DE102011002563A1

DE102011002563A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102011002563A1
Application number: DE102011002563A
Authority: DE
Inventors: Udo Kaess; Axel Kaschner; Lars Sodan; Jürgen Kurle; Holger Behrens
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US20120152034A1; FR2969280A1; CN102564297A; US8813578B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (600), die einen Drehwinkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels und einen Drehmomentsensor zum Erfassen eines Drehmoments aufweist, wobei der Drehwinkelsensor einen drehbaren Drehwinkelgeber mit Indexelementen aufweist, und wobei der Drehmomentsensor einen drehbaren Drehmomentgeber mit Magneten, die ein Magnetfeld erzeugen, und eine Magnetflusseinheit (608) zum Verstärken des Magnetfelds aufweist, wobei die Indexelemente und die Magnetflusseinheit (608) miteinander drehfest verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, die einen Drehwinkelsensor und einen Drehmomentsensor umfasst, und ein Verfahren zum Erfassen eines Drehwinkels und eines Drehmoments.
Stand der Technik
Bei elektronischen Lenkanlagen bzw. EPS-Systemen (electric power steering) wird eine Messung des Drehmoments am Lenkrad benötigt. Das Dreh- bzw. Lenkmoment, das der Fahrer am Lenkrad erzeugt, führt zur Verdrillung eines Torsionsstabs um einen zum Drehmoment proportionalen Winkel, der durch einen Drehmomentsensor (TSS, torque steering sensor) gemessen wird. EPS-Systeme haben deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen hydraulikbasierten Lenkunterstützungssystemen, weshalb diese in Zukunft voraussichtlich vollständig durch EPS-Lenkungen abgelöst werden.
Die Messung des Dreh- bzw. Lenkwinkels wird bspw. für das ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) benötigt. Durch Verbreitung des ESP als fester Bestandteil von Unfallvermeidungssystemen werden zunehmend alle Fahrzeugklassen mit Lenkwinkelsensoren ausgestattet. Bei weiteren Systemen, wie bspw. PP (park pilot), ACC (adaptive cruise control), 4WD (Vierradantrieb), DDD (driver-drowsiness-detection) usw., werden ebenfalls Lenkwinkelinformationen verwendet. Je nach Fahrzeugausstattung werden unterschiedliche Anforderungen an eine Lenkwinkelmessung gestellt. Ein Lenkwinkelsensor (LWS) der Robert Bosch GmbH mit hoher Auflösung und Genauigkeit ist z. B. der LWS5 (Class 111 Sensor).
Bei einigen Drehmomentwinkelsensoren (TAS, torque angle sensor) werden Konzepte zur Messung des Drehmoments auf Basis von Induktionsspulen, Schleifkontakten oder Magnetkreisen verwendet. Die Einzelteile von Drehwinkel- und Drehmomentsensoren bauen in der Regel auf magnetischen Prinzipien auf. In einem Drehmomentsensor ist als Zusatzelement ein Index-Signal integriert, das einen Schaltimpuls liefert, wenn die Lenkung in ”Geradeausfahr-Position” ist. In dem Lenkwinkelsensor LWS5 der Robert Bosch GmbH werden Zahnräder zur Winkelerkennung verwendet.
Eine Sensoranordnung zu Erfassung eines Differenzwinkels ist in der Druckschrift DE 10 2005 031 086 A1 beschrieben. Die Sensoranordnung umfasst mindestens ein magnetfeldempfindliches Sensorelement, mit dem die Magnetfeldinformationen eines Magnetkreises, der ein mit einer Welle verbindbares Magnetpolrad und ferromagnetische Fluxringe mit Zähnen aufweist, auswertbar sind. Dabei verlaufen die Zähne zum radialen Abgriff der Magnetfeldinformation des Magnetpolrads in radialer Richtung der Welle.
Die Druckschrift DE 195 06 938 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Winkels eines um mehr als 360° drehbaren Körpers. Dieser drehbare Körper wirkt dabei mit wenigstens zwei weiteren drehbaren Zahnrädern zusammen, deren Winkelposition mit Hilfe zweier Sensoren ermittelt wird. Aus den so ermittelten Winkelpositionen wird die Winkellage des drehbaren Körpers bestimmt. Damit eindeutige Aussagen möglich sind, ist es erforderlich, dass alle drei drehbaren Körper bzw. Zahnräder bestimmte vorgebbare Zahnzahlen aufweisen. Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich bspw. zur Ermittlung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs verwenden.
In der Druckschrift DE 10 2008 011 448 ist eine Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil mit Gebern und Sensoren beschrieben, die in Abhängigkeit von der Drehwinkeländerung des rotierenden Bauteils von den Gebern erzeugte Änderungen einer physikalischen Größe als digital auswertbare Signale detektieren. Das rotierende Bauteil weist mindestens einen an seinem Umfang gekoppelten, durch seine Rotation sich drehenden Satelliten kleineren Umfangs, vorzugsweise mit einem Winkelsensor, auf. Der Satellit treibt über ein axial gekoppeltes Hypozykloidgetriebe eine ebenfalls rotierende Hypozykloidscheibe oder Hypozykloidzahnrad an, deren Umdrehungsgeschwindigkeit durch das Hypozykloidgetriebe derart untersetzbar ist, dass hieraus eine Umdrehungszahl des rotierenden Bauteils und der absoluten Lenkwinkel über mehrere Umdrehungen der Lenkwelle bestimmt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine Sensoranordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Mit der Erfindung wird in Ausgestaltung eine Sensoranordnung als kombinierter Drehmoment- und Drehwinkelsensor, üblicherweise für eine Lenkanlage eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt, der auch als Drehmonentwinkelsensor (TAS) und somit als Kombination eines Dreh- oder Lenkmomentsensors (TSS) und eines Drehwinkelsensors (LWS) bezeichnet werden kann. Dabei kann über den Drehwinkelsensor auch ein Lenkwinkel ermittelt werden.
Bei der Sensoranordnung ist in Ausgestaltung an Stelle eines Indexmagneten auf einer Magnetflusseinheit (FTU, flux-tube-unit) ein als Multipolrad ausgebildeter Ring, der kreisförmig angeordnete Magnete als Indexelemente umfasst, an der Oberkante der FTU befestigt. Der Ring ist entsprechend einem LWS-Prinzip ausgebildet, dessen Durchmesser der jeweiligen Applikation angepasst werden kann. Eine Leiterplatte des TSS wird zusätzlich mit zwei, drei oder vier Index-ICs bzw. Index-Schaltkreisen als magnetfeldsensitive Sensoren, die Drehmomentaufnehmer bilden, bestückt. Diese ICs sind als Hallelemente oder Hallschalter, kurz Hall-IC, ausgebildet, die sich bei einer definierten Magnetfeldstärke ein- bzw. ausschalten. Mit bereits zwei Index-ICs kann ein inkrementeller Lenkwinkelsensor aufgebaut werden. Die Genauigkeit der Sensoranordnung steigt mit Anzahl der ICs auf der Leiterplatte bzw. Platine. In einem Steuergerät, das mit der Sensoranordnung zusammenwirkt, werden Schaltinformationen der ICs ausgewertet.
