DE102011084933A1

DE102011084933A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102011084933A1
Application number: DE102011084933A
Authority: DE
Inventors: Ronny Ludwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-25
Also published as: WO2013056960A1

Abstract

Sensoranordnung, die zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle (2) ausgebildet ist und eine an der Welle (2) angeordnete Scheibe (4) mit einer spiralförmigen Rille (6), die eine Drehachse der Welle (2) zumindest einmal umläuft, sowie ein Drehwinkelsensormodul mit einem Lagerzapfen aufweist, der in der Rille (6) geführt ist, wobei der Lagerzapfen in Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle (2) eine Position einnimmt, und wobei das Drehwinkelsensormodul aus der Position des Lagerzapfens den Drehwinkel bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle.
Stand der Technik
Bei Drehmomentsensoren für Wellen werden häufig magnetische Messmethoden eingesetzt. Dabei wird ein sich bei einen Drehbewegung änderndes magnetisches Feld eines Multipolrings mit Hall-Sensoren erkannt und ein Sensorsignal in ein Drehmomentsignal umgerechnet. Diese Hall-Sensoren zeichnen sich durch ihre hohe Auflösung aus, die zum Teil weniger als 0,01° betragen kann. Weiterhin besitzen derartige Drehmomentsensoren i. d. R. noch eine einfache Umdrehungszählfunktion, die auch als Index-Funktion bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um einen kleinen Permanentmagnet, der sich an einem Hall-Schalter vorbeidreht und somit alle 360° ein Schaltsignal liefert.
Weiterhin ist alternativ oder ergänzend die Verwendung des Nonius-Prinzips zum Bestimmen eines Drehwinkels denkbar. Hierbei greifen Zähne eines Zahnkranzes, der an einer Welle angeordnet ist, in Zähne von zwei Messzahnrädern. Die beiden Messzahnräder weisen unterschiedlich viele Zähne auf, woraus bei einer Drehung unterschiedliche Übersetzungen resultieren. Somit verändern die Messzahnräder bei einer Drehung der Welle ihre Drehlage unterschiedlich schnell. Aus der Kombination von zwei aktuell erfassten Winkeln der Messzahnräder kann über eine mathematische Funktion der Gesamtwinkel der Welle berechnet werden. Daher kann mit diesem Messprinzip ohne Umdrehungszähler ein Messbereich von mehreren Wellenumdrehungen abgedeckt werden. Derartige Drehwinkelsensoren erreichen hohe Winkelauflösungen, sind aber aufgrund der vielen Bauelemente und der aufgrund des Messprinzips notwendigen Berechnungen sehr teuer. Allerdings ist mit diesen eine absolute Winkelermittlung über mehrere Umdrehungen möglich, die auch unmittelbar nach dem Einschalten des Drehwinkelsensors verfügbar ist.
Beide erwähnten Messprinzipien können kombiniert werden, was jedoch aufwendig und teuer ist.
Die Druckschrift DE 10 2005 031 086 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Differenzwinkels. Dabei wird vorgeschlagen, dass mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement Magnetfeldinformationen eines Magnetkreises, der ein Magnetpolrad und einen ferromagnetischen Fluxring mit Zähnen aufweist, ausgewertet werden. Die Zähne verlaufen zum radialen Abgriff der Magnetfeldinformation des Magnetpolrads in radialer Richtung.
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.
Die Sensoranordnung weist üblicherweise als eine erste Komponente eine Scheibe auf, die koaxial an der Welle, für die ein Drehwinkel zu bestimmen ist, angeordnet und/oder befestigt ist. Die Scheibe weist eine spiralförmige Rille auf, die auch als Spur bezeichnet werden kann und als Vertiefung in der Scheibe ausgebildet ist. Diese Rille dient als Maß für den Drehwinkel, der mit einem Drehwinkelsensormodul als zweite Komponente der Sensoranordnung durch Wechselwirkung mit der Rille erfasst wird.
Mit der Erfindung ist in Ausgestaltung eine Integration einer absoluten und/oder eindeutigen Lenkwinkelmessung einer Welle bei bspw. vier Umdrehungen und somit über einen Winkelbereich von ca. 1440° bei einer mittleren Auflösung von 1° in einem Drehmomentsensor möglich. Dabei kann eine als Magnetscheibe ausgebildete kreisförmige Scheibe eines Drehmomentsensors auch als Komponente der Sensoranordnung zum Bestimmen des Drehwinkels der Welle verwendet werden.
Hierzu kann eine sogenannte Magnet-Unit bzw. Magneteinheit eines Drehmomentsensors modifiziert werden, wobei in einem Kunststoffträger unterhalb eines Schirmblechs der Magneteinheit in eine Scheibe die spiralförmige Rille oder Vertiefung als Spur, die vier vollständige Umläufe um eine Drehachse der Welle umfassen kann, bspw. durch Materialabtrag, eingefügt wird. Ein üblicherweise verwendeter einfacher Kunststoff, z. B. PBT (Polybutylenterephthalat), wird dabei durch einen gleitlagerfähigen Kunststoff ersetzt. Die spiralförmige Rille weist eine ausreichende Tiefe und eine definierte Breite zur Führung eines in der Regel als Lagerzapfen ausgebildeten Zapfens auf.
