DE102012202662A1

DE102012202662A1 - Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil

Info

Publication number: DE102012202662A1
Application number: DE201210202662
Authority: DE
Inventors: Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2013-08-22
Also published as: CN103256884A; JP2013171048A; FR2987114A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil (10) beispielsweise in einem Fahrzeug, welches mit einem Messwertgeber (5) gekoppelt ist, welcher einen Bewegungswandler (20), welcher die Rotation (12) des rotierenden Bauteils (10) in eine Translation (22) umwandelt, und einen Schwingkreis (30) mit mindestens einer Induktivität (32) und mindestens einer Kapazität (34) umfasst, welcher seine Resonanzfrequenz in Abhängigkeit des Drehwinkels des rotierenden Bauteils (10) ändert, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit (36) die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (30) ermittelt und ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils (10) repräsentierendes Ausgabesignal zur Verfügung stellt. Erfindungsgemäß weist der Bewegungswandler (20) mindestens ein Verschiebeelement (24) auf, welches die Translation (22) ausführt und basierend auf der Translation die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (30) einstellt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Bei dem bekannten Lenkwinkelsensor wird ein Zählrad zur Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen des Lenkrades berührungslos mittels Magnetfeldsensoren abgetastet. Solche Lenkwinkelsensoren können auf einem magnetischen Nonius-Prinzip basieren, welches zwei Zahnräder mit Zahnkränzen verwendet, deren Zahnanzahl sich um einen Zahn unterscheidet. Ein derartiges System hat den Nachteil, dass bei ausgeschalteter Zündung ein Ruhestrom bereitgestellt werden muss, um ein Verdrehen des Lenkrades bei ausgeschalteter Zündung erkennen zu können. Bei dauerhafter Nichtbenutzung des Fahrzeuges führt dies zu einer unerwünschten Entleerung der Fahrzeugbatterie. Wird ein solcher Ruhestrom nicht bereitgestellt, kann der Lenkwinkel nicht mehr eindeutig bestimmt werden, wenn ein Verdrehen des Lenkrades bei ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie erfolgt.
In der Offenlegungsschrift DE 44 09 892 A1 wird ein Sensor zur Erfassung des Lenkwinkels beschrieben. Der beschriebene Sensor umfasst eine erste Codescheibe, welche von einer Anzahl von Aufnehmern abgetastet wird und sich mit derselben Geschwindigkeit wie das Lenkrad dreht. Eine zweite Codescheibe dreht sich mit einem Viertel der Geschwindigkeit der ersten Scheibe und weist drei Codespuren auf, welche von entsprechenden Aufnehmern abgetastet werden. Durch geeignete Verknüpfung der somit erzeugten Fein- und Grobsignale kann eine eindeutige Winkelbestimmung durchgeführt werden. Als Aufnehmer werden beispielsweise Hallmagnetsensoren eingesetzt.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 052 162 A1 werden beispielsweise eine Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines linearen Weges sowie ein Pedalmodul mit einer solchen Messeinrichtung beschrieben. Der erfasste Drehwinkel oder der erfasste lineare Weg ergibt sich aufgrund einer Relativbewegung zwischen wenigstens zwei Körpern, welche durch Federmittel gegeneinander in ihrer Ausgangslage vorgespannt sind. Die Federmittel weisen Windungen aus einem elektrisch leitenden Material auf und die Relativbewegung der Körper verursacht eine Längenänderung der Federmittel. Es ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der Windungen der Federmittel von einer magnetischen Spule umfasst sind, welche zusammen mit wenigstens einem Kondensator von einem Schwingkreis umfasst ist. Zudem ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, welche in Abhängigkeit von der Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, welche auf der durch die Relativbewegung der Körper hervorgerufenen Längenänderung der Federmittel beruht, ein Signal aussteuert, dass zur Erkennung und Berechnung der Relativbewegung ausgewertet werden kann. Um die Drehbewegung eines Fahrpedalhebels