Außerdem kann optional vorgesehen sein, dass dem Steuergerät Fehler eines Signals für das Drehmoment über den Lenkwinkel einprogrammiert werden. Diese Fehler werden durch eine Dreh- bzw. Lenkwinkelinformation kompensiert.
Durch eine Busschaltung, z. B. PSIS-synchron, kommunizieren alle ICs über ein Leitungspaar mit einem Steuergerät, das zur Auswertung von Signalen des Drehwinkelsensors und des Drehmomentsensors mit der Sensoranordnung zusammenwirkt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein erster Ring als Drehmomentgeber des Drehmomentsensors als Indexelemente kreisförmig angeordnete Magnete aufweist, die insgesamt ein Multipolrad bilden, das auch als Magneteinheit bezeichnet werden kann. Bei einer Drehung dieses Multipolrads um eine Achse wird ein sich drehendes Magnetfeld bereitgestellt, das durch Überlagerung der einzelnen Magnetfelder der Magnete gebildet ist. Dieses Magnetfeld wird durch eine Magnetflusseinheit als weitere Komponente des Drehmomentsensors verstärkt. Die Magnetflusseinheit ist koaxial zu der Achse, in der Regel zu dem Multipolrad axial versetzt, angeordnet und umfasst bspw. zwei Ringe aus ferromagnetischem Material.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste Ring als Drehmomentgeber sowie die Magnetflusseinheit relativ zueinander um die Achse gedreht. Dabei ergibt sich zwischen dem ersten Ring und der Magnetflusseinheit ein Differenzwinkel und demnach ein relativer Winkel, der proportional zu dem zu ermittelnden Drehmoment ist.
Das verstärkte Magnetfeld wird durch mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensor des Drehmomentsensors, der als Hall-Schalter ausgebildet ist, erfasst. Ein Signal, das von dem mindestens einen Hall-Schalter bereitgestellt wird, wird zur Bestimmung des Drehmoments an ein Steuergerät, das mit der Sensoranordnung zusammenwirkt, weitergeleitet. Üblicherweise sind zum Erfassen des Magnetfelds mindestens zwei Hall-Schalter als magnetfeldsensitive Sensoren vorgesehen. Somit ist es möglich, dass das Steuergerät die von den mindestens zwei Hall-Schaltern bereitgestellten redundanten Signale vergleichen und ein ggf. vorhandenes fehlerhaftes Signal zumindest eines der Hall-Schalter erkennen kann.
Falls zur Bestimmung des Drehwinkels durch den Drehmomentsensor ein Drehwinkelgeber, der als ein Multipolrad ausgebildet ist, das einen Ring aus Magneten als Indexelemente umfasst, verwendet wird, wird das sich bei Drehung des Multipolrads bereitgestellte, ebenfalls drehende Magnetfeld von mindestens einem ebenfalls als Hall-Schalter ausgebildeten Drehwinkelaufnehmer erfasst, wobei dieser mindestens eine Hall-Schalter als magnetfeldsensitiver Sensor ortsfest zu dem sich drehenden Multipolrad angeordnet ist. Bei einem Polwechsel, der durch das sich drehende Magnetfeld erzeugt wird, wechselt der mindestens eine Hall-Schalter seinen Schaltzustand. Auf Grundlage des durch den mindestens einen Hall-Schalter erfassten, sich drehenden Magnetfelds stellt der Hall-Schalter ein Signal bereit und leitet dieses ebenfalls an das Steuergerät weiter.
Hierbei ist vorgesehen, dass die Magnetflusseinheit des Drehmomentsensors sowie die bspw. als Magnete ausgebildeten Indexelemente des Drehwinkelsensors baulich kombiniert und üblicherweise miteinander drehfest verbunden sind. Bei Auswertung des Signals zu dem Drehwinkel kann das Steuergerät Polwechsel der sich drehenden Magnete mitzählen und daraus den Drehwinkel des Multipolrads des Drehwinkelsensors berechnen. In diesem Fall wird der Drehwinkel inkremental gezählt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zum Erfassen des Magnetfelds des Multipolrads mindestens zwei als Hall-Schalter ausgebildete Drehwinkelaufnehmer verwendet werden, so dass eine Bestimmung des Drehwinkels ebenfalls redundant erfolgen kann.
Die Bestimmung des Drehwinkels kann alternativ durch Erfassen einer zweiten physikalischen Größe erfolgen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Magnetflusseinheit mit einem zweiten Ring als Drehwinkelgeber kombiniert ist, der als erstes Zahnrad ausgebildet ist. Dabei sind die Magnetflusseinheit und das erste Zahnrad miteinander drehfest verbunden. In diesem Fall weist der Drehwinkelsensor zum Bestimmen des Drehwinkels mindestens einen Drehwinkelaufnehmer auf, der als zweites Zahnrad ausgebildet ist, wobei Zähne des ersten Zahnrads des Drehwinkelgebers in Zähne des mindestens einen zweiten Zahnrads als Drehwinkelaufnehmer greifen. Demnach wird bei einer Drehung des ersten Zahnrads des Drehwinkelaufnehmers auch das mindestens eine zweite Zahnrad des Drehwinkelaufnehmers in Drehung versetzt. Weiterhin wird eine Drehbewegung des mindestens einen zweiten Zahnrads erfasst, daraus ein Signal gebildet und an das Steuergerät zur Berechnung des Drehwinkels weitergeleitet.
In Ausgestaltung kann der Drehwinkelsensor zum Bestimmen des Drehwinkels mindestens zwei zweite Zahnräder als Drehwinkelaufnehmer umfassen, deren Zähne in die Zähne des ersten Zahnrads des Drehwinkelgebers greifen, so dass bei einer Drehung des ersten Zahnrads des Drehwinkelgebers die mindestens zwei zweiten Zahnräder als Drehwinkelaufnehmer des Drehwinkelsensors ebenfalls in Drehung versetzt werden. Durch mehrfache Ausführung der zweiten Zahnräder des Drehwinkelsensors ist es möglich, den Drehwinkel ebenfalls redundant zu erfassen.
Zur Bestimmung einer Drehbewegung des mindestens einen zweiten Zahnrads des Drehwinkelsensors kann in diesem Zahnrad ein Magnet angeordnet sein, dessen Drehung ebenfalls durch einen Hall-Schalter erfasst wird, so dass daraus ein Signal gebildet und zur weiteren Auswertung an das Steuergerät weitergeleitet wird.
