CN114391085A - 用于检测可旋转轴的旋转角位置的传感器装置以及车辆的转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定可旋转轴(02)的旋转角位置的传感器装置(01)。传感器装置(01)包括同轴地联接至可旋转轴(02)的主齿轮(03)以及被布置成可旋转地联接在主齿轮(03)上的次齿轮(04)。传感器装置(01)还包括：两个目标(06，07)，两个目标中的每一个被布置在主齿轮(03)的横向面上或次齿轮(04)的横向面上；以及两个旋转角传感器(08，09)，所述旋转角传感器紧邻主齿轮(03)和次齿轮(04)被布置在电路板(05)上。确定主齿轮(03)的角度和次齿轮(04)的角度，并且将所述角度作为角度信号转发给布置在电路板上的评估单元(10)。本发明还涉及一种具有所述传感器装置(01)的转向装置。

Description

用于检测可旋转轴的旋转角位置的传感器装置以及车辆的转 向装置
技术领域
本发明涉及用于确定可旋转轴的旋转角位置的传感器装置。传感器装置可以用于确定可旋转机器元件上的旋转角位置，特别是转向元件上的旋转角位置。转向元件优选地是车辆的转向装置的一部分。
背景技术
从DE195 06 938 A1中已知一种用于确定旋转角位置的方法。其中所描述的方法特别是用于确定机动车辆的转向轴的旋转角位置，该转向轴通常可旋转超过360°。转向轴表示与至少两个另外的可旋转本体配合的第一可旋转本体，这些可旋转本体例如形成为齿轮或齿圈。可旋转本体的角度位置借助于两个传感器进行确定，这两个传感器连接至使用算法来确定转向轴的实际角度位置的电子评估电路。另外的可旋转本体的齿数与第一可旋转本体的齿数不同，因此使得能够更精确地确定旋转角。
根据实践，具有传感器单元的被设计为电位计的旋转角确定装置是已知的。这些装置会受到磨损且易于出现故障。此外，测量精度限于几度。基于磁性测量原理的传感器单元可能对彼此具有负面影响，这可能导致测量结果的失真。此外，磁性作用传感器需要至少一个驱动齿轮机构和至少两个输出齿轮机构以覆盖超过360°的测量范围。使用游标原理将以这种方式获得的信号处理成单个角度信号。由于所使用的磁性体，磁性作用传感器会经受磁滞现象。另外，外部磁场可以用作干扰源并且显著地影响测量结果。
使用光学传感器并且具有例如有源光电二极管和无源光学刻度的传感器单元也是已知的。测量精度受光学刻度的精度限制。因此制造昂贵，并且传感器单元对污垢和温度敏感。此外，光学传感器需要相对大的安装空间。
使用感应传感器的旋转角确定装置也是已知的。根据背景技术，到目前为止，若干个感应传感器的组合还没有成功，这是因为传感器以不期望的方式相互影响。
从EP 2 180 296 A1中已知用于确定可旋转轴的旋转角位置的旋转角位置确定装置，特别是用于确定联接至该旋转角位置确定装置的机动车辆的转向轴或可旋转轴的旋转角。该装置包括主转子和联接至主转子的辅助转子。在主转子上布置有第一传感器单元，第一传感器单元被设计为感应传感器并且具有与主转子和固定定子一起旋转的感应转子。此外，在辅助转子上布置有第二传感器单元并且该第二传感器单元被设计为包括传感器元件和磁体的磁性作用传感器，其中，该传感器元件被设计成检测磁体的运动。
在申请时尚未公开的本申请人的专利申请中，描述了一种用于检测沿轴线延伸的转向元件的转向扭矩和绝对角度位置的传感器装置，其包括用于确定转向扭矩的第一传感器元件和用于确定绝对角度位置的第二传感器元件。第二传感器元件包括两个旋转角传感器以及作为机械减速器一起作用的至少两个齿轮，其中，其在每种情况下在它们的横向面中的一个上形成目标。第一目标形成为半圆形，并且第二目标被分成圆段并且因此绕其圆周具有不同的有效面积。目标的半圆形几何形状使得当转向元件旋转时生成正弦/余弦信号，该信号可以被旋转角传感器检测到。利用正弦/余弦信号，可以使用反正切确定从0°到360°的绝对角度。
发明内容
基于现有背景技术，本发明的一个目的是提供一种用于确定可旋转轴特别是车辆的转向轴的旋转角位置的纯感应传感器装置。此外，将提供一种具有这样的传感器装置的改进的车辆转向装置。
所述目的通过根据所附权利要求1所述的用于测量可旋转轴上的旋转角位置的传感器装置以及通过根据权利要求10所述的转向装置来实现。