gegenüber einem Lagerbock in eine hinsichtlich des Messprinzips einfachere lineare Bewegung zu wandeln, können die Federelemente sich mit ihrem einen Ende an einer am Lagerbock ausgebildeten Stützfläche und mit dem anderen Ende an einem in Bezug zu einer Schwenkachse zwischen dem Fahrpedalhebel und dem Lagerbock einen Hebelarm bildenden Stützarm des Fahrpedalhebels abstützen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil, beispielsweise in einem Fahrzeug, mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Überführung der Drehbewegung in eine mechanische Wegänderung immer eine eindeutige Drehposition auch bei mehrfachen Umdrehungen des rotierenden Bauteils möglich ist. In vorteilhafter Weise bleibt beim Versagen der Elektronik, die Drehbewegung in der mechanischen veränderten Wegposition erhalten. Aufgrund der mechanischen Wegänderung steht auch nach ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie der richtige absolute Drehwinkel zur Verfügung, wobei gleichzeitig ein besonders sicherer Betrieb bzw. eine besonders sichere Erkennung des Drehwinkels mittels einer Frequenzerfassung möglich ist. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann auf diese Weise die Stellung des rotierenden Bauteils ermittelt werden. Ein weiterer Vorteil kann die mechanische Vereinfachung darstellen, was zu einer Kostenersparnis führen kann. Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung eines Lenkwinkeleinschlages bzw. einer Pedalstellung in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Dabei ist das rotierende Bauteil vorzugsweise mit der Lenksäule bzw. dem Gaspedal des Fahrzeugs drehfest gekoppelt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überführen die Lenkbewegung bzw. die Pedalbewegung in eine Wegänderung, welche über eine Frequenzmessung berührungslos detektiert und in einen Lenkwinkel bzw. eine Pedalstellung umgerechnet werden kann. In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Bewegungswandler die Rotation des rotierenden Bauteils in eine tangentiale bzw. axiale Translation in Bezug auf das rotierende Bauteil umwandeln. Frequenzmessungen sind in vorteilhafter Weise mit sehr hoher Präzision möglich. Zudem ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgrund von weniger mechanischen Komponenten einen kostengünstigen Aufbau. Des Weiteren steht der Lenkwinkel in vorteilhafter Weise direkt nach der ersten Frequenzmessung fest, so dass eine „True-Power-An-Fähigkeit" zur Verfügung gestellt wird. In vorteilhafter Weise nehmen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur eine geringe elektrische Leistung auf.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil zur Verfügung. Das rotierende Bauteil ist mit einem Messwertgeber gekoppelt, welcher einen Bewegungswandler, welcher die Rotation des rotierenden Bauteils in eine Translation umwandelt, und einen Schwingkreis mit mindestens einer Induktivität und mindestens einer Kapazität umfasst, welcher seine Resonanzfrequenz in Abhängigkeit des Drehwinkels des rotierenden Bauteils ändert. Hierbei ermittelt eine Auswerte- und Steuereinheit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und stellt ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils repräsentierendes Ausgabesignal zur Verfügung. Erfindungsgemäß weist der Bewegungswandler mindestens ein Verschiebeelement auf, welches die Translation ausführt und basierend auf der Translation die Resonanzfrequenz des Schwingkreises einstellt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass ein erstes Verschiebeelement als Spulenkern aus einem ferromagnetischen oder paramagnetischen oder diamagnetischen Material hergestellt werden kann. Die mindestens eine Induktivität kann beispielsweise als Drahtspule mit mindestens einer Spulenwicklung ausgeführt werden, wobei die Translation das als Spulenkern ausgeführte erste Verschiebeelement in die mindestens eine Spulenwicklung der Drahtspule hineinschiebt oder aus der mindestens einen Spulenwicklung der Drahtspule herauszieht. Dadurch ändern sich die Induktivität der Drahtspule und