In weiterer Ausgestaltung kann das mindestens eine zweite Zahnrad des Drehwinkelsensors über ein axial gekoppeltes Hypozykloidgetriebe eine ebenfalls drehbare Hypozykloidscheibe oder ein Hypozykloidzahnrad antreiben. Hierbei wird eine Umdrehungsgeschwindigkeit durch das Hypozykloidgetriebe untersetzt, wobei eine resultierende Umdrehungszahl des sich drehenden ersten Zahnrads des Drehwinkelsensors sowie ein absoluter Drehwinkel, in der Regel über mehrere Umdrehungen des ersten Zahnrads, ermittelt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der zweite Ring des Drehwinkelsensors als Indexelement Markierungen aufweisen, die an einer Außenwandung, bspw. an einer Außenwand des Multipolrads, des Drehwinkelsensors kreisförmig angeordnet sind. Eine Bewegung dieser Markierungen als Indexelemente kann durch mindestens einen optischen Sensor, bspw. eine Fotozelle, optisch erfasst werden, wobei Signale dieses mindestens einen optischen Sensors zur Bestimmung des Drehwinkels an das Steuergerät weitergeleitet werden. Auch in diesem Fall können mindestens zwei optische Sensoren als Drehwinkelaufnehmer vorgesehen sein, so dass auch hier eine redundante Bestimmung des Drehwinkels durch den Drehwinkelsensor möglich ist.
Die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Kombination des LWS6 der Robert Bosch GmbH und des TSS ermöglicht einen kompakten Aufbau einer Funktion zur Drehmomentmessung und Drehwinkelmessung. Durch diesen Aufbau ergibt sich u. a. in radialer Ausrichtung der Sensoranordnung eine geringe Baugröße.
Außerdem ist der Einsatz von Standardkomponenten des LWS6 und des TSS möglich. Weiterhin ist die Kompensation der Rotationsfehler des TSS durch Ausgleich mittels eines Winkelsignals und eine Reduktion von Steckverbindungen bei einem Einsatz einer Busanordnung möglich.
Für die Sensoranordnung sind in Ausgestaltung keine Gleitlager erforderlich. Somit bleibt eine TSS-Funktion berührungslos. Außerdem ist kein zweiter Anbauort für den LWS an der Lenksäule, die die Lenkwelle umfasst, notwendig. Es ergibt sich ein höheres Maß an funktionaler Sicherheit durch Plausibilisierung der Signale in der Sensoranordnung.
Mit der Erfindung können beide Messungen für das Drehmoment und den Drehwinkel in einer Sensoranordnung, die den Drehwinkelsensor sowie den Drehmomentsensor umfasst, kombiniert werden. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung, weist einen geringen Durchmesser auf. Außerdem können die Einbaumaße insgesamt verringert und Kosten reduziert werden. Es ist möglich, Standardkomponenten des TSS und des LWS6 zu verwenden. Mindestens ein Multipolrad, das zumindest als Drehmomentgeber und auch als Drehwinkelgeber verwendet werden kann, umfasst als Indexelemente feinauflösende Teile, die durch die Magnete, aus denen das mindestens eine Multipolrad gebildet ist, realisiert werden und für Drehmoment- und ggf. auch Lenkwinkelanforderungen gewünscht werden.
Die Kombination des Drehwinkel- und Drehmomentsensors ermöglicht auch Synergien bei der Signalübertragung der Signale für den Drehwinkel und das Drehmoment. Somit können Kompensationsalgorithmen zur Verbesserung des Signals für den Drehwinkel und des Signals für das Drehmoment verwendet werden.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird nur eine gemeinsame Leiterplatte für den Drehmomentsensor und den Lenkwinkelsensor benötigt. Dabei wird nur ein Stecker und Kabel benötigt, um beide von dem Drehwinkelaufnehmer und dem Drehmomentaufnehmer erfassten Signale an das Steuergerät zu senden.
Somit werden in einer Ausführungsform der Erfindung ein Drehwinkelsensor und ein Drehmomentsensor modular zu einem Drehwinkel- und Drehmomentsensor, der im Kfz-Bereich auch als Lenkwinkel- und Drehmomentsensor bezeichnet werden kann, kombiniert. Das Signal des Drehmoments kann über den Lenkwinkel Abweichungen aufweisen. Sind die Abweichungen bekannt, z. B. durch vorheriges Lernen bzw. Teachen, so kann mit der Lenkwinkelinformation die Abweichung in dem Signal für das Drehmoment kompensiert werden.
Bei der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Kombination weist der Drehmomentsensor ein Gleitlager zwischen der Magnetflusseinheit und dem Drehmomentaufnehmer, der auch als Sensoreinheit bezeichnet wird, auf. Die Magnetflusseinheit und die Sensoreinheit sind damit nicht mehr berührungslos. Durch diese Lagerung ist es möglich, einen Zahnkranz an die Magnetflusseinheit oder wahlweise an die als Multipolrad ausgebildete Magneteinheit anzuspritzen und somit das erste Zahnrad bereitzustellen. Die Sensoreinheit als Drehwinkelaufnehmer zur Ermittlung des Drehwinkels umfasst zwei zweite Zahnräder mit unterschiedlicher Anzahl an Zähnen, die mit dem Zahnkranz auf der Magnetflusseinheit oder Magneteinheit kämmen. Durch diese Kombination kann unter Berücksichtigung eines Berechnungsalgorithmus des LWS5 die Lenkwinkelposition ermittelt werden.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Sensoranordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Sensoranordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Sensoranordnung oder der gesamten Sensoranordnung realisiert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensors (TSS).
2 zeigt in schematischer Darstellung Komponenten einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
3 zeigt Details einer Komponente der Sensoranordnung, aus 2.
4 zeigt in schematischer Darstellung ein Detail einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
5 zeigt in schematischer Darstellung ein Detail einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
6 zeigt in schematischer Darstellung eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
7 zeigt in schematischer Darstellung ein Detail der Sensoranordnung aus 6.
8 zeigt in schematischer Darstellung eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
Der in 1 schematisch dargestellte und aus dem Stand der Technik bekannte Drehmomentsensor 100 umfasst drei Komponenten, die zusammengebaut mit einem Torsionsstab und einem Gehäuse, die hier nicht weiter dargestellt sind, die Messung des Drehmoments erlauben. Die Komponenten sind eine Magneteinheit 102 (MU, magnet unit), eine Magnetflusseinheit 104 (FTU, flux-tube-unit) und eine Sensoreinheit 106 (SU, sensor unit). Hierbei ist die Magneteinheit 102 auf einer ersten, in 1 nicht dargestellten Welle und die Magnetflusseinheit 104 auf einer zweiten, in 1 nicht dargestellten Welle befestigt. Die Sensoreinheit 106 ist ortsfest neben der Magnetflusseinheit 104 befestigt. Die beiden genannten Wellen sind über den Torsionsstab miteinander verbunden und können sich über eine gemeinsame Achse relativ zueinander drehen, wobei durch Verdrillen des Torsionsstabs ein Drehmoment erzeugt wird. Von der Magneteinheit 102, die einen Kranz von Magneten umfasst und demnach als Multipolrad ausgebildet ist, wird ein Magnetfeld erzeugt, das durch die Magnetflusseinheit 104 verstärkt und durch die Sensoreinheit 106 zur Bestimmung des Drehmoments erfasst wird.