Ein Drehwinkelsensormodul als zweite Komponente der Sensoranordnung umfasst einen Halter und ein Glied. Dabei ist als Glied in einer ersten Ausführungsform ein an dem Halter drehbar gelagerter Hebel und in einer zweiten Ausführungsform ein verschiebbar gelagerte Gleitschuh vorgesehen. Der Hebel oder Gleitschuh umfasst in der Regel einen Lagerzapfen und ein als Dipol-Magnet ausgebildetes Magnetelement, das in unmittelbarer Nähe zu einem bspw. als Hall- oder AMR-Element ausgebildeten Magnetsensor angeordnet ist, der an einem Halter ggf. über eine Leiterplatte ortsfest angeordnet ist. Dabei wird ein Magnetfeld des Magnetelements mit dem Hall-Element über den Hall-Effekt oder mit dem AMR-Element über den anisotropen magnetoresistiven Effekt erfasst. Der bspw. auf der Leiterplatte angeordnete Halter dient in beiden Ausführungsformen als Träger einer Schaltung und des Magnetsensors sowie als Lager für das als Hebel oder Gleitschuh ausgebildete Glied. Somit werden sehr geringe Toleranzen zwischen dem Magnetelement und dem Magnetsensor erreicht.
Das relativ zur drehbaren Welle ortsfest anzuordnende Drehwinkelsensormodul ist in der Nähe der Rille der an der Welle angeordneten Scheibe zu positionieren, wobei der Lagerzapfen des Hebels oder Gleitschuhs in die vertiefte Rille der Scheibe, die als Teil der Magneteinheit des Drehwinkelsensors ausgebildet sein kann, eingreift. Dreht sich nun die Scheibe entsprechend einer Drehbewegung der Welle, an der die Scheibe angeordnet ist, so ändert der Hebel oder Gleitschuh als Glied relativ zu dem ortsfesten Halter üblicherweise linear zu der Umdrehung der Welle seine Lage. Eine Änderung der Lage des Glieds, d. h. eine Drehung des Hebels oder eine Verschiebung des Gleitschuhs, betrifft somit auch eine Lage des Magnetelements relativ zu dem Magnetsensor. Die Änderung einer Feldrichtung und/oder Feldstärke eines Magnetfelds des Magnetelements kann mit dem AMR- oder Hall-Element als Magnetsensor gemessen werden. Eine positionsabhängige Änderung des Magnetfelds korreliert üblicherweise linear mit dem Drehwinkel der Welle. Somit ist eine absolute Messung des Drehwinkels möglich.
Die Erfindung kann für Lenkwinkelsensoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei kann ein absoluter Drehwinkel von 4 (+/–2) Lenkradumdrehungen, also absolut 1440°, gemessen werden. Daher weist die Rille in der Scheibe vier vollständig umlaufende Spuren auf. Über diese 1440° wird der Hebel in der ersten Ausführungsform um einen Winkelbetrag X, wobei X bspw. 90° ist, ausgelenkt oder der Gleitschuh in der zweiten Ausführungsform um einen Betrag Y, wobei Y bspw. 12 mm ist, verschoben. Ein mit der Sensoranordnung zu erfassender Winkelbereich kann durch eine Anzahl an Umläufen der als Spur vorgesehenen Rille in der Spule je nach Bedarf eingestellt werden. Falls die Rille die Drehachse der Welle x-mal umläuft, kann ein Winkelbereich von 360°·x abgedeckt werden, wobei x eine reelle und somit nicht notwendigerweise ganze natürliche Zahl ist.
Zur Reduktion eines Lagerspiels zwischen dem Lagerzapfen und der vertieften Rille in der Scheibe kann der Hebel oder Gleitschuh mit einer weichen Feder um eine Kraft von wenigen Newton vorgespannt werden, wobei bei geeigneter Vorspannung der Feder eine toleranzfreie Messung des Drehwinkels möglich ist. Somit werden Berührungsflächen zwischen dem Lagerzapfen und der Rille eindeutig vordefiniert und somit das Lagerspiel zwischen dem Lagerzapfen und der Rille reduziert.
Mit der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Sensoranordnung wird eine kompakte über bspw. vier Umdrehungen einer Welle absolut messende Winkelmessvorrichtung, die eine spiralförmige Rille umfasst, bereitgestellt. Dabei ist eine direkte Korrelation eines ermittelten Winkelmesssignals zu einem Umdrehungswinkel der Welle gegeben, so dass ein Drehwinkel ohne zusätzliche Berechnung durch absolute Messung bestimmt werden kann. Demnach kann auch auf einen hierfür ansonsten erforderlichen Mikrocontroller verzichtet werden.
Die Sensoranordnung ist kompakt aufgebaut und benötigt einen geringen Platzbedarf sowie eine relativ einfache Aufbau- und Verbindungstechnik. Außerdem bietet die Sensoranordnung eine sogenannte TPO(True-Power-On)-Funktionalität. Somit ist unmittelbar nach dem Einschalten der Sensoranordnung auch ohne Bewegung der Welle deren Winkelstellung bekannt, da diese durch die Position und/oder Stellung des Glieds zu dem Halter vorgegeben ist. Gleiches gilt für eine Drehbewegung der Welle ohne Bestromung, falls z. B. eine Batterie zur Versorgung der Sensoranordnung abgeklemmt ist. Die Sensoranordnung ist bei geeigneter Auswahl eines Gleitlagerstoffs, bspw. eines Gleitlagerkunststoffs, als Material für die Scheibe und/oder für den Lagerzapfen verschleißarm.