damit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Zusätzlich oder alternativ kann ein zweites Verschiebeelement als Dielektrikum aus einem geeigneten Material hergestellt werden. Die mindestens eine Kapazität kann beispielsweise als Kondensator mit einer ersten Kondensatorelektrode und einer zweiten Kondensatorelektrode ausgeführt werden, wobei die Translation das als Dielektrikum ausgeführte zweite Verschiebeelement zwischen die beiden Kondensatorelektroden hineinschiebt oder aus den beiden Kondensatorelektroden herauszieht. Der Schwingkreis mit der mindestens einen Induktivität und der mindestens einen Kapazität kann entweder als Reihenschwingkreis oder als Parallelschwingkreis ausgebildet werden. Korrespondierende Resonanzkurven stellen den Verlauf eines Scheinwiderstandes des Schwingkreises in Abhängigkeit von der Frequenz dar. Sie weisen an der Position der Resonanzfrequenz für den Parallelschwingkreis ein Maximum und für den Reihenschwingkreis ein Minimum auf. Die Extrema sind umso deutlicher ausgeprägt, je größer die Güte des Schwingkreises ist. Um eine möglichst genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz zu ermöglichen, wird die Güte des Schwingkreises möglichst hoch gewählt. Die Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises kann von der Auswerte- und Steuereinheit detektiert und in ein dem Winkelmaß entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden. Zur Erreichung der erforderlichen Zeitauflösung für die Drehwinkelbestimmung kann die Resonanzfrequenz idealerweise so hoch gewählt werden, dass nicht die Resonanzfrequenz des Schwingkreises die Zeitauflösung der Messanordnung bestimmt, sondern die Zeitauflösung der Resonanzfrequenzbestimmung selbst.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann das rotierende Bauteil mindestens eine erste Verzahnung aufweisen, welche die Rotation auf den Bewegungswandler überträgt, wobei der Bewegungswandler die Rotation über ein Zahnrad mit einer zweiten Verzahnung als Rotation mit entgegengesetzter Drehrichtung übernimmt und dann in die Translation umwandelt oder die Rotation direkt in die Translation umwandelt. Das Zahnrad mit der zweiten Verzahnung kann beispielsweise mit einer Schraube mit einem Außengewinde gekoppelt werden, auf welchem ein Verschiebeelement mit einem Innengewinde aufgeschraubt und axial beweglich geführt ist, so dass sich das Verschiebeelement mit einer geradlinigen Bewegung entlang der Schraube bewegt. Durch den zurückgelegten Weg des Verschiebeelements kann die Induktivität und/oder die Kapazität des Schwingkreises geändert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Bewegungswandler als längs- und drehbeweglich geführte Übertragungsschraube ausgeführt werden, welche so positioniert ist, dass der erste Zahnkranz des rotierenden Bauteils ein Gewinde der Übertragungsschraube kämmt und die Übertragungsschraube tangential bewegt, wobei das Verschiebeelement mit der Übertragungsschraube verbunden oder als Teil der Übertragungsschraube ausgeführt werden kann. Alternativ kann der Bewegungswandler als längsbeweglich geführte Zahnstange ausgeführt werden, welche so positioniert ist, dass der erste Zahnkranz des rotierenden Bauteils einen Zahnbereich der Zahnstange kämmt und die Zahnstange tangential bewegt, wobei das Verschiebeelement mit der Zahnstange verbunden oder als Teil der Zahnstange ausgeführt werden kann. Durch den zurückgelegten Weg der Übertragungsschraube bzw. der Zahnstange kann die Induktivität und/oder die Kapazität des Schwingkreises geändert werden.
In vorteilhafter Weise kann eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils über ein Übersetzungsverhältnis des rotierenden Bauteils und dem Bewegungswandler und/oder über eine Ganghöhe des Innengewindes des Verschiebeelements und/oder des Außengewindes der Schraube und/oder des Gewindes der Übertragungsschraube und/oder über eine Teilung des Zahnbereichs der Zahnstange vorgegeben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil.
2 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil entlang der Schnittlinie II-II aus 1.