Die in 2 schematisch dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 200 umfasst einen Drehmomentsensor und einen Drehwinkelsensor. Der Drehmomentsensor und der Drehwinkelsensor sind hier durch eine Geberanordnung 202 und eine Aufnahmeanordnung 204 realisiert, die in 2 wegen der besseren Übersicht voneinander getrennt dargestellt sind. 2 zeigt auch eine als Lenkwelle ausgebildete erste Welle 206.
In der dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung 200 ist die erste Welle 206 von einer Hülse 208 umschlossen, wobei die Hülse 208 und die Welle 206 miteinander drehfest verbunden sind. Die Geberanordnung 202 umfasst als Drehmomentgeber eine Magneteinheit 210 (MU) und eine Magnetflusseinheit 212 (FTU). Dabei umfasst die hier als Multipolrad ausgebildete Magneteinheit 210 ringförmig angeordnete Magnete. Die Magneteinheit 210 ist mit einer zweiten Welle 213 drehfest verbunden. Beide Wellen 206, 213 sind über einen hier von der Geberanordnung 202 verdeckten Torsionsstab miteinander verbunden und können sich um eine gemeinsame Achse relativ zueinander drehen.
Die ebenfalls als Ring ausgebildete Magnetflusseinheit 212 ist aus ferromagnetischem Material und verstärkt Magnetfelder der Magnete der Magneteinheit 210. Es ist hier vorgesehen, dass die Magnetflusseinheit 212 mit der ersten Welle 206 und somit der Hülse 208 drehfest verbunden ist, wohingegen die Aufnahmeanordnung 204, mit einem hier nicht weiter dargestellten, ortsfesten Bauteil verbunden ist.
2 zeigt weiterhin eine Verbindung der Geberanordnung 202 mit der Aufnahmeanordnung 204, wobei ein großes Zahnrad 222 mit einer Nase 224 in eine Nut 226 der Hülse 208 eingeführt wird. Die Geberanordnung 202 und die Aufnahmeanordnung 204 sind somit miteinander verbunden, so dass eine Drehung der Magnetflusseinheit 212 relativ zu der zweiten Welle 213 ebenfalls auf das große Zahnrad 222 übertragen wird.
Außerdem umfasst die Aufnahmeanordnung 204 ein Gehäuse 220, an dem ein Hall-Schalter 221 als Drehmomentaufnehmer zur Bestimmung eines Drehmoments angeordnet ist. In einem zusammengebauten Zustand der Sensoranordnung 200 ist dieser Hall-Schalter 221 zwischen einem ersten, äußeren Ring 223 und einem zweiten, inneren Ring 225 als Komponenten der Magnetflusseinheit 212, die beide zueinander koaxial angeordnet und aus ferromagnetischem Material gebildet sind, angeordnet.
Bei einer Drehung der ersten Welle 206 relativ zu der zweiten Welle 213 um die gemeinsame Achse ergibt sich zwischen diesen beiden Wellen 206, 213 ein Differenzwinkel. Weiterhin wird der Torsionsstab, über den die beiden Wellen 206, 213 miteinander verbunden sind, verdrillt, wodurch sich ein Drehmoment, das proportional zu dem Differenzwinkel zwischen den beiden Wellen 206, 213 ist, ergibt. Dadurch ergibt sich weiterhin, dass sich die Magneteinheit 210 relativ zu den beiden Ringen 223, 225 der Magnetflusseinheit 212 dreht. Ein Magnetfeld, das durch die Magnete der Magneteinheit 210 erzeugt wird, wird durch die beiden Ringe 223, 225 der Magnetflusseinheit 212 verstärkt. Dieses verstärkte Magnetfeld wird durch den Hall-Schalter 221 erfasst. Somit ist es möglich, über den Hall-Schalter 221 eine relative Drehung der ersten Welle 206 zu der zweiten Welle 213 zu erfassen, woraus wiederum ein Signal zur Bestimmung des Drehmoments bereitgestellt wird.
Außerdem weist das als Drehwinkelgeber ausgebildete Zahnrad 222 als Komponente der Aufnahmeanordnung 204 innenwandig die Nase 224 auf. Die erste Hülse 208 als Komponente der Geberanordnung 202 umfasst dagegen außenwandig die Nut 226. Bei einem zusammengebauten Zustand der Sensoranordnung 200 ist die Nase 224 in der Nut 226 eingefügt. Somit bilden die Hülsen 208 und das erste Zahnrad 222 insgesamt eine Nabe. Über die Nabe, d. h. über die aus der Nase 224 und der Nut 226 gebildeten Verbindung, sind die Hülse 208 und das Zahnrad 222 miteinander radial fixiert. Es sind jedoch auch andere drehfeste Verbindungen zwischen der Hülse 208 und dem Zahnrad 222, bspw. eine Verrastung, denkbar. Somit wird eine Drehung der Welle 206 auf das Zahnrad 222 übertragen, das sich somit in gleicher Weise wie die Welle 206 zu dem Gehäuse 220, das an dem nicht dargestellten Bauteil befestigt ist, dreht.
3 zeigt in schematischer Darstellung die Aufnahmeanordnung 204 aus 2 mit geöffnetem Gehäuse 220. Dieses Gehäuse 220 umfasst einen ersten Gehäuseteil 228 und einen zweiten Gehäuseteil 230. Das Zahnrad 222 ist zwischen kreisförmigen Öffnungen 232, 234 der beiden Gehäuseteile 228, 230 angeordnet und durch die Gehäuseteile 228, 230 relativ zu dem Gehäuse 220 drehbar aufgenommen. Aus 3 geht auch hervor, dass das Zahnrad 222 einen Zahnkranz 236 aufweist, der eine Außenwandung des Zahnrads 222 ringförmig oder kranzförmig umschließt. Zähne des Zahnrads 222 bilden Indexelemente zum Erfassen eines Drehwinkels der ersten Welle 206.
Die Aufnahmeanordnung 204 umfasst innerhalb des Gehäuses 220 zwei kleine Zahnräder 238, 240, wobei jedes dieser kleinen Zahnräder 238, 240 einen Magneten aufweist. Außerdem ist innerhalb des Gehäuses 220 der Aufnahmeanordnung 204 eine Leiterplatte 242 angeordnet, die zwei nicht weiter dargestellte magnetfeldsensitive Sensoren umfasst, wobei ein erster derartiger magnetfeldsensitiver Sensor einem ersten kleinen Zahnrad 238 mit dem Magneten und ein zweiter magnetfeldsensitiver Sensor einem zweiten kleinen Zahnrad 240 mit dem Magneten räumlich zugeordnet ist. Außerdem ist vorgesehen, dass als Indexelemente Zähne des großen Zahnrads 222 als Drehwinkelgeber in Zähne der beiden kleinen Zahnräder 238, 240 als Drehwinkelaufnehmer greifen. Somit ergibt sich, dass die kleinen Zahnräder 238, 240 als Räder das große Zahnrad 222, das als Berührungskomponente der Welle 206 zugeordnet ist, berühren.
