folgenden Text noch erläutert werden soll, so weisen diese besonders bevorzugt jeweils alle die gleiche Anzahl von Windungen auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung ein auf dem dritten Substrat angeordnetes oder als das dritte Substrat ausgebildetes, elektrisch leitfähiges Wirkelement, insbesondere Target, und eine dem Wirkelement zugeordnete, ortsfeste Erregerspule aufweist. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte alternative Möglichkeit zum Ermitteln des Torsionswinkels geschaffen. Auch durch eine derartige Anordnung wird ein winkelabhängiges Magnetfeld erzeugt. Anstelle einer speziell geformten Sendespule auf dem dritten Substrat ist eine nicht-rotierende, also ortsfeste und insbesondere rotationssymmetrische Sendespule vorgesehen, die einem mit dem Torsionsstab mit-rotierenden elektrisch leitfähigen, insbesondere als Target ausgebildeten Wirkelement zugeordnet ist. Das Wirkelement ist entweder auf dem dritten Substrat angeordnet oder das dritte Substrat ist elektrisch leitfähig ausgebildet und bildet das Wirkelement selbst. Das entstehende Magnetfeld wird lokal winkelabhängig durch ein von Wirbelströmen in dem Target entstehenden elektromagnetischen Feld überlagert, sodass in Abhängigkeit davon der Torsionswinkel bestimmbar ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest eine der Sendespulen, Empfangsspulen oder das Wirkelement in tangentialer Richtung geometrisch periodisch entlang des jeweiligen Substrats verläuft oder ausgebildet ist. Durch eine derartige Periodizität ergibt sich der Vorteil, dass die Spulen und das Wirkelement dadurch auch in sich geometrisch differentiell ausgebildet sind. Insbesondere entspricht eine Periode einer Windung der insbesondere geometrisch sinusförmig ausgebildeten Spulen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine der Sendespulen, Empfangsspulen oder das Wirkelement in tangentialer Richtung sinusförmig oder zumindest annähernd stufenförmig, insbesondere rechteckförmig, entlang des jeweiligen Substrats verläuft oder ausgebildet ist. Dadurch ist eine geometrisch besonders einfache Möglichkeit zum Erreichen der Periodizität gegeben, wie vorstehend beschrieben.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Geometrie derart gewählt ist, dass die Ausgangssignale der Sendeeinrichtungen und/oder Empfangseinrichtungen einen Torsionswinkel des Torsionsstabs repräsentieren. Durch einen derartigen Zusammenhang ergibt sich der Vorteil, dass der Torsionswinkel durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung besonders einfach und sicher bestimmt wird. Insbesondere sind hierzu mehrere Spulen als Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtungen vorgesehen, die um einen vorgegebenen Winkel elektrisch zueinander versetzt sind. Beispielsweise sind zwei um 90° zueinander versetzte oder drei um 120° elektrisch zueinander versetzte Spulen vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in der Sensoranordnung induzierte elektrische Spannung proportional zu dem Torsionswinkel des Torsionsstabs ist. Dadurch ist eine vorteilhafte robuste Möglichkeit zum Ermitteln des Torsionswinkels geschaffen. Insbesondere ist der Torsionswinkel zumindest annähernd proportional zu einem auf den Torsionsstab wirkenden Torsionsmoment, sodass die in der Sensoranordnung induzierte elektrische Spannung auch proportional zu dem Torsionsmoment ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass auf zumindest einem der Substrate zumindest zwei Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtungen jeweils um einen vorgegebenen Drehwinkel versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch ist die Robustheit des Messverfahrens besonders vorteilhaft erhöht, weil eine Redundanz geschaffen ist. Vorzugsweise sind die Sendeeinrichtungen und/oder die Empfangseinrichtungen jeweils doppelt vorgesehen. Beispielsweise sind nicht nur eine erste und eine zweite Empfangseinrichtung mit einer ersten und einer zweiten Empfangsspule vorgesehen, sondern jeweils zwei erste und zwei zweite Empfangsspulen, wobei die beiden ersten Empfangsspulen und die beiden zweiten Empfangsspulen jeweils um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90° elektrisch, versetzt zueinander angeordnet sind. Besonders vorteilhaft weisen die Spulen eine sinusförmige Spulengeometrie auf. Bei derartigen sinusförmigen Spulen ist das Drehmoment proportional zum korrigierten Arcustangens des Verhältnisses der induzierten Spannungen in den beiden Spulenpaaren. Alternativ weisen die Spulen