3 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfassen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil 10 in einem Fahrzeug einen mit einem rotierenden Bauteil 10 gekoppelten Messwertgeber 20, welcher einen Bewegungswandler 20 und einen Schwingkreis 30 umfasst. Der Bewegungswandler 20 wandelt die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 in eine Translation 22 um. Der Schwingkreis 30 umfasst mindestens eine Induktivität 32 und mindestens eine Kapazität 34 und ändert seine Resonanzfrequenz in Abhängigkeit des Drehwinkels des rotierenden Bauteils 10. Eine Auswerte- und Steuereinheit 36 ermittelt die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 30 und stellt ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils 10 repräsentierendes Ausgabesignal zur Verfügung. Erfindungsgemäß weist der Bewegungswandler 20 mindestens ein Verschiebeelement 24, 24a, 24b auf, welches die Translation 22 ausführt und basierend auf der Translation die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 30 einstellt.
Der Schwingkreis 30 kann entweder als Reihenschwingkreis oder als Parallelschwingkreis ausgebildet werden. Die korrespondierenden Resonanzkurven stellen den Scheinwiderstand eines Schwingkreises 30 in Abhängigkeit von der Frequenz dar. Die Resonanzkurve eines Parallelschwingkreises weist an der Position der Resonanzfrequenz ein Maximum auf, während die Resonanzkurve eines Reihenschwingkreises an der Position der Resonanzfrequenz ein Minimum aufweist. Die Extrema sind umso deutlicher ausgeprägt, je größer die Güte des Schwingkreises 30 ist. Um eine möglichst genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz zu ermöglichen, sollte die Güte des Schwingkreises 30 möglichst hoch gewählt werden. Die Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 30 kann von der Auswerte- und Steuereinheit 30 detektiert und in ein dem Winkelmaß entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist das rotierende Bauteil 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Tellerrad mit einer ersten Verzahnung 14 ausgeführt. Der Bewegungswandler 20 umfasst ein Kegelrad 26 mit einer zweiten Verzahnung 26.1, welche in die ersten Verzahnung 14 des als Tellerrad ausgeführten rotierenden Bauteils 10 eingreift und entsprechend dem Übersetzungsverhältnis die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 aufnimmt. Das Kegelrad 26 ist fest mit einer Schraube 28 mit Außengewinde 28.1 verbunden. Auf dem Außengewinde 28.1 ist das Verschiebeelement 24 mit einem Innengewinde 24.1 aufgeschraubt und axial beweglich geführt, so dass sich das Verschiebeelement 24 in Reaktion auf eine Rotation der Schraube 28 mit einer geradlinigen Bewegung 22 entlang der Schraube 28 bewegen kann. Die Schraube 28 ist an beiden Enden in entsprechenden Lagern 29 drehbeweglich gelagert. Des Weiteren ist eine Verdrehsicherung 25 vorgesehen, welche eine Rotation Verschiebeelements 24 verhindert. Die Verdrehsicherung 25 umfasst beispielsweise einen Stab, welcher an beiden Enden mit an den Lagern 29 befestigt und durch eine entsprechende Bohrung im Verschiebeelement 24 geführt ist. Dadurch kann eine Drehbewegung des Verschiebeelements 24 in vorteilhafter Weise verhindert werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das als Tellerscheibe ausgeführte rotierende Bauteil 10 zur Ermittlung des Lenkwinkels auf eine Lenksäule 3 aufgeschoben und drehfest mit der Lenksäule 3 verbunden. Alternativ kann das als Tellerscheibe ausgeführte rotierende Bauteil 10 zur Ermittlung einer Pedalstellung auf eine Pedaldrehwelle aufgeschoben und drehfest mit der Pedaldrehwelle verbunden werden.
Bei der Anwendung als Anordnung zur Erfassung von Lenkwinkeln in einem Fahrzeug wird über einen Winkelbereich von ca. 1.500° eindeutig die Stellung des Lenkrades auf ca. 4° genau erfasst. Zu diesem Zweck wird die Rotation 12 über den Bewegungswandler 20 in eine Linearbewegung des Verschiebeelements 24 umgesetzt. Über das Verhältnis der Umfänge des als Tellerrad ausgeführten rotierenden Bauteils 10 und des mit der Schraube 28 verbundenen Kegelrads 26 sowie der Gewindeganghöhe der Schraube 28 resultiert die Linearbewegung des Verschiebeelementes 24 und damit die erreichbare Auflösung.