Bei einer Drehung der Welle 206 wird die erste Hülse 208 über die Nabe, die aus der Nut 224 und der Nase 226 gebildet ist, und somit das mit der Hülse 208 drehfest verbundene große Zahnrad 222 gedreht. Dies führt wiederum dazu, dass die beiden kleinen Zahnräder 238, 240, die mit dem großen Zahnrad 222 zusammenwirken, ebenfalls gedreht werden. Daraus ergibt sich weiterhin, dass die Magnete in den beiden kleinen Zahnrädern 238, 240 relativ zu den magnetfeldsensitiven Sensoren als Komponenten der Leiterplatte 242 gedreht werden. Über Ausrichtungen der Magnetfelder der Magnete in den kleinen Zahnrädern 238, 240 sind über die magnetfeldsensitiven Sensoren innerhalb der Leiterplatte 242 der absolute Lenk- bzw. Drehwinkel der Welle 206 zu bestimmen.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 300, mit der ein Drehwinkel einer in 4 ebenfalls schematisch dargestellten ersten Welle 302 ermittelt werden kann.
Weiterhin ist diese Sensoranordnung 300 auch zum Ermitteln eines Differenzwinkels der ersten Welle 302 zu einer zweiten Welle 304 ausgebildet, wobei diese beiden Wellen 302, 304 über eine gemeinsame Achse 306 relativ zueinander drehbar sind. Außerdem sind diese beiden Wellen 302, 304 über einen in 4 von der Sensoranordnung 300 verdeckten Torsionsstab miteinander verbunden. Bei einer relativen Drehung der ersten Welle 302 relativ zu der zweiten Welle 304 wird der genannten Torsionsstab verdrillt bzw. tordiert, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird, das aus dem Differenzwinkel der beiden sich relativ zueinander drehenden Wellen 302, 304 resultiert und mit der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 300 ermittelt werden kann.
Außerdem zeigt 4 eine an der ersten Welle 302 befestigte Hülse 308, an der als Drehwinkelgeber ein Multipolrad 310 befestigt ist. Das mit der Hülse 308 drehfest verbundene Multipolrad 310 umfasst als Indexelemente mehrere kreis- bzw. ringförmig angeordnete Magnete 312. Weiterhin ist an der Hülse 308 neben dem Multipolrad 310 eine Magnetflusseinheit 314 befestigt und somit drehfest verbunden, die hier zwei zueinander koaxial angeordnete Ringe 316, 318 umfasst, die aus ferromagnetischem Material gebildet sind.
4 zeigt weiterhin eine an der zweiten Welle 304 befestigte Magneteinheit 320 als Drehmomentgeber. Die beiden Wellen 302, 304 sind zudem über einen Torsionsstab 322 miteinander verbunden. Ein Bauteil 324 ist in der anhand von 4 gezeigten Anlage ortsfest angeordnet, so dass sich die beiden Wellen 302, 304 um ihre gemeinsame Achse 306 relativ zu diesem Bauteil 324 drehen können.
An dem ortsfesten Bauteil 324 ist eine Leiterplatte 326 angeordnet, die über Verbindungen 328 mit einem ersten magnetfeldsensitiven Sensor 330, der hier als Drehwinkelaufnehmer ausgebildet ist, sowie mit einem zweiten magnetfeldsensitiven Sensor 332, der hier als Drehmomentaufnehmer ausgebildet ist, verbunden ist. Diese beiden magnetfeldsensitiven Sensoren 330, 332 sind ebenfalls an dem ortsfesten Bauteil 324 befestigt.
4 zeigt weiterhin ein Steuergerät 334, das über eine Leitung 336 mit der Leiterplatte 326 und somit über die Leiterplatte 326 auch mit den beiden magnetfeldsensitiven Sensoren 330, 332 verbunden ist.
Die anhand von 4 dargestellte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 300 umfasst einen Drehwinkelsensor sowie einen Drehmomentsensor. Dabei umfasst der Drehwinkelsensor als Drehwinkelgeber das Multipolrad 310, das die Magnete 312 als Indexelemente umfasst und an der Hülse 308 befestigt ist. Außerdem umfasst der Drehwinkelsensor den ersten magnetfeldsensitiven Sensor 330, der an dem Bauteil 324 befestigt ist. Bei einer Drehung der ersten Welle 302 um die Achse 306 relativ zu dem Bauteil 324 wird mit dem Drehwinkelsensor ein Drehwinkel der ersten Welle 302 erfasst. Hierbei ist vorgesehen, dass ein durch die Magnete 312 erzeugtes Magnetfeld durch den ersten magnetfeldsensitiven Sensor 330 als Drehwinkelaufnehmer erfasst wird. Bei einer Drehung der Welle 302 um die Achse 306 wird durch die sich ebenfalls drehenden Magnete 312 ein Polwechsel in dem magnetfeldsensitiven Sensor 330 hervorgerufen. Außerdem sendet der erste magnetfeldsensitive Sensor 330 über die Verbindung 328 ein Signal an die Leiterplatte 326, das von der Leiterplatte 326 über die Leitung 336 an das Steuergerät 334 übermittelt und und von diesem ausgewertet wird, wobei das Steuergerät 334 auf Grundlage des übertragenen Signals des ersten magnetfeldsensitiven Sensors 330 durch Berechnung den Drehwinkel der ersten Welle 302 ermittelt.
Der Drehmomentsensor der hier gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Sensoranordnung 300 umfasst die an der zweiten Welle 304 befestigte Magneteinheit 320, die ebenfalls kreisförmig angeordnete Magnete umfasst, die ebenfalls ein Magnetfeld erzeugen. Als weitere Komponenten des Drehmomentsensors sind die Magnetflusseinheit 314 sowie als Drehmomentaufnehmer der zwischen den beiden Ringen 316, 318 der Magnetflusseinheit 314 angeordnete zweite magnetfeldsensitive Sensor 332 vorgesehen. Mit diesem Drehmomentaufnehmer ist es möglich, einen Differenzwinkel zwischen der ersten Welle 302 und der zweiten Welle 304 zu erfassen, wenn sich diese beiden Wellen 302, 304 um die gemeinsame Achse 306 relativ zueinander drehen.
Zum Erfassen des Drehmoments wird ein Magnetfeld, das von der Magneteinheit 320 als Drehmomentgeber erzeugt wird, von den beiden Ringen 316, 318 der Magnetflusseinheit 314 verstärkt. Dieses verstärkte Magnetfeld wird von dem zweiten, als Drehmomentaufnehmer ausgebildeten magnetfeldsensitiven Sensor 332 erfasst. Ein auf Grundlage dieses erfassten Magnetfelds von dem zweiten magnetfeldsensitiven Sensor 232 erzeugte Signal, wird über die Verbindung 328 ebenfalls an die Leiterplatte 326 und von der Leiterplatte 326 über die Leitung 336 an das Steuergerät 334 übermittelt. Das von dem Steuergerät 334 empfangene Signal des zweiten magnetfeldsensitiven Sensors 332 wird durch das Steuergerät 334 ausgewertet, wobei das Steuergerät 334 aus diesem Signal des zweiten magnetfeldsensitiven Sensors 332 durch Berechnung das Drehmoment, das proportional zu dem Differenzwinkel der beiden Wellen 302, 304 ist, ermittelt.