eine rechteckförmige Spulengeometrie auf. Beim Einsatz derartiger rechteckförmige Spulenpaare ist die Referenzposition der beiden Spulenpaare bevorzugt derart gewählt, dass ohne anliegendes Drehmoment die differentielle Spannung des ersten Spulenpaares + 50 % der vollen möglichen Amplitude beträgt und die differentielle Spannung des zweiten Spulenpaares - 50 %. Besonders bevorzugt weisen die Spulen eine Vielzahl von Windungen auf, um die Amplitude des Signals zu erhöhen. Vorzugsweise weisen beide Sende- oder Empfangsspulen die gleiche Windungsanzahl auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein weiteres Substrat mit zumindest einer weiteren Sendeeinrichtung oder Empfangseinrichtung drehfest auf dem Torsionsstab angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Redundanz bei Ausfall einer der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen geschaffen. Besonders bevorzugt ist die jeweilige Sendeeinrichtung oder Empfangseinrichtung zu zumindest einer der anderen Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtungen um einen vorgegebenen Drehwinkel versetzt angeordnet, wie vorstehend beschrieben. Alternativ weisen diese die gleiche Winkelausrichtung auf, sind also ohne Winkelversatz angeordnet.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Torsionsstab ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und eine Masseverbindung für zumindest eine der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen ausbildet. Durch die Ausbildung der Masseverbindung durch den Torsionsstab ergibt sich der Vorteil, dass eine separate Masseverbindung entfällt, schließlich sind die Sende- und Empfangseinrichtungen aufgrund der drehfesten Verbindung der Substrate mit dem Torsionsstab ohnehin elektrisch leitfähig mit diesem verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energie- und/oder Signalübertragung zu zumindest einer der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen durch Flexkabel, Schleifkontakte, oder drahtlos erfolgt. Durch eine derartige elektrische Kontaktierung der Sende- und/oder Empfangseinrichtungen ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur effizienten Energie- und/oder Signalübertragung geschaffen. Die Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 13 weist die erfindungsgemäße Sensoranordnung auf. Auch daraus ergeben sich die genannten Vorteile.
Das Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 weist die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung auf. Daraus ergeben sich ebenfalls die genannten Vorteile.
Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 15 dadurch aus, dass ein Differenzwinkel einer Verdrehung der Empfangseinrichtungen oder der Sendeeinrichtungen zueinander in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz einer induzierten elektrischen Spannung ermittelt wird. Ein derartiges Messverfahren weist aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Sensorordnung eine besonders vorteilhafte hohe Messgenauigkeit auf.
Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
Figur 1 eine vorteilhafte Sensoranordnung,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sende- oder
Empfangseinrichtung für die Sensoranordnung,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sende- oder
Empfangseinrichtung für die Sensoranordnung,
Figur 4 ein Schaltplan einer Sende- oder Empfangseinrichtung für die Sensoranordnung,
Figuren 5A und 5B Magnetfeld-Winkel-Diagramme beim Einsatz der Sensoranordnung, und Figur 6 ein Spannungs-Winkel-Diagramm.
Figur 1 zeigt eine Sensoranordnung 1 zum Ermitteln eines Torsionswinkels oder Torsionsmoments M eines Torsionsstabs 2, wie durch einen kreisförmigen Pfeil angedeutet. Der Torsionsstab 2 ist insbesondere Teil einer nicht dargestellten Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Die Sensoranordnung 1 weist ein erstes Substrat 3, ein zweites Substrat 4 sowie ein drittes Substrat 5 auf. Die Substrate
3, 4, 5 sind vorliegend, lediglich beispielgebend, als scheibenförmige Leiterplatten ausgebildet. Die Substrate 3, 4, 5 sind voneinander beabstandet an dem Torsionsstab 2 angeordnet und mit dem Torsionsstab 2 jeweils drehfest verbunden.
Vorliegend sind das erste Substrat 3 und das zweite Substrat 4 jeweils durch eine Haltevorrichtung 6, aufweisend eine Halterung 7 und einen an dem Torsionsstab 2 befestigten Abstandshalter 8, mit dem Torsionsstab 2 drehfest verbunden. Die (spiegelbildlich ausgebildeten) Haltevorrichtungen 6 dienen zur Erhöhung des Torsionshebels, also des erfassten Torsionswinkels.