Besitzt das als Tellerrad ausgeführte rotierende Bauteil 10 einen ersten Radius r_Antrieb und dreht es sich um den Winkel ∆α_Antrieb, so dreht sich das Kegelrad 26 mit dem Radius r_Abtrieb um den Winkel ∆α_Abtrieb, welcher sich gemäß Gleichung (1) berechnet.
Über die Gewindeganghöhe h_Ganghöhe der Schraube ergibt sich die lineare Verschiebung ∆d_{Verschiebeelement} des Verschiebeelementes 24 gemäß Gleichung (2).
Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist das Verschiebeelement 24 im ersten Ausführungsbeispiel als Spulenkern 24a aus einem ferromagnetischen oder paramagnetischen oder diamagnetischen Material hergestellt. Die mindestens eine Induktivität 24 ist als Drahtspule mit mindestens einer Spulenwicklung 32.1 ausgeführt. Durch Verdrehen des als Tellerrad ausgeführten rotierenden Bauteils 10, was über den Bewegungswandler 20 und das Außengewinde 28.1 der Schraube 28 vermittelt wird, bewegt sich das als Spulenkern 24a ausgeführte Verschiebeelement 24 in die mindestens eine Spulenwicklung 32.1 der Drahtspule hinein oder aus der mindestens einen Spulenwicklung 32.1 der Drahtspule heraus, wodurch sich die Induktivität der Spule und damit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert.
Die Induktivität der dargestellten zylinderförmigen Spule ergibt sich annähernd aus Gleichung (3).
Hierbei repräsentiert N die Windungszahl, l die Zylinderlänge, A den Spulendurchmesser, µ_r die magnetische Permeabilitätszahl, und µ₀ die Vakuumpermeabilitätszahl.
Eine Spule, in welche ein Teil des als Spulenkern 24a ausgeführten Verschiebeelements 24 aus magnetisch gut leitfähigem Material mit hoher relativer magnetische Permeabilitätszahl um die Strecke d hineinragt, lässt sich als Hintereinanderschaltung zweier Spulen betrachten. Wird das Verschiebeelement 24 weiter in die Spule hineingeschoben oder herausgezogen, ändert sich somit die Induktivität der Spule und somit auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 30. Die Gesamtinduktivität ergibt sich gemäß den Gleichungen (4.1) bis (4.4).
Hierbei repräsentiert N die Windungszahl, l die Zylinderlänge der Gesamtspule, d die Eintauchtiefe des Verschiebeelements, A den Spulendurchmesser, µ_r die magnetische Permeabilitätszahl, und µ₀ die Vakuumpermeabilitätszahl.
Die relative Änderung der Induktivität aufgrund der Änderung der Eintauchtiefe des Verschiebeelements 24 kann aus Gleichung (5) ermittelt werden.
Schwingkreise 30 besitzen eine Resonanzfrequenz, welche sich aus der Induktivität 32 und der Kapazität 34 des Schwingkreises 30 gemäß Gleichung (6) ergibt.
Für die Änderung der Induktivität 32 im Schwingkreis 30 ändert sich die Resonanzfrequenz gemäß Gleichung (7).
Die resultierende relative Änderung der Resonanzfrequenz kann aus Gleichung (8) ermittelt werden.
Hierbei gilt die Randbedingung (9), dass das Verschiebeelement über den Winkelmessbereich hinweg nicht über die Grenzen der Spule verschoben wird.
Diese Randbedingung muss bei der Auslegung beachtet werden. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann die Drehstellung des rotierenden Bauteils 10 ermittelt werden.