Üblicherweise ist vorgesehen, dass das Steuergerät 334 mit der hier gezeigten Ausführungsform der Sensoranordnung 300 zusammenwirkt. Es ist jedoch auch möglich, dass das Steuergerät 334 je nach Definition auch als eine Komponente der Sensoranordnung 300 vorgesehen sein kann. Bei der Sensoranordnung 300 sind die Magnete 312 als Indexelemente des Drehwinkelgebers sowie die Magnetflusseinheit 314 miteinander drehfest verbunden.
Eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 400 zum Erfassen eines Drehwinkels sowie eines Drehmoments ist in 5 schematisch dargestellt. Dabei zeigt 5a diese Sensoranordnung 400 in seitlicher Ansicht und 5b einen Schnitt durch die Sensoranordnung 400 entlang der Linie 402–402.
Weiterhin zeigt 5 eine erste Welle 404, die über einen Torsionsstab 406 mit einer zweiten Welle 408 verbunden ist. Diese beiden Wellen 404, 408 können sich um eine gemeinsame Achse 410 relativ zu einem ortsfest angeordneten Bauteil 412, das hier neben der ersten Welle 404 angeordnet ist, sowie auch relativ zueinander drehen. An dem Bauteil 412 sind zwei als Hall-Schalter 416 ausgebildete Drehwinkelaufnehmer befestigt.
Außerdem ist an dem Bauteil ein weiter Hall-Schalter 422 als Drehmomentaufnehmer befestigt, der zwischen zwei Sammlern 420 angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass sämtliche Hall-Schalter 416, 422 über Verbindungen 424, die hier als Kabel ausgebildet sind, mit einer Leiterplatte 426 (PCB, Printed Circuit Board) verbunden sind.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Sensoranordnung 400 ist eine Hülse 426 mit der ersten Welle 404 verbunden. Dabei ist an der Hülse 426 in einem oberen Bereich ein als Multipolrad 428 ausgebildeter Ring angeordnet, der mehrere Magnete 430 als Indexelemente umfasst. In einem unteren Bereich der Hülse 426 ist eine Magnetflusseinheit 432 befestigt, die zwei koaxial zueinander angeordnete Ringe 434, 436 umfasst, die aus ferromagnetischem Material sind, wobei der zweite Hall-Schalter 422 zwischen diesen beiden Ringen 434, 436 angeordnet ist.
Bei einer Drehung der ersten Welle 404 um die Achse 410 können sich das Multipolrad 428 aus den Magneten 430 sowie die beiden Ringe 434, 436 der Magnetflusseinheit 432 relativ zu dem Bauteil 412 drehen. Ein Magnetfeld, das durch die Magnete 430 des Multipolrads 428 erzeugt wird, wird bei einer Drehung der ersten Welle 404 um die Achse 410 durch die beiden ersten Hall-Schalter 416 erfasst. Somit ist es möglich, einen Drehwinkel der ersten Welle 404 relativ zu dem Bauteil 412 zu bestimmen.
An einer Außenwandung der zweiten Welle 408 ist ebenfalls eine Magneteinheit 438 als Drehmomentgeber befestigt, die mehrere kreis- und/oder kranzförmig angeordnete Magnete umfasst. Dagegen sind die Magnete 430 des Multipolrads 428 sowie die Magnetflusseinheit 432 miteinander drehfest an der Hülse 426 sowie an der ersten Welle 404 befestigt.
Bei einer Drehung der zweiten Welle 408 relativ zu der ersten Welle 404 dreht sich das Magnetfeld, das durch die Magneteinheit 438 erzeugt wird, relativ zu den beiden Ringen 434, 436 der Magnetflusseinheit 432. Durch die beiden Ringe 434, 436 der Magnetflusseinheit 432, die aus ferromagnetischem Material gebildet sind, wird das Magnetfeld, das durch die Magneteinheit 438 bereitgestellt wird, verstärkt und kann somit durch den zweiten Hall-Schalter 422 erfasst werden. Somit ist es möglich, einen Differenzwinkel einer Drehung der beiden Wellen 404, 408 relativ zueinander zu ermitteln. Durch die relative Drehung der beiden Wellen 404, 408 zueinander wird der Torsionsstab 406 zwischen diesen beiden Wellen 404, 408 verdrillt, wobei ein zu dem Differenzwinkel proportionales Drehmoment erzeugt wird. Dieses Drehmoment wird bei der hier dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung durch den zweiten Hall-Schalter 422 erfasst.
Signale, die von den beiden ersten Hall-Schaltern 416 sowie von dem zweiten Hall-Schalter 422 als magnetfeldsensitive Sensoren erzeugt werden, werden über die Verbindungen 424 an die Leiterplatte 426 weitergeleitet. Diese Leiterplatte 426 ist weiterhin mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden, das sämtliche Signale sämtlicher Hall-Schalter 416, 422 weiterverarbeitet und dabei aus den erfassten Signalen den Drehwinkel und das Drehmoment ermittelt.
Eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 600 ist in 6a in Schnittansicht und in 6b in Draufsicht schematisch dargestellt. Dabei zeigt 6 eine erste als Lenkstange eines Kraftfahrzeugs ausgebildete Welle 602, an der koaxial umlaufend eine Hülse 604 über eine Nabe befestigt ist. Diese erste Welle 602 weist eine Achse 603 auf, um die die erste Welle 602 drehbar ist. Dabei ist an der Hülse 604 in einem oberen Bereich ein umlaufendes großes Zahnrad 606 als Drehwinkelgeber und in einem unteren Bereich eine Magnetflusseinheit 608 (FTU, flux-tube-unit) befestigt. Die an der Hülse 604 angeordnete Magnetflusseinheit 608 umfasst zwei koaxial angeordnete Ringe 610, die als Flussleitstücke der Magnetflusseinheit 608 ausgebildet sind. In einem mittleren Bereich sind an der Hülse 604 zwei koaxial umlaufende Spannringe 612 befestigt. Demnach sind Zähne des großen Zahnrads 606, die als Indexelemente eines Drehwinkelgebers vorgesehen sind, und die Magnetflusseinheit 608 miteinander drehfest auf der Hülse 604 und somit auf der ersten Welle 602 angeordnet.