Das dritte Substrat 5 ist in Längserstreckung des Torsionsstabs 2 zwischen dem ersten Substrat 3 und dem zweiten Substrat 4 angeordnet. Auf den Substraten 3,
4, 5 sind jeweils zumindest Teile von elektrischen Empfangseinrichtungen oder Sendeeinrichtungen angeordnet. Diese sind aus Übersichtlichkeitsgründen in der Figur 1 nicht detailliert dargestellt.
Für die Anordnung der Empfangseinrichtungen und der Sendeeinrichtungen auf den Substraten 3, 4, 5 gibt es verschiedene Möglichkeiten. So sind entweder auf dem ersten Substrat 3 und auf dem zweiten Substrat 4 eine erste und eine zweite elektrische Empfangseinrichtung und auf dem dritten Substrat 5 zumindest ein Teil einer elektrischen Sendeeinrichtung angeordnet, oder auf dem ersten Substrat 3 und auf dem zweiten Substrat 4 sind zumindest ein Teil einer ersten und einer zweiten elektrischen Sendeeinrichtung und auf dem dritten Substrat 5 eine elektrische Empfangseinrichtung angeordnet. Es sind also zumindest jeweils zwei Empfangseinrichtungen und/oder zwei Sendeeinrichtungen vorgesehen. Es ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Empfangseinrichtung oder die erste und die zweite Sendeeinrichtung differentiell elektrisch miteinander verschaltet sind. Dies wird mit Verweis auf Figur 4 noch erläutert werden.
Eine erste, konkrete Möglichkeit zur Anordnung und Ausbildung der Sende- und Empfangseinrichtungen besteht darin, dass auf dem ersten Substrat 3 eine erste Empfangseinrichtung 9 mit einer ersten Empfangsspule, auf dem zweiten Substrat 4 eine zweite Empfangseinrichtung 10 mit einer zweiten Empfangsspule, und auf dem dritten Substrat 5 eine Sendeeinrichtung 11 mit einer Sendespule angeordnet sind.
Alternativ sind die Rollen der Sende- und Empfangseinrichtungen gemäß einer zweiten Möglichkeit vertauscht, also auf dem ersten Substrat 3 eine erste Sendeeinrichtung 9‘ mit einer ersten Sendespule, auf dem zweiten Substrat 4 eine zweite Sendeeinrichtung 10‘ mit einer zweiten Sendespule, und auf dem dritten Substrat 5 eine Empfangseinrichtung 11 ‘ mit einer Empfangsspule angeordnet. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist diese Möglichkeit in den Figuren nicht durch die entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.
In einer dritten Möglichkeit ist anstelle der Sendeeinrichtung 11 mit der Sendespule auf dem dritten Substrat 5 lediglich ein insbesondere als Target ausgebildetes, elektrisch leitfähiges Wirkelement als Teil der Sendeeinrichtung 11 angeordnet oder wird durch das dritte Substrat 5 gebildet. Dem Wirkelement ist dann eine ortsfeste Erregerspule zugeordnet.
Diese Möglichkeiten sollen im Folgenden mit Verweis auf Figuren 2 und 3 als verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
So zeigt die Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel derartiger Sende- oder Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 (oder 9‘, 10‘, 11 ‘) für die Sensoranordnung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Sende- und Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 jeweils zumindest eine Spule auf, wie vorstehend beschrieben (Möglichkeiten 1 und 2). Die entsprechenden Anordnungen sind vorzugsweise identisch oder zumindest ähnlich ausgebildet, sodass die Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für jedes der Substrate 3, 4, 5 mit den Sende- und Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 darstellt.
Vorliegend weisen die erste Empfangseinrichtung 9 eine erste Empfangsspule 12, die zweite Empfangseinrichtung 10 eine zweite Empfangsspule 13 und die Sendeeinrichtung 11 eine Sendespule 14 auf. Die Spulen 12, 13, 14 verlaufen in tangentialer Richtung geometrisch periodisch entlang des jeweiligen Substrats 3, 4, 5. Dazu sind sie in tangentialer Richtung stufenförmig, vorliegend rechteckförmig, ausgebildet. Die Energie- und/oder Signalübertragung zu oder von den verschiedenen Spulen 12, 13, 14 erfolgt durch elektrische Kontaktanschlüsse 15. Diese sind insbesondere als Flexkabel oder Schleifkontakte ausgebildet.
