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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Unter Rotationseigenschaften sind dabei allgemein Eigenschaften zu verstehen, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreiben. Hierbei kann es sich beispielsweise um Winkelgeschwindigkeiten, Drehzahlen, Winkelbeschleunigungen, Drehwinkel, Winkelstellung oder andere Eigenschaften handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements charakterisieren können. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63–74 und 120–129 beschrieben.
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Beispielsweise kann eine Lage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer Kurbelwelle mit einem so genannten Phasengeber mittels eines Hall-Sensors bestimmt werden. Typischerweise wird auf der sich drehenden Achse ein Geberrad angebracht. Auf dem Geberrad können sich Zähne befinden, die durch den Hall-Sensor abgetastet werden, wenn sich die Nockenwelle dreht. So wird in der
DE 10 2012 213 539 A1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Phasenlage einer verstellbaren Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, die ein Geberrad und einen Nockenwellenversteller umfasst, beschrieben. Die Phasenlage der Nockenwelle wird anhand von durch das Geberrad ausgelösten Phasenflankeninterrupts und eines Modells, das abhängig von mindestens einer Betriebskenngröße des Nockenwellenverstellers ist, bestimmt.
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Derartige Verfahren erlauben jedoch keine kontinuierliche Positionserfassung. Eine absolute Winkelerfassung in einem Messbereich von 360° ist nicht möglich. Ebenfalls ist die Auflösung durch die geringen Durchmesser der verwendeten Geberräder limitiert. Durch diese geringen Durchmesser ergeben sich minimale Lückengrößen, die eingehalten werden müssen. Weiter ist eine absolute Positionsbestimmung nur in einem dynamischen Fall, bei Drehung des Geberrads möglich. Eine instantane Verfügbarkeit des absoluten Positionswertes beim Einschalten der Spannungsversorgung, eine True-Power-On-Funktion, ist damit nicht gegeben. Insbesondere bei einem Start eines Motors der Brennkraftmaschine ist eine Position nicht exakt bekannt. Zudem weisen derartige Verfahren eine hohe Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern auf.
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In der
US 7,499,878 B2 wird ein induktiver Linear- und Rotations-Positions-Sensor beschrieben. Es wird eine Vorrichtung mit einer Erregerspule und einer Empfängerspule beschrieben. Die Erregerspule wird durch eine Erregerquelle angeregt und erzeugt einen magnetischen Fluss. Die Empfängerspule erzeugt ein Empfangssignal durch eine induktive Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule.
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Trotz der durch derartige Sensorvorrichtungen bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Verbesserungspotenzial. Derartige Sensorvorrichtungen können einen komplexen Aufbau aufweisen. So ist insbesondere ein einfacher Einbau und Ausbau der Sensorvorrichtungen nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden daher eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements vorgeschlagen, welche die oben genannten Probleme bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden, die insbesondere eine hochauflösende Erfassung einer Rotationseigenschaft, insbesondere eines Absolutwinkels, eines rotierenden Elements in einem Messbereich von 360 ° ermöglichen, und welche in den Ansprüchen dargestellt sind. In einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements vorgeschlagen. Unter einer Rotationseigenschaft kann allgemein eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Winkelgeschwindigkeiten, Drehzahlen, Winkelbeschleunigungen, Drehwinkel, Winkelstellungen oder andere Eigenschaften handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements charakterisieren können. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere eine Winkelposition, handeln. Unter einem rotierenden Element kann grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden werden, welches eine Rotationsachse aufweist und um diese rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle in einer Antriebsmaschine sein, beispielsweise ein Nockenwelle. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle bestimmt werden. Unter einer Winkelposition einer Nockenwelle kann ein Drehwinkel der Nockenwelle bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden werden.