Mit der Erfindung wird eine Alternative zu herkömmlichen Drehwinkelsensoren bereitgestellt. Weiterhin kann die Scheibe der Sensoranordnung als Modul eines Drehmomentsensors in diesem Drehmomentsensor integriert sein, so dass nunmehr auf eine ansonsten übliche sogenannte Index-Funktion zur Umdrehungszählung bei Drehwinkelsensoren verzichtet werden kann.
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 verschiedene schematische Darstellungen einer ersten Komponente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die bei einer in den nachfolgenden Figuren beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung verwendet werden kann.
2 zeigt verschiedene schematische Darstellungen einer ersten als Drehwinkelsensormodul ausgebildeten Komponente für eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
3 zeigt die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in schematischen Darstellungen.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine Funktionsweise der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
5 zeigt verschiedene schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines Drehwinkelsensormoduls für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
6 zeigt in schematischer Darstellung die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in verschiedenen Ansichten.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine Funktionsweise der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
8 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensor in schematischen Darstellungen.
9 zeigt in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes Beispiel für einen Drehwinkelsensor.
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.
Die in 1 schematisch dargestellte erste Komponente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle 2 ist als kreisförmige Scheibe 4 ausgebildet, die die Welle 2 koaxial umschließt und hier auf einer Unterseite als axial orientierte Seite der Scheibe 4 eine spiralförmige Rille 6 aufweist, die eine Drehachse 8 der Welle 2 viermal vollständig umläuft. Dabei zeigt 1a die Unterseite der Scheibe 4, 1b die Scheibe 4 in Schnittdarstellung und 1c die Scheibe 4 von oben. Es ist vorgesehen, dass die Scheibe 4 eine Hülse 10 aufweist, über die die Scheibe 4 an der Welle 2 drehfest angeordnet und somit befestigt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass an der Oberseite der Scheibe 4 zusätzlich ein Magnetkreis 12 angeordnet ist, der als Komponente eines hier nicht weiter dargestellten Drehmomentsensors ausgebildet ist. Demnach ist vorgesehen, dass die hier gezeigte Scheibe 4 als Träger des Magnetkreises 12 einer sogenannten Magneteinheit des Drehmomentsensors und zugleich als Komponente einer der nachfolgend beschriebenen Sensoranordnungen verwendet werden kann. In diesem Fall ist in der Scheibe 4 zudem ein Schirmblech 14 angeordnet, über das der Magnetkreis 12 von der insbesondere in 1b deutlich erkennbaren Nut der spiralförmigen Rille 6 elektromagnetisch abgeschirmt ist.
Die Scheibe 4 ist hier als Kunststoffträger ausgebildet. Die spiralförmige Rille 6 kann bspw. bei einem Gießverfahren der Scheibe 4 in diese eingefügt oder in einen fertigen Rohling der Scheibe 4 durch ein materialabtragendes Verfahren eingefügt werden. Da die spiralförmige Rille 6 die Drehachse 8 der Welle 2 hier viermal vollständig umläuft und/oder umrundet, ist mit einer Sensoranordnung, die eine Scheibe 4 mit einer derart ausgebildeten spiralförmigen Rille 6 umfasst, ein Drehwinkel der Welle 2 um bis zu vier Umdrehungen ermittelbar. Dabei ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Abstand A eines Mittelpunkts der Rille 6 in radialer Richtung der Scheibe 4 und/oder der Rille 6 von der Drehachse 8 der Welle mit zunehmendem Winkel α ebenfalls zunimmt. Ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem Abstand A(α) und dem Winkel α, wobei dA/dα > 0 ist, kann bspw. durch die Formel: A(α) = A₀ + mα (1) beschrieben werden, wobei A₀ ein festzulegender minimaler Abstand eines Punkts der Rille 6 von der Drehachse 8, α ein Drehwinkel der Welle 2 und m ein Proportionalitätsfaktor, der eine Spreizung der Rille 6 beschreibt, ist. Falls eine Form der Rille 6 mit der Formel (1) beschrieben werden kann, ist die Rille 6 entsprechend einer archimedischen Spirale oder eines Teils einer archimedischen Spirale geformt, wobei der Abstand A proportional zum Winkel α ist.
Die anhand der 1 vorgestellte, als Scheibe 4 mit einer spiralförmigen Rille 6 ausgebildete erste Komponente einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann für die erste nachfolgend beschriebene Ausführungsform der Sensoranordnung 44 (3 und 4) sowie für die zweite nachfolgend beschriebene Ausführungsform der Sensoranordnung 72 (6 und 7) eingesetzt werden.