Bei Verwendung der Sende- oder Empfangseinrichtungen 9‘, 10‘, 11 ‘ sind entsprechende Spulen 12‘, 13‘, 14‘ vorgesehen. Die erste Sendeeinrichtung 9‘ weist dann eine erste Sendespule 12‘, die zweite Sendeeinrichtung 10 eine zweite Sendespule 13‘ und die Empfangseinrichtung 11 ‘ eine Empfangsspule 14‘ auf. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist diese Möglichkeit in den Figuren nicht durch die entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel derartiger Sende- oder Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 für die Sensoranordnung 1. Anstelle der Sendespule 14 ist auf dem dritten Substrat 5 ein als Target ausgebildetes elektrisch leitfähiges Wirkelement 16 angeordnet, dem eine ortsfeste Erregerspule 17 mit mehreren Windungen zugeordnet ist. Die erste Empfangsspule 12 und die zweite Empfangsspule 13 verlaufen in tangentialer Richtung weiterhin geometrisch periodisch entlang des jeweiligen Substrats 3, 4, sind jedoch nun im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel in tangentialer Richtung sinusförmig und damit schon in sich differentiell ausgebildet. Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 sind diese differentiellen Spulen dann paarweise differentiell in Reihe geschaltet, wie noch mit Verweis auf Figur 4 erläutert werden wird. Weiter sind jeweils zur Erhöhung der Robustheit des Messverfahrens eine weitere erste Empfangsspule 18 und eine weitere zweite Empfangsspule 19 vorgesehen, wobei die ersten Empfangsspulen 12, 18 und die zweiten Empfangsspulen 13, 19 jeweils zueinander versetzt angeordnet sind. Die entsprechenden Substrate 3, 4, 5 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht beziehungsweise durchsichtig dargestellt. Alternativ bildet das Wirkelement 16 das dritte Substrat 5 direkt.
Figur 4 zeigt einen beispielhaften Schaltplan einer Kombination von zwei der Sende- oder Empfangseinrichtungen 9, 10, 11 für die Sensoranordnung 1. Beispielgebend ist die Verschaltung der beiden Empfangsspulen 12, 13 auf dem ersten und zweiten Substrat 3, 4 dargestellt. Diese sind über eine als Block dargestellte, insbesondere als ASIC ausgebildete Schaltungsanordnung 20 differenziell miteinander verschaltet, werden also gegensinnig von elektrischem Strom durchflossen. Ebenfalls mit der Schaltungsanordnung 20 verbunden ist die Sendespule 14.
Die Schaltungsanordnung 20 wird durch eine Versorgungsleitung 21 mit elektrischer Spannung versorgt und ist durch die Masseleitung 22 mit einem elektrischen Bezugspotential verbunden. Über Ausgangsleitungen 23 wird ein Ausgangssignal der Sensoranordnung 1 ausgegeben.
Figuren 5A und 5B zeigen Magnetfeld-Winkel-Diagramme beim Einsatz der Sensoranordnung 1, vorliegend einen Verlauf der Magnetfeldstärke eines Magnetfelds B über einen Torsionswinkel a. So zeigt die Figur 5A den Betrag des Magnetfeldes B, der bei einer Torsion des Torsionsstabs 2 entsteht, wenn die erste Empfangsspule 12 und die zweite Empfangsspule 13 einen Winkelversatz von elektrisch 90° zueinander aufweisen.
In diese Anordnung ergeben sich immer abwechselnd Bereiche mit jeweils maximalen Signalen für die Spulen 12, 13, dargestellt durch die entsprechend schraffierten, die Stärke des Magnetfelds B repräsentierenden Flächen, sodass ein maximal mögliches Gesamtsignal als Ausgangssignal der Sensoranordnung 1 entsteht. Die Figur 5B zeigt den Betrag des Magnetfeldes B, der bei einer Torsion des Torsionsstabs 2 entsteht, wenn die Spulen 12, 13 keinen Winkelversatz zueinander aufweisen. Entsprechend sind die Bereiche mit maximaler und minimaler Magnetfeldstärke deckungsgleich, sodass ein minimal mögliches Gesamtsignal ausgegeben wird.
Schließlich zeigt Figur 6 noch ein Spannungs-Winkel-Diagramm, vorliegend einen Verlauf der induzierten elektrischen Spannung U in den Empfangsspulen 12, 13 über ihren Differenzwinkel cp. Es ist erkennbar, dass sich das Spannungssignal mit einer Periodizität P wiederholt, sodass dadurch ein Eindeutigkeitsbereich definiert ist. Die Empfangsspulen 12, 13 sind geometrisch dabei derart ausgebildet, dass die induzierte Spannung proportional zu dem Torsionswinkel und dem Torsionsmoment an dem Torsionsstab 2 ist.