Bei einem Betrieb der ersten Welle 602 ist vorgesehen, dass sich diese um ihre eigene Achse 603 relativ zu einem in 6 nicht weiter gezeigten Bauteil dreht. An diesem Bauteil sind zwei kleine Zahnräder 614 als Drehwinkelaufnehmer drehbar befestigt. Dabei ist in jedem dieser kleinen Zahnräder 614 ein Magnet 616 angeordnet. Weiterhin greifen Zähne der kleinen Zahnräder 614 in die Zähne des großen Zahnrads 606 an der Hülse 604 der Welle 602 ein. Es ist vorgesehen, dass Zähne des großen Zahnrads 606 Indexelemente des Drehwinkelgebers bilden.
Bei einer Drehung der Welle 602 werden unter Wechselwirkung mit dem großen Zahnrad 606 und somit dem Ring auch die beiden kleinen Zahnräder 614 sowie die in den kleinen Zahnrädern 614 angeordneten Magnete 616 in Drehung versetzt. Die sich drehenden, verändernden Magnetfelder der Magnete 616 werden von zwei magnetfeldsensitiven Sensoren 618, die in einer Leiterplatte 620 unterhalb der kleinen Zahnräder 614 angeordnet sind, die wiederum an dem Bauteil befestigt ist, detektiert. Dabei ist jeweils ein magnetfeldsensitiver Sensor 618 unterhalb eines kleinen Zahnrads 614 angeordnet und bspw. als AMR oder Hallelement bzw. Hallsensor ausgebildet. Durch Detektion der sich mit den kleinen Zahnrädern 614 drehenden Magnetfelder, die durch die Magnete 616 erzeugt werden, kann ein Drehwinkel der ersten Welle 602 erzeugt und ermittelt werden. An einem unteren Bereich der Leiterplatte 620 ist ein weiterer magnetfeldsensitiver Sensor 622 als Drehmomentaufnehmer befestigt. Weiterhin zeigt 6a ein zwischen der Hülse 604 und der Leiterplatte 602 angeordnetes Gleitlager 624.
Außerdem zeigt 6a eine zweite Welle 630, die um dieselbe Achse 603 wie die erste Welle 602 drehbar ist. Dabei können sich diese beiden Wellen 602, 630 auch relativ zueinander drehen, wobei sich ein Differenzwinkel zwischen den beiden Wellen 602, 630 ergibt. Außerdem sind diese beiden Wellen 602, 630 über einen Torsionsstab 632 miteinander verbunden. Bei einer Drehung der beiden Wellen 602, 630 relativ zueinander wird dieser Torsionsstab 632 verdrillt, wobei ein Drehmoment erzeugt wird, das proportional zu dem Differenzwinkel der beiden um die gemeinsame Achse 603 relativ zueinander verdrehten Wellen 602, 630 ist.
Koaxial zu der zweiten Welle 630 ist eine Magneteinheit 634, die die zweite Welle 630 umgibt, befestigt. Diese Magneteinheit 634 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 600 als Drehmomentgeber vorgesehen. Magnete als Indexelemente der Magneteinheit 634 erzeugen ein Magnetfeld, das sich bei einer Drehung der zweiten Welle 630 relativ zu der ersten Welle 602 auch relativ zu dem magnetfeldsensitiven Sensor 622 dreht. Das sich ggf. drehende Magnetfeld, das von der Magneteinheit 634 erzeugt wird, wird von den beiden Ringen 610 der Magnetflusseinheit 608 verstärkt und von dem magnetfeldsensitiven Sensor 622 als Drehmomentaufnehmer erfasst. Durch Erfassen des sich drehenden Magnetfelds der Magneteinheit 634 wird zugleich der Differenzwinkel zwischen den beiden Wellen 602, 630 erfasst. Ein Signal, das von dem magnetfeldsensitiven Sensor 622 aus dem erfassten Magnetfeld abgeleitet wird, wird an ein hier nicht weiter dargestelltes Steuergerät übermittelt, das auf Grundlage des übermittelten Signals das Drehmoment berechnen und somit ermitteln kann.
In der dargestellten Sensoranordnung 600 ist die Magnetflusseinheit 608, die auf der Welle 602 der Lenksäule befestigt ist, um eine Nabe erweitert. Über der Leiterplatte 620 sind die zwei kleinen Zahnräder 614 gelagert, die mit der Nabe kämmen. Unterhalb der kleinen Zahnräder 614 sind als AMR oder Planar Hall IC ausgebildete magnetfeldsensitive Sensoren 618 angeordnet, die die Lage der Magnete 616 in den kleinen Zahnrädern 614 detektieren, wodurch eine Winkelposition der Nabe errechnet werden kann.
7 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Leiterplatte 700, wie sie bei einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bspw. der Sensoranordnung 600 aus 6, verwendet wird. Es ist vorgesehen, dass die Leiterplatte 700 geknickt ausgeführt ist. Hierzu weist die Leiterplatte 700 an einer Stelle eine Tiefenfräsung 702 auf, die es erlaubt, die Leiterplatte 700 an dieser Stelle um 90 Grad zu knicken, so dass die Leiterplatte 700 ein L-förmiges Profil aufweist. Insgesamt umfasst die dargestellte Ausführungsform der Leiterplatte 700 eine Basis-Leiterplatte 704 und einen Leiterbahnenabschnitt 706, in dem Leiterbahnen sowie magnetfeldsensitive Sensoren 708, üblicherweise Hallelemente, angeordnet sind. Diese magnetfeldsensitiven Sensoren 708 können in Ausgestaltung der Erfindung als Drehwinkelaufnehmer und/oder als Drehmomentaufnehmer ausgebildet sein.
8 zeigt Details einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 800. Diese Sensoranordnung 800 umfasst einen Drehwinkelsensor 802 zum Erfassen eines Drehwinkels einer ersten Welle 804, wenn sich die Welle 804 um ihre Achse relativ zu einem in 8 nicht weiter dargestellten Bauteil dreht. Außerdem umfasst die Sensoranordnung 800 eine Magnetflusseinheit 806 als Komponente eines Drehmomentsensors, der dazu ausgebildet ist, ein auf die Welle 804 bei einer Drehung der Welle 804 wirkendes Drehmoment zu erfassen.
An einer Außenwandung der ersten Welle 804 ist über eine Nabe eine die Welle 804 koaxial umschließende Hülse 808 als Modul befestigt. Dabei ist in einem oberen Bereich der Hülse 808 ein großes Zahnrad 810 als Drehwinkelgeber befestigt. Dieses große Zahnrad 810 wirkt mit zwei kleinen Zahnrädern 812 als Drehwinkelaufnehmer des Drehwinkelsensors 802 zusammen. Hierbei weist jedes kleine Zahnrad 812 Magnete 814 auf. Die beiden kleinen Zahnräder 812 sind drehbar an dem Bauteil befestigt. Unterhalb der kleinen Zahnräder 812 ist eine Leiterplatte 816 angeordnet, wobei diese Leiterplatte 816 zwei magnetfeldsensitive Sensoren als Drehwinkelaufnehmer umfasst, die unterhalb der Magnete 814 der kleinen Zahnräder 812 angeordnet sind. Die magnetfeldsensitiven Sensoren als Komponenten der Leiterplatte 816 sind in 8b durch die kleinen Zahnräder 812 mit den Magneten 814 verdeckt. In 8a sind weiterhin die kleinen Zahnräder 812 durch ein Gehäuse 818 verdeckt. Aus den Drehwinkeln der beiden kleinen Zahnräder 812 kann nach dem Noniusprinzip der Absolutwinkel der ersten Welle 804 ermittelt werden.