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Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad. Das rotierende Element und das Geberrad weisen eine Rotationsachse auf, insbesondere eine gemeinsame Rotationsachse. Das Geberrad kann konzentrisch um das rotierende Element angeordnet sein. Das Geberrad kann eine zylindrische Grundform aufweisen. Die Rotationsachse kann eine Symmetrieachse parallel zu einer Höhe des Zylinders sein. Das Geberrad kann mit dem rotierenden Element verbunden sein. Das Geberrad kann auf dem rotierenden Element befestigt sein, beispielsweise durch mindestens ein Befestigungselement. Das Geberrad kann konzentrisch auf dem rotierenden Element befestigt sein. Bei einer Rotationsbewegung des rotierenden Elements kann das Geberrad mit dem rotierenden Element gemeinsam rotieren. Eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberrads kann einer Position, insbesondere einer Winkelposition, des rotierenden Elements entsprechen.
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Die Sensorvorrichtung weist mindestens eine Spulenanordnung auf. Unter einer Spulenanordnung kann grundsätzlich eine beliebig geformte Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens eine Spule aufweist. Unter einer Spule kann ein Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Die Spulenanordnung umfasst mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Empfängerspule. Die Erregerspule und die Empfängerspule können mindestens eine Wicklung aufweisen. Die Erregerspule und die Empfängerspule können beispielsweise als Leiterbahnen, beispielsweise aus Metall, ausgestaltet sein. Unter einer Erregerspule kann eine Spule verstanden werden, welche bei einer Anregung einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Anregung kann beispielsweise durch eine Quelle, insbesondere eine Stromquelle, erfolgen. Die Spulenanordnung kann eine Erregerspule mit mindestens einer Wicklung aufweisen. Die Erregerspule und die Empfängerspule können induktiv gekoppelt sein. Unter einer Empfängerspule kann eine Spule verstanden werden, welche eingerichtet ist, aufgrund der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig von der induktiven Kopplung ist. Die induktive Kopplung kann von einer Position des Geberrads abhängig sein. Das Geberrad kann aus einem Metall hergestellt sein. Das Geberrad kann bei einer Rotationsbewegung einen Bereich der Spulenanordnung überstreichen und die induktive Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ändern. Die Empfängerspule kann mindestens eine Sensorspule aufweisen. Die Empfängerspule kann hierbei aus zwei Teilwindungen einer Spule bestehen, welche gegenläufig orientiert sind. Dies bedeutet, dass sie bei einem Stromfluss durch die Spule jeweils im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn von Strom durchflossen werden. Die Spulenanordnung kann eine Vielzahl von Empfängerspulen aufweisen, beispielsweise ein Empfängerspulensystem, insbesondere ein Sinus-/Cosinus-System oder ein Mehrphasensystem. Auch andere Spulensysteme sind grundsätzlich denkbar. Die Sensorvorrichtung kann eingerichtet sein, ein Sinussystem, ein Cosinussystem oder ein Mehrphasensystem zur Detektion abzubilden.
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Die Spulenanordnung ist auf mindestens einem Schaltungsträger angeordnet. Unter einem Schaltungsträger kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, elektronische Bauteile aufzunehmen. Bei dem Schaltungsträger kann es sich um einen planaren Schaltungsträger, beispielsweise eine Leiterplatte, eine Leiterkarte, eine Platine oder eine gedruckte Schaltung, insbesondere ein printed circuit board (PCB), handeln. Beispielsweise kann die Spulenanordnung auf dem PCB aufgedruckt sein.
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Das Geberrad weist ein Geberradprofil auf. Das Geberrad kann eine zylindrische Grundform aufweisen. Unter einem Geberradprofil kann grundsätzlich eine beliebig geformte Ausgestaltung eines Zylindermantels des Geberrads verstanden werden. Beispielsweise kann der Zylindermantel mindestens eine Ausbuchtung und/oder mindestens eine Einkerbung aufweisen. Das Geberprofil kann mindestens ein Profilelement aufweisen. Beispielsweise kann das Profilelement ein Zahn sein. Das Profilelement kann eine in einer Breite des Geberrads profilierte Spur sein. Unter einer Breite des Geberrads kann hierbei eine Höhe des Zylindermantels verstanden werden. Das Geberrad kann eine Vielzahl von Profilelementen aufweisen, welche insbesondere über einen Umfang des Geberrads verteilt angeordnet sein können. Das Geberrad kann beispielsweise mehrere Zähne und/oder mindestens eine profilierte Spur aufweisen. Die Profilelemente können periodisch über den Umfang des Geberrads angeordnet sein. Die Profilelemente können äquidistant über den Umfang angeordnet sein. Aber auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich denkbar, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen die Profilelemente nicht äquidistant angeordnet sind.