Die in 2 gezeigte erste Ausführungsform eines Drehwinkelsensormoduls 20 umfasst einen Halter 22 sowie ein als Hebel 24 ausgebildetes Glied aus Gleitlagerkunststoff, wobei an einem ersten Ende dieses Hebels 24 ein Lagerzapfen 26 aus Gleitlagerkunststoff angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Drehwinkelsensormodul 20 eine Leiterplatte 28, auf der der Halter 22 befestigt ist.
Im Detail zeigt 2a das Drehwinkelsensormodul 20 in Draufsicht, 2b das Drehwinkelsensormodul 20 in Schnittansicht, 2c das Drehwinkelsensormodul 20 in seitlicher Ansicht, 2d die Leiterplatte 28 und 2e das als Hebel 24 ausgebildete Glied in Draufsicht sowie in Schnittansicht.
Es ist vorgesehen, dass ein zweites Ende des Hebels 24 in einer Lagerführung 30 des Halters 22 relativ zu dem Halter 22 um einen Winkel von 90° (gebogener Doppelpfeil) drehbar gelagert ist. Im Bereich des zweiten Endes des Hebels 24 ist in dem oder an dem Hebel 24 ein hier als Dipol-Magnet ausgebildetes Magnetelement 32 angeordnet. Außerdem ist im Bereich des Magnetelements 32 als weitere Komponente des Drehwinkelsensormoduls 20 ein Magnetsensor 34 vorgesehen, der hier über die Leiterplatte 28 mit dem Halter 22 verbunden und somit an dem Halter 22 angeordnet ist.
Wie die nachfolgenden 3 und 4 verdeutlichen, ist das anhand von 2 vorgestellte Drehwinkelsensormodul 20 ortsfest neben einer drehbaren Welle 2 im Bereich einer Scheibe 4 mit einer spiralförmigen Rille 6 anzuordnen (1). Dabei könnte eine ortsfeste Befestigung des Drehwinkelsensormoduls 20 z. B. über Zapfen 36, welche die Leiterplatte 28 mit dem Halter 22 durch Warmverstemmen verbinden, gleichzeitig erfolgen.
2 zeigt zudem, dass der Lagerzapfen 26 einen Lagerkopf 38 aufweist, der bei Betrieb der anhand der nachfolgenden 3 und 4 beschriebenen ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 44 in der spiralförmigen Rille 6 der Scheibe 4 angeordnet ist. Außerdem sind in den 2a und 2c eine optionale Feder 40 und in 2d eine Lagerbohrung 42 gezeigt.
Der Hebel 24 ist in der Lagerführung 30 des Halters 22 und an der Lagerbohrung 42 in der Leiterplatte 28 in radialer Richtung und in axialer Richtung zwischen dem Halter 22 und der Leiterplatte 28 drehbar gelagert. Zur Reduktion der Toleranzen oder zur Reduktion des Lagerspiels zwischen dem Hebel 24 und dem Halter 22 kann der Hebel 24 durch die Feder 40 optional mit einer Kraft von wenigen Newton geringfügig vorgespannt werden.
Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 44 ist in 3 in verschiedenen Ansichten schematisch dargestellt. Dabei umfasst diese erste Ausführungsform der Sensoranordnung 44 zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle 2 die in 1 vorgestellte Scheibe 4, die die spiralförmige Rille 6 aufweist, sowie das anhand von 2 vorgestellte erste Drehwinkelsensormodul 20.
Die erste Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 20, das in axialer Richtung unterhalb der Scheibe 4 positioniert und relativ zu der Welle 2 an einem hier nicht dargestelltem Bauteil ortsfest befestigt ist, greift mit dem Lagerkopf 38 des Lagerzapfens 26 in die spiralförmige Rille 6, die auch als Spur bezeichnet werden kann, ein. Der Lagerzapfen 26 wird in der Rille 6 lagernd geführt. Dreht sich die Scheibe 4 relativ zum feststehenden Drehwinkelsensormodul 20, so ändert sich die Lage des Hebels 24, bspw. an der Lagerbohrung 42, und somit des Magnetelements 32, das in einem Drehpunkt des Hebels 24 positioniert ist, relativ zu dem Magnetsensor 34.
In Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle 2 innerhalb der vier vorgesehenen Umdrehungen ändert sich die Lage des Hebels 24 mit dem in der spiralförmigen Rille 6 geführten Lagerzapfen 26. Somit ändert sich auch die Feldrichtung und/oder Feldstärke des Magnetfelds des Magnetelements 32 zum Magnetsensor 34. Die Änderung der Feldrichtung und/oder Feldstärke ist somit ein Maß für den Drehwinkel des Magnetelements 32. Die Winkelposition des Hebels 24 ist zum Drehwinkel der Welle 2 innerhalb von 1440°, was vier Umdrehungen entspricht, im Rahmen der Herstellungstoleranzen aller Komponenten immer absolut eindeutig.
Hier ist es möglich, einen Zusammenhang eines Drehwinkels β des Hebels 24 zu dem bspw. anhand von Formel (1) beschriebenen Abstand A des Lagerkopfs 38 und/oder des Lagerzapfens 26 von der Drehachse 8 und somit einen Zusammenhang des Drehwinkels β des Hebels 24 mit dem zu ermittelnden Drehwinkel α der Welle 2 bereitzustellen. Der Drehwinkel β des Hebels 24 ist mit dem Magnetsensor 34 bspw. über die Feldrichtung und/oder Feldstärke des Magnetfelds des Magnetelements 32 an der Position des Magnetsensors 34 bestimmbar. In Ausgestaltung entsprechen vier Umdrehungen und somit ein Drehwinkel α = 1440° der Welle 2 z. B. 90° des Drehwinkels β des Hebels 24.