Um die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen, wäre auch eine differenziell-induktive Messanordnung denkbar. Zur Implementierung einer solchen Messanordnung werden zwei Spulen verwendet, deren Induktivitäten sich gegenläufig durch die Bewegung des als Spulenkern 24a ausgeführten Verschiebeelements 24 ändern. Das bedeutet, dass das als Spulenkern 24a ausgeführte Verschiebeelement 24 weiter in die eine Spule eintaucht, während es an der anderen Spule gleichzeitig herausgeschoben wird.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist das Verschiebeelement 24 im zweiten Ausführungsbeispiel als Dielektrikum 24b aus einem geeigneten Material hergestellt. Die mindestens eine Kapazität 24 ist als Zylinderkondensator mit einer ersten äußeren Kondensatorelektrode 34.1 und einer zweiten inneren Kondensatorelektrode 34.2 ausgeführt, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel der Schraube 28 entspricht. Durch Verdrehen des als Tellerrad ausgeführten rotierenden Bauteils 10, was über den Bewegungswandler 20 und das Außengewinde 28.1 der Schraube 28 vermittelt wird, bewegt sich das als Dielektrikum 24b ausgeführte Verschiebeelement 24 zwischen die beiden Kondensatorelektroden 34.1, 34.2 hinein oder aus den beiden Kondensatorelektroden 34.1, 34.2 heraus, wodurch sich die Kapazität des Kondensators und damit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 30 ändert.
Der Zylinderkondensator, in den ein Teil eines als Dielektrikum 24b ausgeführten Verschiebeelements 24 aus einem Material mit hoher relativer dielektrischer Permeabilitätszahl um die Strecke d hineinragt, lässt sich als Parallelschaltung zweier Kondensatoren betrachten. Wird das Verschiebeelement 24 weiter hineingeschoben oder herausgezogen, ändert sich somit die Kapazität des Kondensators und somit auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 30.
Die Gesamtkapazität des Zylinderkondensators ergibt sich aus den Gleichungen (10.1) bis (10.4).
Hierbei repräsentiert l die Zylinderlänge des Gesamtkondensators, d die Eintauchtiefe des Verschiebeelements, r_außen den Radius der Außenelektrode, r_innen den Radius der Innenelektrode, ε_r die dielektrische Leitfähigkeit (Primitivität) und ε₀ die elektrische Feldkonstante.
Die relative Änderung der Gesamtkapazität des Zylinderkondensators ergibt sich aus Gleichung (11).
Für die Änderung der Kapazität 34 im Schwingkreis 30 ändert sich die Resonanzfrequenz gemäß Gleichung (12).
Die resultierende relative Änderung der Resonanzfrequenz kann aus Gleichung (13) ermittelt werden.
Hierbei gilt die Randbedingung (14), dass das Verschiebeelement über den Winkelmessbereich hinweg nicht über die Grenzen des Kondensators verschoben wird.
Diese Randbedingung muss bei der Auslegung beachtet werden. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann die Drehstellung des rotierenden Bauteils 10 ermittelt werden.
Um die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen, kann auch eine differenziell-kapazitive Messanordnung implementiert werden. Zur Implementierung einer solchen Messanordnung werden zwei Kondensatoren verwendet, deren Kapazitäten sich gegenläufig durch die Bewegung des als Dielektrikum 24b ausgeführten Verschiebeelements 24 ändern. Das bedeutet, dass das als Dielektrikum 24b ausgeführte Verschiebeelement 24 weiter in den einen Kondensator eintaucht, während es aus dem anderen Kondensator gleichzeitig herausgeschoben wird.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können einzeln oder in Kombination verwendet werden, das bedeutet, dass bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl die Kapazität 34 als auch die Induktivität 32 des Resonanzschwingkreises 30 durch zwei mechanisch miteinander gekoppelte Verschiebeelemente 24a, 24b gleichzeitig verändert werden können. Alternativ können jedoch auch zwei separate Resonanzschwingkreise verwendet werden, wobei bei einem ersten Resonanzschwingkreis die Induktivität und bei einem zweiten Resonanzschwingkreis die Kapazität verändert wird. Bei der Verwendung von zwei separaten Resonanzschwingkreisen ergeben sich gleichzeitig eine Erhöhung und eine Absenkung der Resonanzfrequenz, welches eine besonders genaue differenzielle Auswertung erlaubt.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen stehen die Drehachse des rotierenden Bauteils 10 und die Drehachse der Schraube 28 senkrecht zueinander. Denkbar ist auch eine Anordnung, in welcher die Drehachse des rotierenden Bauteils 10 und die Drehachse der Schraube 28 parallel anstatt wie dargestellt senkrecht zueinander stehen.