根据本发明的传感器装置用于确定可旋转轴的旋转角位置。可旋转轴例如是机动车辆的转向杆、或转向轴、或方向盘的一部分。特别地，传感器装置用于针对旋转轴的多圈旋转确定旋转角位置，即针对大于一圈或超过360°的旋转确定旋转角位置。通常，一般转向距离允许从每个方向上的零位置开始的至少2.5个回转或-/+900°的旋转角。为了确定旋转角位置，传感器装置包括主齿轮，该主齿轮可以同轴地联接至可旋转轴，并且在主齿轮上布置有第一目标，用于确定该主齿轮的角度位置。此外，传感器装置包括次齿轮，该次齿轮与主齿轮形成齿轮机构，即两个齿轮相互啮合并且沿相反方向旋转。在次齿轮上也布置有第二目标，以确定该次齿轮的角度位置。此外，传感器装置包括电路板，该电路板平行于两个齿轮的主延伸平面布置并且被布置成不可旋转和/或固定至壳体。优选地，电路板形成为盘状并且具有轴通道，可旋转轴可以被可旋转地引导穿过该轴通道。这有利于节省空间的布置。此外，传感器装置包括：与目标相对地布置在电路板上的至少两个旋转角传感器；以及评估单元，该评估单元优选地也安装在电路板上并且接收由旋转角传感器提供的角度信号，并且使用该角度信号来计算主齿轮和次齿轮的绝对旋转角位置以及联接至主齿轮的可旋转轴的旋转角位置。
所述目标在主齿轮和次齿轮的横向面中的每一个面上180°的角度部分上延伸，使得均由激励电流馈电的旋转角传感器可以确定两个齿轮的角度位置。优选地，所述目标以环形部段的方式附接至或集成至相应齿轮的表面中。两个旋转角传感器被设计为感应传感器，其利用频率不同的激励电流进行操作。这抑制了两个传感器的激励电流的相互干扰，其使得能够更准确地确定旋转角。
优选地，旋转角传感器被设计为电路板上的线圈装置，其中，每个旋转角传感器具有至少一个激励线圈和两个以相反方向连接的接收器线圈。激励线圈生成随时间变化的磁场，并且在两个反向的接收器线圈中感应出电压，其中如果在激励线圈的有效范围内不存在导电物体，则该电压互相抵消。然而，如果在激励线圈的有效范围内存在导电物体，即两个齿轮中的一个上的目标，则在该物体中感应出涡电流，其生成指向与激励场相反方向上的场。这引起在相反方向上的两个接收器线圈中的感应电压产生偏差。目标的电压比可以用于确定目标的位置，并且因此确定相应齿轮的角度位置。
为了能够进行感应检测，在180°的角度部分上延伸的目标表现出导电性，使得可以基于旋转角传感器中感应出的电压变化来确定主齿轮和次齿轮的角度位置。
优选地，将带通滤波器联接至每个旋转角传感器以仅提取期望的频率或非常窄的频带用于进行进一步的信号处理，使得对其他频率的抗噪性提高。这确保了旋转角传感器利用不同的频率进行操作。
优选地，第一部分环形目标具有比第二部分环形目标大的半径并且因此径向更向外地布置在主齿轮上，而第二目标径向更向内地布置在附加齿轮上。同样，可以相反地选择布置和半径。因此，即使在齿轮接触或其齿轮的齿啮合的区域中，目标之间的距离也增加，使得两个目标中的任何一个都不在另一目标的感应有效范围内，这抑制了相互干扰并且使得能够精确地确定旋转角。
优选地，两个附加本体的齿数相差一个齿，使得可以应用游标原理。利用该原理，可以提高确定主齿轮和联接至主齿轮的轴的旋转角位置的精度。
优选地，主齿轮和次齿轮可以由塑料制成，因此避免激励线圈的有效范围内除目标以外的导电材料的影响。优选地，目标可以嵌入主齿轮或次齿轮中，其中，例如目标以表面齐平嵌入。替选地，其也可以被布置成使得其被塑料完全包围。特别是与由塑料制成的齿轮组合，这使得能够简化设计，并且尤其是简化生产。
根据本发明的转向装置包括可旋转轴和传感器装置，该传感器装置根据以上描述的传感器装置及其所有实施方式联接至可旋转轴。因此，可旋转轴承载传感器装置的主齿轮，并且优选地是车辆转向***的一部分。特别优选地，转向***是电动机械动力转向***。
附图说明
本发明的其他细节、优点和其他实施方式可以在以下描述中找出，其中参照附图中示出的示例性实施方式对本发明进行了更详细的描述和说明。在附图中：
图1示出了根据本发明的传感器装置的示例性实施方式的侧视图；
图2示出了传感器装置的顶视图；
图3示出了传感器装置的主齿轮和次齿轮的详细视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的传感器装置01的示例性实施方式。传感器装置01用于确定可旋转轴02的旋转角位置，该可旋转轴可以是电动机械转向***的一部分并且该可旋转轴特别地为转向轴。在安装好传感器装置时，传感器装置的主齿轮03以带齿编码器轮的形式布置在该转向轴02上，该主齿轮与可旋转轴02一起旋转。在该主齿轮03上布置有呈带齿游标齿轮机构形式的、可旋转地联接的次齿轮04，由主齿轮03引起该次齿轮旋转。可以将主齿轮03设计成与次齿轮04相比具有较大的直径，由此次齿轮04经历与主齿轮03相比较高的旋转速度。替选地，次齿轮04在主齿轮03上的空间布置可以与图1中的布置不同。主齿轮03和次齿轮04具有不同的齿数以便能够应用游标原理。这也使得能够在超过360°的旋转范围内确定旋转角。此外，在主齿轮03上布置有第一目标06并且在次齿轮04上布置有第二目标07(见图3)，第一目标和第二目标用于确定齿轮的旋转角。第一旋转角传感器08和第二旋转角传感器09与目标06、07相对地布置在电路板05上，第一旋转角传感器和第二旋转角传感器检测目标的运动并且在每种情况下生成角度信号。同样位于电路板05上的评估单元10接收角度信号并且使用角度信号来计算转向轴02的绝对旋转角位置。评估单元10优选地为微控制器，该微控制器与其他电子部件一起安装在电路板上。