Ein typisches AMR-Element als Magnetsensor 34 weist eine Winkelauflösung von 0,05° auf. Es gilt: 90°/0,05° = 1800. Die Auflösung bei vier Umdrehungen = 1440°/1800 beträgt 0,8°. Bei einem Messfehler von 25 % ergibt sich somit bspw. eine Auflösung von 1°.
In 4 ist anhand von mehreren Beispielen eine vom Drehwinkel der Welle 2 sowie der Scheibe 6 abhängige Position des Lagerzapfens 26 in der Rille 6 sowie eine Stellung des Hebels 24 dargestellt. Dabei zeigt 4a die Situation bei einem Drehwinkel α = –720° gegen den Uhrzeigersinn, 4b bei α = –360° gegen den Uhrzeigersinn, 4c bei α = 0°, 4d bei α = +360° im Uhrzeigersinn und 4e bei α = +720° im Uhrzeigersinn.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Drehwinkelsensormoduls 50, das als Komponente der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 72, die anhand der nachfolgenden 6 und 7 vorgestellt wird, ausgebildet ist. Dieses zweite Drehwinkelsensormodul 50 umfasst einen Halter 52 aus Gleitlagerkunststoff als Glied, einen ebenfalls aus Gleitlagerkunststoff gebildeten Gleitschuh 54, an dem ein im Querschnitt ellipsenförmiger Lagerzapfen 56 angeordnet ist. Im Detail zeigt 5a das Drehwinkelsensormodul 50 in Draufsicht, 5b in Schnittansicht und 5c in seitlicher Ansicht. 5d zeigt eine Leiterplatte 58 als weitere Komponente des Drehwinkelsensormoduls 50. 5e zeigt das hier als Gleitschuh 54 ausgebildete Glied aus verschiedenen Perspektiven.
Der hier im Querschnitt U-förmige ausgebildete Halter 52 umschließt einen Gleitbereich 60, entlang dem der Gleitschuh 54 axial verschiebbar gelagert ist. Dabei ist der Gleitschuh 54 zwischen zueinander parallel angeordneten Schenkeln 65 des Halters 52 angeordnet. Hierbei berührt der Gleitschuh 54 eine als Gleitlagerführung 63 ausgebildete Innenwandung des Halters 52. Außerdem ist in den 5a und 5c eine optionale Feder 62 dargestellt, über die der Gleitschuh 54 mit dem Halter 52 verbunden und zur Reduktion der Toleranzen oder zur Reduktion eines Lagerspiels zwischen dem Lagerzapfen 56 und dem Gleitschuh 54 mit einer Kraft von wenigen Newton vorgespannt ist. Der in 5d auf der Leiterplatte 58 gestrichelt angedeutete Gleitbereich 60 ist aus gleitfähigem Material, bspw. metallisch beschichtet, so dass sich der Gleitschuh 54 relativ zu dem Halter 52 reibungsarm bewegen kann.
Es ist vorgesehen, dass der in dieser Ausführungsform U-förmige Halter 52 auf der Leiterplatte 58 über Zapfen 64, bspw. über Warmverstemmen, befestigt ist. Eine ortsfeste Verbindung zu einem nicht dargestellten Bauteil, das neben einer drehbaren Welle 2 angeordnet ist, an der wiederum eine Scheibe 4 mit einer spiralförmigen Rille 6 (1) anzuordnen ist, kann über die gleichen Zapfen 64 erfolgen.
Somit ist es möglich, zur Bereitstellung der mit 6 vorgestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 72 zum Bestimmen des Drehwinkels der Welle 2 den Halter 52 der zweiten Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50 ortsfest neben der um die Drehachse 8 drehbaren Welle 2 anzuordnen.
Weiterhin ist vorgesehen, einen Lagerkopf 66 des an dem Gleitschuh 54 angeordneten Lagerzapfens 56 in der spiralförmigen Rille 6 der Scheibe 4 anzuordnen. Dabei wird eine große Halbachse des im Querschnitt ellipsenförmigen Lagerzapfens 56 in tangentialer Richtung der Rille 6 angeordnet, wohingegen eine kleine Halbachse des Lagerzapfens 56 in radialer Richtung der spiralförmigen Rille 6 anzuordnen ist. Insgesamt ist die zweite Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50 relativ zu der Scheibe 4 sowie der spiralförmigen Rille 6 so anzuordnen, dass eine Verschiebung des Gleitschuhs 54 relativ zu dem Halter 52 bei einer Drehung der Welle 2 um ihre Drehachse 8 in radialer Richtung verschoben wird, wenn der Lagerzapfen 56 in der spiralförmigen Rille 6 angeordnet ist und sich bei einer Drehung der Welle 2 entlang der Rille 6 bewegt.