Die Magnetflusseinheit 806 ist wie das große Zahnrad 810 an der Hülse 808 angeordnet und umfasst einen Ring 820. Dieser Ring 820 ist aus ferromagnetischem Material gebildet. Die dargestellte Magnetflusseinheit 806 als Komponente eines Drehmomentsensors 822 ist dazu ausgebildet, ein Magnetfeld, das von einer Magneteinheit 824 bereitgestellt wird, zu verstärken. Diese Magneteinheit 824 ist als Drehmomentgeber 822 ausgebildet, und an einer zweiten Welle 826 befestigt. Somit sind Zähne des großen Zahnrads 810 als Indexelemente zum Bestimmen eines Drehwinkels der ersten Welle 804 sowie die Magnetflusseinheit 806 miteinander drehfest auf der Hülse 808 und demnach auf der ersten Welle 804 angeordnet.
Die erste Welle 804 und die zweite Welle 826 können sich um eine gemeinsame Achse relativ zueinander drehen. Außerdem sind diese beiden Wellen 804, 826 über einen Torsionsstab miteinander verbunden, der in 8 von der Sensoranordnung 800 jedoch verdeckt ist. Falls sich die beiden Wellen 804, 826 relativ zueinander drehen, wird der Torsionsstab zwischen diesen beiden Wellen 804, 826 verdrillt, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. Weiterhin ergibt sich bei einer relativen Drehung dieser beiden Wellen 804, 826 zueinander, dass sich zwischen diesen beiden Wellen 804, 826 ein Differenzwinkel ergibt. Dieser Differenzwinkel ist proportional zu dem Drehmoment. Bei der relativen Drehung der beiden Wellen 804, 826 zueinander wird auch die Magneteinheit 824 relativ zu der Magnetflusseinheit 806 gedreht. Das von der Magneteinheit 824 erzeugte, sich drehende Magnetfeld, wird von der Magnetflusseinheit 806 verstärkt und durch einen magnetfeldsensitiven Sensor 828, der als Drehmomentaufnehmer ausgebildet und ebenfalls an dem Bauteil befestigt ist, erfasst. Aus diesem erfassten Magnetfeld wird bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Drehmoment ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005031086 A1 [0005]
DE 19506938 A1 [0006]
DE 102008011448 [0007]

Claims

Sensoranordnung, die einen Drehwinkelsensor (802) zum Erfassen eines Drehwinkels und einen Drehmomentsensor (822) zum Erfassen eines Drehmoments aufweist, wobei der Drehwinkelsensor (802) einen drehbaren Drehwinkelgeber mit Indexelementen aufweist, und wobei der Drehmomentsensor (822) einen drehbaren Drehmomentgeber mit Magneten, die ein Magnetfeld erzeugen, und eine Magnetflusseinheit (212, 314, 432, 608, 806) zum Verstärken des Magnetfelds aufweist, wobei die Indexelemente und die Magnetflusseinheit (212, 314, 432, 608, 806) miteinander drehfest verbunden sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Indexelemente und die Magnetflusseinheit (212, 314, 432, 608, 806) auf einer ersten Welle (206, 302, 404, 602, 804) angeordnet sind, und bei der der Drehmomentgeber auf einer zweiten Welle angeordnet ist, wobei der Drehwinkelsensor (802) einen Drehwinkel der ersten Welle (206, 302, 404, 602, 804) erfasst, und wobei der Drehmomentsensor (822) einen Differenzwinkel zwischen der ersten Welle (206, 302, 404, 602, 804) und der zweiten Welle (213, 304, 408, 630, 826) erfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Drehwinkelsensor (802) mindestens einen Drehwinkelaufnehmer zum Erfassen einer Drehbewegung der Indexelemente aufweist, und bei der der Drehmomentsensor (822) mindestens einen magnetfeldsensitiven Sensor (332, 708, 828) zum Erfassen des Magnetfelds aufweist, wobei der Drehwinkelaufnehmer und der mindestens eine magnetfeldsensitive Sensor (332, 708, 828) auf einem Bauteil (324, 412) angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, bei der der Drehwinkelaufnehmer und der mindestens eine magnetfeldsensitive Sensor (332, 708, 828) mit einer Leiterplatte (424, 326, 426, 620, 700, 816) verbunden sind.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der der Drehwinkelgeber als Multipolrad (310, 428) mit kreisförmig angeordneten Indexelementen ausgebildet ist, und bei der der Drehmomentgeber als Magneteinheit (210, 320, 438, 634, 824) mit kreisförmig angeordneten Magneten ausgebildet ist, wobei das Multipolrad (310, 428) und die Magneteinheit (210, 320, 438, 634, 824) eine gemeinsame Achse aufweisen.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Indexelemente des Drehwinkelgebers als Zähne eines ersten Zahnrads (222, 606, 810) ausgebildet sind, und wobei der mindestens eine Drehwinkelaufnehmer als zweites Zahnrad (238, 240, 614, 812) ausgebildet ist, wobei Zähne des ersten Zahnrads (222, 606, 810) und Zähne mindestens eines zweiten Zahnrads (238, 240, 614, 812) ineinandergreifen.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Indexelemente des Drehwinkelgebers als Magnete (312, 430) eines Multipolrads (310, 428) ausgebildet sind, und wobei der mindestens eine Drehwinkelaufnehmer als magnetfeldsensitiver Sensor (330, 618, 708) ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Indexelemente und die Magnetflusseinheit (212, 314, 432, 608, 806) auf einer Hülse (208, 308, 426, 604, 808), die mit der ersten Welle (206, 302, 404, 602, 804) drehfest verbunden ist, angeordnet sind.
Verfahren zum Erfassen eines Drehwinkels und eines Drehmoments mit einer Sensoranordnung (200, 300, 400, 600, 800), die einen Drehwinkelsensor (802) und einen Drehmomentsensor (822) aufweist, wobei mit dem Drehwinkelsensor (802) eine Drehung eines Drehwinkelgebers mit Indexelementen und mit dem Drehmomentsensor (822) eine Drehung eines Drehmomentgebers mit Magneten erfasst wird, wobei von den Magneten ein Magnetfeld erzeugt wird, das von einer Magnetflusseinheit (212, 314, 432, 608, 806) verstärkt wird, wobei die Indexelemente und die Magnetflusseinheit (212, 314, 432, 608, 806) miteinander drehfest verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 9, mit dem als Drehwinkel ein Lenkwinkel und ein Drehmoment einer Lenkanlage eines Kraftfahrzeugs erfasst werden.