盘状电路板05大体上垂直于转向轴02的轴线延伸。如果有必要，电路板05也可以用作用于转向轴02的可旋转轴承。
图2示出了传感器装置01的顶视图。电路板05具有轴通道，转向轴02被引导穿过该轴通道。在未进一步示出的方式中，电路板05以不可旋转的方式进行布置；例如，这可以通过紧固到壳体或通过转向轴02上的轴承来实现。此外，还示出了主齿轮03和次齿轮04的布置。
图3示出了主齿轮03和次齿轮04面向电路板05的侧部。目标06和07分别布置在每一侧部上，其均覆盖环形部分并且在约180°的角度部分上延伸。这些目标06、07彼此间隔开，使得减少相互干扰。优选地，目标06、07与主齿轮03或次齿轮04的表面齐平嵌入。
附图标记说明
01传感器装置 02可旋转轴 03主齿轮 04次齿轮 05电路板 06第一目标 07第二目标 08第一旋转角传感器 09第二旋转角传感器 10评估单元。

Claims (10)

1.一种用于确定可旋转轴(02)的旋转角位置的传感器装置(1)，所述可旋转轴能够从零位置开始旋转至少-/+360°，其中，所述传感器装置包括：
-主齿轮(03)，所述主齿轮能够同轴地联接至所述可旋转轴(02)，并且在所述主齿轮上布置有第一导电目标(06)；
-次齿轮(04)，所述次齿轮与所述主齿轮(03)以类齿轮机构的方式接合，并且在所述次齿轮上布置有第二导电目标(07)；
-电路板(05)，所述电路板平行于所述两个齿轮(03，04)的主延伸平面布置，以不可旋转的方式进行布置，具有轴通道，所述可旋转轴(02)能够被可旋转地引导穿过所述轴通道并且所述电路板承载与所述两个齿轮(03，04)的所述目标(06，07)相对布置的至少两个旋转角传感器(08，09)；
-评估单元(10)，所述评估单元接收由所述旋转角传感器(08，09)提供的角度信号，并且根据所述角度信号确定所述可旋转轴(02)的旋转角位置；
其特征在于：所述第一目标(06)在所述主齿轮(03)的横向面上180°的角度部分上延伸；所述第二目标(07)在所述次齿轮(04)的横向面上180°的角度部分上延伸；所述旋转角传感器(08，09)是均被提供有激励电流的感应传感器；以及用于激励所述旋转角传感器(08)检测所述第一目标(06)的第一激励电流与用于激励所述旋转角传感器(09)检测所述第二目标(07)的第二激励电流具有不同的频率。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(01)，其特征在于，所述主齿轮(03)和所述次齿轮(04)的齿数相差一个齿，使得能够根据游标原理进行所述可旋转轴(02)旋转角位置的确定。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置(01)，其特征在于，所述第一目标(06)与所述第二目标(07)具有不同的半径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(01)，其特征在于，所述第一目标(06)被径向向外地布置在所述主齿轮(03)上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器装置(1)，其特征在于，所述第二目标(07)被径向向内地布置在所述次齿轮(04)上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器装置(01)，其特征在于，所述旋转角传感器(08，09)作为线圈装置设置在所述电路板(05)上。
7.根据权利要求6所述的传感器装置(01)，其特征在于，旋转角传感器(08，09)均具有激励线圈和两个以相反方向连接的接收器线圈。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器装置(01)，其特征在于，所述主齿轮(03)和所述次齿轮(04)由塑料制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器装置(01)，其特征在于，所述目标(06，07)均以表面齐平的方式嵌入在所述主齿轮(03)或所述次齿轮(04)的与所述电路板(05)相对的横向面中。
10.一种具有可旋转轴(02)的车辆转向装置，其特征在于，在所述可旋转轴(02)上布置有根据权利要求1至9中任一项所述的传感器装置(01)。
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