In dem Gleitschuh 54 als Glied der zweiten Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50 ist ein als Dipol ausgebildetes Magnetelement 68 angeordnet, das sich bei einer Verschiebung des Gleitschuhs 54 relativ zu dem Halter 52 relativ zu einem Magnetsensor 70 bewegen kann, der auf einer Unterseite der Leiterplatte 58 befestigt und demnach über die Leiterplatte 58 an dem Halter 52 befestigt ist.
6 zeigt die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 72 aus verschiedenen Perspektiven. Diese zweite Ausführungsform der Sensoranordnung 72 zum Bestimmen eines Drehwinkels der Welle 2 umfasst als Komponenten die anhand von 1 vorgestellte Scheibe 4 mit der spiralförmigen Rille 6 sowie die zweite Ausführungsform des Drehwinkelsensormoduls 50, das anhand von 5 beschrieben ist.
Das Drehwinkelsensormodul 50, das unterhalb der Scheibe 4 positioniert und üblicherweise mit einem hier nicht gezeigten Bauteil verbunden ist, greift mit dem Lagerzapfen 56 in die spiralförmige Rille 6 ein. Der Lagerzapfen 56 wird in der Rille 6 als Spur lagernd geführt. Dreht sich die Scheibe 4 relativ zu dem feststehenden Drehwinkelsensormodul 50, so ändert sich die Lage des Gleitschuhs 54 und somit des Magnetelements 68 relativ zum Magnetsensor 70.
In Abhängigkeit des Drehwinkels der Scheibe 4 innerhalb der vier vorgesehenen Umdrehungen ändert sich die horizontale und/oder radiale Lage des Gleitschuhs 54 entsprechend dem in der spiralförmigen Rille 6 als Spur geführten Lagerzapfen 56, dessen Abstand sich von der Drehachse 8 der Welle 2 entsprechend einer Position entlang der Rille 6 ändert. Somit ändert sich auch die Feldrichtung und/oder Feldstärke des Magnetfelds des Magnetelements 68 zum Magnetsensor 70. Die Änderung der Feldrichtung und/oder Feldstärke ist somit ein Maß für den Drehwinkel der Scheibe 4. Eine Position des Gleitschuhs 54 ist zum Drehwinkel der Magneteinheit im Bereich von 0° bis 1440°, d. h. von vier Umdrehungen der Welle 2, im Rahmen der Herstellongstoleranzen aller Komponenten immer absolut eindeutig.
Unterschiedliche drehwinkelabhängige Positionen des Gleitschuhs 54 mit dem in der Rille 6 angeordneten Lagerzapfen 56 sind in 7 im Detail dargestellt. Dabei zeigt 7a die Situation bei einem Drehwinkel von –720° gegen den Uhrzeigersinn, 7b bei einem Drehwinkel von –360° gegen den Uhrzeigersinn, 7c bei 0°, 7d bei +360° im Uhrzeigersinn und 7e bei +720° im Uhrzeigersinn.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass ein Abstand A des in der Rille 6 geführten Lagerzapfens 56 von der Drehachse 8 proportional zum Drehwinkel α der Welle 2 ist und durch die Formel (1) beschrieben werden kann. Die Position des Lagerzapfens 56 entlang der Rille 6 und somit dessen Abstand A zu der Drehachse 8 kann weiterhin aus der Position des Magnetelements 68 zu dem Magnetsensor 70 direkt abgeleitet werden. Somit ist es möglich, einen Drehwinkel α der Welle 2 einer Richtung und/oder Stärke des von dem Magnetsensor 70 erfassten Magnetfelds zuzuordnen.
Bei beiden Ausführungsformen der Sensoranordnung 44, 72 umläuft die spiralförmige Rille 6 als Spur in der Scheibe 4 zumindest einmal die Drehachse 8 der Welle 2. Der Lagerzapfen 26, 56 ist in der Rille 6 geführt, und nimmt in Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle 2 eine Position und somit einen Abstand A zu der Drehachse 8 ein, woraus von dem Drehwinkelsensormodul 20, 50 der Drehwinkel α bestimmt wird. Ein Abstand eines Punkts der spiralförmigen Rille 4 von der Drehachse 8 der Welle 2 nimmt mit einem Wert des Drehwinkels α zu.
Jedes vorgestellte Drehwinkelsensormodul 20, 50 weist einen Halter 22, 52 und ein Glied auf, an dem der Lagerzapfen 26, 56 angeordnet ist. Das Glied ist relativ zu dem Halter 22, 52 bewegbar gelagert, wobei eine Position des Glieds relativ zu dem Halter 22, 52 von einer Position des Lagerzapfens 26, 56 in der Rille 6 abhängig ist.