Zudem sind auch andere Ausführungsformen des Bewegungswandlers 20 vorstellbar, um die Drehbewegung des rotierenden Bauteils 10 in eine Translation 22 umzuwandeln. Der Bewegungswandler 20 kann die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 beispielsweise in eine axiale Translation des Verschiebeelements 24 umwandeln. Zu diesem Zweck kann das rotierende Bauteil 10 als Zahnrad mit einem am Umfang angeordneten Zahnkranz ausgeführt werden, welcher ein mit der Schraube 28 verbundenes Zahnrad kämmt. Dadurch wird die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 auf die Schraube 28 übertragen, welche durch die übertragene Drehbewegung die Position des Verschiebeelements 24 in axialer Richtung verändert. Eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils 10 kann beispielsweise über das Übersetzungsverhältnis des rotierenden Bauteils 10 und dem mit der Schraube 28 verbundenen Zahnrad und/oder über eine Ganghöhe des Schraubengewindes vorgegeben werden.
Alternativ kann der Bewegungswandler 20 die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 in eine tangentiale Translation in Bezug auf das rotierende Bauteil 10 umwandeln. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel weist der Bewegungswandler 20 eine längs- und drehbeweglich geführte Übertragungsschraube auf, welche so positioniert ist, dass ein erster Zahnkranz des rotierenden Bauteils 10 das Gewinde der Übertragungsschraube kämmt. Dadurch kann die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 auf die Übertragungsschraube übertragen werden, welche ihre Position in tangentialer Richtung ändert. Hierbei ist das Verschiebeelement 24 mit der Übertragungsschraube verbunden oder als Teil der Übertragungsschraube ausgeführt. Eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils 10 kann über eine Zahnanzahl des ersten Zahnkranzes des rotierenden Bauteils 10 und/oder über eine Ganghöhe des Gewindes der Übertragungsschraube vorgegeben werden. Als weitere Alternative kann der Bewegungswandler 20 eine längsbeweglich geführte Zahnstange aufweisen, welche so positioniert ist, dass ein erster Zahnkranz des rotierenden Bauteils 10 einen Zahnbereich der Zahnstange kämmt. Dadurch kann die Rotation 12 des rotierenden Bauteils 10 auf die Zahnstange übertragen werden, welche ihre Position in tangentialer Richtung ändert. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Verschiebeelement 24 mit der Zahnstange verbunden oder als Teil der Zahnstange ausgeführt werden. Eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils 10 kann über eine Zahnanzahl des ersten Zahnkranzes des rotierenden Bauteils 10 und/oder über eine Teilung des Zahnbereichs der Zahnstange vorgegeben werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil beispielsweise in einem Fahrzeug zur Verfügung, welche durch die Überführung der Drehbewegung in eine mechanische Wegänderung auch bei mehrfachen Umdrehungen des rotierenden Bauteils immer eine eindeutige Drehposition zur Verfügung stellen. In vorteilhafter Weise bleibt beim Versagen der Elektronik, die Drehbewegung in der mechanischen veränderten Wegposition erhalten. Aufgrund der mechanischen Wegänderung steht auch nach ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie der richtige absolute Drehwinkel zur Verfügung, wobei gleichzeitig ein besonders sicherer Betrieb bzw. eine besonders sichere Erkennung des Drehwinkels mittels einer Frequenzmessung möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4409892 A1 [0003]
DE 102007052162 A1 [0004]

Claims

Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil, welches mit einem Messwertgeber (5) gekoppelt ist, welcher einen Bewegungswandler (20), welcher die Rotation (12) des rotierenden Bauteils (10) in eine Translation (22) umwandelt, und einen Schwingkreis (30) mit mindestens einer Induktivität (32) und mindestens einer Kapazität (34) umfasst, welcher seine Resonanzfrequenz in Abhängigkeit des Drehwinkels des rotierenden Bauteils (10) ändert, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit (36) die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (30) ermittelt und ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils (10) repräsentierendes Ausgabesignal zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungswandler (20) mindestens ein Verschiebeelement (24) aufweist, welches die Translation (22) ausführt und basierend auf der Translation die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (30) einstellt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Verschiebeelement (24) als Spulenkern (24a) aus einem ferromagnetischen oder paramagnetischen oder diamagnetischen Material hergestellt ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Induktivität (24) als Drahtspule mit mindestens einer Spulenwicklung (32.1) ausgeführt ist, wobei die Translation (22) das als Spulenkern (24a) ausgeführte erste Verschiebeelement (24) in die mindestens eine Spulenwicklung (32.1) der Drahtspule hineinschiebt oder aus der mindestens einen Spulenwicklung (32.1) der Drahtspule herauszieht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Verschiebeelement (24) als Dielektrikum (24b) hergestellt ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kapazität (24) als Kondensator mit einer ersten Kondensatorelektrode (34.1) und einer zweiten Kondensatorelektrode (34.2) ausgeführt ist, wobei die Translation (22) das als Dielektrikum (24b) ausgeführte zweite Verschiebeelement (24) zwischen die beiden Kondensatorelektroden (34.1, 34.2) hineinschiebt oder aus den beiden Kondensatorelektroden (34.1, 34.2) herauszieht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil (10) mindestens eine erste Verzahnung (14) aufweist, welche die Rotation (12) auf den Bewegungswandler (20) überträgt, wobei der Bewegungswandler (20) die Rotation (12) über ein Zahnrad (26) mit einer zweiten Verzahnung (26.1) als Rotation mit entgegengesetzter Drehrichtung übernimmt und dann in die Translation (22) umwandelt oder die Rotation (12) direkt in die Translation (22) umwandelt.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (26) mit der zweiten Verzahnung (26.1) mit einer Schraube (28) mit einem Außengewinde (28.1) gekoppelt ist, auf welchem ein Verschiebeelement (24) mit einem Innengewinde (24.1) aufgeschraubt und axial beweglich geführt ist, so dass sich das Verschiebeelement (24) mit einer geradlinigen Bewegung entlang der Schraube (28) bewegt.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungswandler (20) als längs- und drehbeweglich geführte Übertragungsschraube ausgeführt ist, welche so positioniert ist, dass der erste Zahnkranz (14) des rotierenden Bauteils (10) ein Gewinde der Übertragungsschraube kämmt und die Übertragungsschraube tangential bewegt, wobei das Verschiebeelement (24) mit der Übertragungsschraube verbunden oder als Teil der Übertragungsschraube ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungswandler (20) als längsbeweglich geführte Zahnstange ausgeführt ist, welche so positioniert ist, dass der erste Zahnkranz (14) des rotierenden Bauteils (10) einen Zahnbereich der Zahnstange kämmt und die Zahnstange tangential bewegt, wobei das Verschiebeelement (24) mit der Zahnstange verbunden oder als Teil der Zahnstange ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflösung des ermittelten Drehwinkels des rotierenden Bauteils (10) über ein Übersetzungsverhältnis des rotierenden Bauteils (10) und dem Bewegungswandler (20) und/oder über eine Ganghöhe des Innengewindes (24.1) des Verschiebeelements (24) und/oder des Außengewindes (28.1) der Schraube (28) und/oder des Gewindes der Übertragungsschraube und/oder über eine Teilung des Zahnbereichs der Zahnstange vorgegeben ist.