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung (1) zum Ermitteln eines Torsionswinkels eines Torsionsstabs (2), insbesondere einer Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem ersten, zweiten und dritten, insbesondere jeweils platten- oder scheibenförmigen Substrat (3,4,5), die voneinander beabstandet an dem Torsionsstab (2) angeordnet und mit dem Torsionsstab (2) jeweils drehfest verbunden sind, wobei das dritte Substrat (5) in Längserstreckung des Torsionsstabs (2) zwischen dem ersten Substrat (3) und dem zweiten Substrat (4) angeordnet ist, wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat (3,4) eine erste und eine zweite elektrische Empfangseinrichtung (9,10) und auf dem dritten Substrat (5) zumindest ein Teil einer elektrischen Sendeeinrichtung (11) angeordnet sind, oder wobei auf dem ersten und dem zweiten Substrat (3,4) zumindest ein Teil einer ersten und einer zweiten elektrischen Sendeeinrichtung (9‘,10‘) und auf dem dritten Substrat (5) eine elektrische Empfangseinrichtung (11‘) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Empfangseinrichtung (9,10) oder die erste und die zweite Sendeeinrichtung (9‘,10‘) differentiell miteinander verschaltet sind.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (11) zumindest eine Sendespule (14), die erste Empfangseinrichtung (9) zumindest eine erste Empfangsspule (12) und die zweite Empfangseinrichtung (10) zumindest eine zweite Empfangsspule (13) aufweisen, oder dass die erste Sendeeinrichtung (9‘) zumindest eine erste Sendespule (12‘), die zweite Sendeeinrichtung (10‘) zumindest eine zweite Sendespule (13‘), und die Empfangseinrichtung (11‘) zumindest eine Empfangsspule (14‘) aufweisen.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Sendespule (12,13) oder die erste und die zweite Empfangsspule (12‘, 13‘) jeweils die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (11) ein auf dem dritten Substrat (5) angeordnetes oder als das dritte Substrat (5) ausgebildetes, elektrisch leitfähiges Wirkelement (16), insbesondere Target, und eine dem Wirkelement (16) zugeordnete, ortsfeste Erregerspule (17) aufweist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Sendespulen, Empfangsspulen (12,13,14) oder das Wirkelement (16) in tangentialer Richtung geometrisch periodisch entlang des jeweiligen Substrats (3,4,5) verläuft oder ausgebildet ist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine der Sendespulen, Empfangsspulen (12,13,14) oder das Wirkelement (16) in tangentialer Richtung sinusförmig oder zumindest annähernd stufenförmig, insbesondere rechteckförmig, entlang des jeweiligen Substrats (3,4,5) verläuft oder ausgebildet ist.
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie derart gewählt ist, dass die Ausgangssignale der Sendeeinrichtungen und/oder Empfangseinrichtungen (9,10,11) einen Torsionswinkel des Torsionsstabs (2) repräsentieren.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Sensoranordnung (1) induzierte elektrische Spannung (U) proportional zu dem Torsionswinkel des Torsionsstabs (2) ist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einem der Substrate (3,4,5) zumindest zwei Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtungen (9,10,11) jeweils um einen vorgegebenen Drehwinkel versetzt zueinander angeordnet sind.
10. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Substrat mit zumindest einer weiteren Sendeeinrichtung oder Empfangseinrichtung drehfest auf dem Torsionsstab (2) angeordnet ist.
11. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsstab (2) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und eine Masseverbindung für zumindest eine der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen (9,10,11) ausbildet.
12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie- und/oder Signalübertragung zu zumindest einer der Sendeeinrichtungen oder der Empfangseinrichtungen (9,10,11) durch Flexkabel, Schleifkontakte, oder drahtlos erfolgt.
13. Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch eine Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Lenkvorrichtung nach Anspruch 13.
15. Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Differenzwinkel einer Verdrehung der Empfangseinrichtungen oder der Sendeeinrichtungen (9,10,11) zueinander in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz einer induzierten elektrischen Spannung ermittelt wird.
PCT/EP2023/067422 2022-08-25 2023-06-27 Sensoranordnung zum ermitteln eines torsionswinkels eines torsionsstabs, lenkvorrichtung eines kraftfahrzeugs, kraftfahrzeug, verfahren zum betreiben einer sensoranordnung WO2024041778A1 (de)

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