Das Glied weist ein Magnetelement 32, 68 auf, das ein Magnetfeld erzeugt. Der Halter 22, 52 weist einen Magnetsensor 36, 70, bspw. einen Hall- oder AMR-Sensor, auf. Dabei kann das Magnetelement 32, 68 in und/oder an dem Glied und der Magnetsensor 36, 70 in und/oder an dem Halter 22, 52 angeordnet sein. Der Magnetsensor 36, 70 erfasst eine Feldstärke und/oder eine Feldrichtung des Magnetfelds. Aus diesen Parametern des Magnetfelds wird die Position des Lagerzapfens 26, 56 entlang der Rille 6 und daraus der Drehwinkel der Welle 2 bestimmt. Ein Zusammenhang des Drehwinkels der Welle 2 und der Position des Lagerzapfens 26, 56, üblicherweise der radiale Abstand A des Lagerzapfens 26, 56 von der Drehachse 8 der Welle 2, hängt von der Form der Rille 6 als Spur für den Lagerzapfen 26, 56 ab und kann in der Regel über eine einfache Formel dargestellt werden. Ein Zusammenhang zwischen der drehwinkelabhängigen Position des Lagerzapfens 26, 56 und der Feldstärke und/oder Feldrichtung des Magnetfelds des Magnetelements 32, 68, die von dem zur Welle 2 sowie der Scheibe 4 ortsfest angeordneten Magnetsensor 36, 70 erfasst wird, kann ebenfalls über eine Formel beschrieben werden.
Bei der ersten Ausführungsform der Sensoranordnung 44 ist das Glied als Hebel 24 ausgebildet, wobei an einem ersten Ende des Hebels 24 der Lagerzapfen 26 angeordnet ist. Ein zweites Ende des Hebels 24 ist an dem Halter 22 radial drehbar gelagert. Bei der zweiten Ausführungsform der Sensoranordnung 72 ist das Glied als Gleitschuh 54 ausgebildet, der den Lagerzapfen 56 aufweist und der entlang des Halters 52, bspw. in radialer Richtung zu der Drehachse 8, verschiebbar gelagert ist.
In beiden Ausführungsformen ist das Glied, d. h. entweder der Hebel 24 oder der Gleitschuh 54, über eine Feder 40, 62 mit dem Halter 22, 52 verbunden. Die Scheibe 4 sowie der Lagerzapfen 26, 56 mit dem Lagerkopf 38, 66 können aus Gleitlagerkunststoff gebildet sein.
Eine der beschriebenen Sensoranordnungen 44, 72 zur Bestimmung des Drehwinkels der Welle 2 kann auch mit einem Drehmomentsensor kombiniert werden, wobei die Scheibe 4 mit der Rille 6 als ein Modul des Drehmomentsensors ausgebildet ist. Üblicherweise umfasst ein derartiger Drehmomentsensor ebenfalls eine scheibenförmige Komponente, die koaxial zu einer Welle 2 angeordnet ist und bspw. als Magneteinheit bezeichnet wird. Somit kann eine vorgestellte Sensoranordnung 44, 72 zum Bestimmen des Drehwinkels mit einem Drehmomentsensor kombiniert werden. Es ist auch möglich, die Rille 6 in einer anderen Scheibe 4, die die Welle 2 koaxial umschließt und an der Welle 2 bereits zu einem anderen Zweck angeordnet ist, vorzusehen. Somit kann die beschriebene Sensoranordnung 44, 72 in Kombination mit anderen Einrichtungen, die ohnehin für die Welle 2 vorgesehen sind und eine Scheibe 4 aufweisen, bspw. dem erwähnten Drehmomentsensor, aber auch unabhängig davon realisiert werden.
8 zeigt in schematischer Darstellung einen aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentsensor 100, der dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment zwischen einer ersten Welle 102 und einer zweiten Welle 104, die über einen Torsionsstab 106 miteinander verbunden sind, zu bestimmen. Dabei sind als Komponenten dieses Drehmomentsensors 100 an der ersten Welle 102 eine Magnetflusseinheit 108 und an der zweiten Welle 104 eine Magneteinheit 110 angeordnet. Weiterhin umfasst dieser Drehmomentsensor 100 eine Sensoreinheit 112, die relativ zu den beiden Wellen 102, 104 ortsfest angeordnet ist, einen zwischen der Magnetflusseinheit 108 und der Sensoreinheit 112 angeordneten axialen Befestigungsring 114 sowie einen ebenfalls ortsfest zu befestigenden Deckel 116 mit einem Antirotationspin, an dem eine mit einem Magnetsensor bestückte Leiterplatte 118 angeordnet ist. Dabei ist der Magnetsensor zwischen zwei Ringen aus ferromagnetischem Material, die als Komponenten der Magnetflusseinheit 108 ausgebildet sind, angeordnet. Bei einer relativen Drehung der beiden Wellen 102, 104 zueinander wird ein Magnetfeld, das von der Magneteinheit 110 erzeugt wird und sich mit der zweiten Welle 104 dreht, in einem Bereich zwischen den beiden magnetflussleitenden Ringen der Magnetflusseinheit 108 verstärkt und von dem Magnetsensor erfasst.
Es ist möglich, den anhand von 8 vorgestellten Drehmomentsensor 100 durch eine Ausführungsform einer voranstehend vorgestellten Sensoranordnungen 44, 72 zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle zu ergänzen. Diesbezüglich wird auf die 8c und 8d verwiesen, in denen gezeigt ist, dass an der zweiten Welle 104 eine Scheibe 120 angeordnet ist, die über eine Hülse 122 an der zweiten Welle 104 befestigt ist. Es ist denkbar, diese Scheibe 120 ebenfalls mit einer spiralförmigen Rille 6 auszustatten, wie sie anhand einer der voranstehenden 1 bis 7 bereits beschrieben ist. Weiterhin ist es möglich, neben der zweiten Welle 104 unterhalb der Scheibe 120 eines der beiden vorgestellten Drehwinkelsensormodule 20, 50 anzuordnen, wobei ein Lagerzapfen 26, 56 eines derartigen Drehwinkelsensormoduls 20, 50 in der spiralförmigen Rille 6 anzuordnen ist. Somit ist es möglich, den ohnehin vorgesehenen Drehmomentsensor 100 durch eine Modifikation der Scheibe 120, wobei in diese die spiralförmige Rille 6 einzufügen ist, und durch Befestigung eines Drehwinkelsensormoduls 20, 50 zu ergänzen und somit eine Einrichtung zum Bestimmen eines Drehmoments und eines Drehwinkels bereitzustellen.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin der in 9 schematisch dargestellte Lenkwinkelsensor 130 bekannt, mit dem ein Drehwinkel und somit Lenkwinkel einer als Lenksäule 132 ausgebildeten Welle bestimmt werden kann. Dieser Lenkwinkelsensor 130 umfasst ein Masterzahnrad 134, zwei Messzahnräder 136, Magnete 138, einen als Mikrocontroller ausgebildeten Schaltkreis 140 sowie Sensorelemente 142, die hier als GMR-Elemente mit Analog-Digital-Wandlern zur Bereitstellung einer seriellen Datenübertragung ausgebildet sind.
Dieser Lenkwinkelsensor 130 funktioniert nach dem Nonius-Prinzip. Dabei ist vorgesehen, dass die Messzahnräder 136 eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen und somit eine unterschiedliche Übersetzungen aufweisen, so dass die Messzahnräder 136 ihre Drehlage relativ zu dem Masterzahnrad 134 unterschiedlich schnell ändern.
Aus der Kombination der beiden aktuellen Winkel, die durch die Messzahnräder 176 ermittelt werden, kann über eine mathematische Funktion der Gesamtwinkel errechnet werden. Daher kann mit diesem Messprinzip ohne Umdrehungszähler ein Messbereich von mehreren Wellenumdrehungen abgedeckt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005031086 A1 [0005]

Claims

Sensoranordnung, die zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle (2) ausgebildet ist und eine an der Welle (2) angeordnete Scheibe (4) mit einer spiralförmigen Rille (6), die eine Drehachse (8) der Welle (2) zumindest einmal umläuft, sowie ein Drehwinkelsensormodul (20, 50) mit einem Lagerzapfen (26, 56) aufweist, der in der Rille (6) geführt ist, wobei der Lagerzapfen (26, 56) in Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle (2) eine Position einnimmt, und wobei das Drehwinkelsensormodul (20, 50) aus der Position des Lagerzapfens (26, 56) den Drehwinkel bestimmt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei der das Drehwinkelsensormodul (20, 50) einen Halter (22, 52) und ein Glied aufweist, an dem der Lagerzapfen (26, 56) angeordnet ist und das relativ zu dem Halter (22, 52) bewegbar gelagert ist, wobei eine Position des Glieds relativ zu dem Halter (22, 52) von einer Position des Lagerzapfens (26, 56) in der Rille (6) abhängig ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, bei der das Glied ein Magnetelement (32, 68), das ein Magnetfeld erzeugt, und der Halter (22, 52) einen Magnetsensor (36, 70) aufweist, wobei der Magnetsensor (36, 70) eine Feldstärke und/oder eine Feldrichtung des Magnetfelds erfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, bei der das Drehwinkelsensormodul (20, 50) über die Feldstärke und/oder die Feldrichtung des Magnetfelds die Position des Lagerzapfens (26, 56) und weiterhin den Drehwinkel der Welle (2) bestimmt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, bei der das Glied als Hebel (24) ausgebildet ist, wobei an einem ersten Ende des Hebels (24) der Lagerzapfen (26) angeordnet ist, und wobei ein zweites Ende des Hebels (24) an dem Halter (22) drehbar gelagert ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das Glied als Gleitschuh (54) ausgebildet ist, der den Lagerzapfen (56) aufweist und entlang des Halters (52) verschiebbar gelagert ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der das Glied über eine Feder (40, 62) mit dem Halter (22, 52) verbunden ist.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Scheibe (4) aus Gleitlagerkunststoff gebildet ist und die Welle (2) umschließt.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Scheibe (4) als ein Modul eines Drehmomentsensors zum Bestimmen eines Drehmoments der Welle (2) ausgebildet ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle (2) mit einer Sensoranordnung (44, 72), die eine an der Welle (2) angeordnete Scheibe (4) mit einer spiralförmigen Rille (6), die eine Drehachse (8) der Welle (2) zumindest einmal umläuft, sowie ein Drehwinkelsensormodul (20, 50) mit einem Lagerzapfen (26, 56) aufweist, der in der Rille (6) geführt ist, wobei der Lagerzapfen (26, 56) in Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle (2) eine Position einnimmt, und wobei der Drehwinkel von dem Drehwinkelsensormodul (20, 50) aus der Position des Lagerzapfens (26, 56) bestimmt wird.