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Die Sensorvorrichtung ist eingerichtet, eine Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule abhängig von einer Position des Geberrads zu bestimmen. Die Sensorvorrichtung kann eingerichtet sein, aus der Änderung der induktiven Kopplung eine absolute Position des rotierenden Elements zu bestimmen. Unter einer Bestimmung einer absoluten Position des rotierenden Elements kann eine Bestimmung einer Position, insbesondere einer Winkelposition, relativ zu der Sensorvorrichtung verstanden werden. Die induktive Kopplung kann von einer Position des Geberrads abhängig sein. Das Geberrad kann bei einer Rotationsbewegung einen Bereich der Spulenanordnung überstreichen. Dieses kann zu einer Änderung des magnetischen Flusses und zu einer Änderung der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule führen. Die induktive Kopplung kann sich abhängig von dem Geberradprofil ändern. Beispielsweise kann sich die induktive Kopplung an einem Beginn eines Profilelements und/oder an einem Ende eines Profilelements ändern. Die Empfängerspule kann ein Signal, welches abhängig von der induktiven Kopplung ist, erzeugen. Die Sensorvorrichtung kann eingerichtet sein, eine Verfügbarkeit, insbesondere eine instantane Verfügbarkeit, eines absoluten Positionswertes des rotierenden Elements bei einem Einschalten einer Spannungsversorgung, beispielsweise bei einem Start eines Motors einer Brennkraftmaschine, zu ermöglichen (True-Power-On-Funktion).
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Die Sensorvorrichtung kann eine Auswerteeinheit aufweisen. Die Auswerteeinheit kann mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen, welche mit der Spulenanordnung auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein kann oder von der Spulenanordnung getrennt auf einem weiteren Schaltungsträger angeordnet sein kann. Die Auswerteeinheit kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, das Signal der Empfängerspule zu empfangen und eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberrads zu bestimmen.
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Der Schaltungsträger ist koaxial zu der Rotationsachse des Geberrads angeordnet. Unter „koaxial zu der Rotationsachse des Geberrads“ kann verstanden werden, dass der Schaltungsträger auf einem Zylindermantel um das Geberrad, in radialer Anordnung zur Nockenwelle, angeordnet ist. Der Schaltungsträger umgibt das Geberrad zumindest teilweise kreisförmig. Unter „zumindest teilweise kreisförmig“ kann verstanden werden, dass der Schaltungsträger das Geberrad nicht vollständig umgibt, sondern einen Teilbereich, insbesondere ein Kreissegment des Geberrads abdeckt. Beispielsweise kann der Schaltungsträger einen Öffnungswinkel aufweisen. Der Schaltungsträger kann entsprechend dem Öffnungswinkel einen Teilausschnitt des Umfangs des Geberrads abdecken. Ein absoluter Messbereich der Sensorvorrichtung kann von dem Öffnungswinkel des Schaltungsträgers abhängig sein. Diese Anordnung ist insbesondere vorteilhaft hinsichtlich des Ein- und Ausbaus der Sensorvorrichtung. Grundsätzlich sind auch andere Ausgestaltungen denkbar, beispielsweise Ausgestaltungen, in welchen der Schaltungsträger das Geberrad vollständig umgibt.
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Der Schaltungsträger kann eine Vielzahl von Spulenanordnungen umfassen. Beispielsweise kann der Schaltungsträger einen ersten Bereich, auf welchem eine erste Spulenanordnung angeordnet ist, und einen zweiten Bereich, auf welchem eine zweite Spulenanordnung angeordnet ist, aufweisen.
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Der Schaltungsträger kann flexibel ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Schaltungsträger ein planarer Schaltungsträger sein, welcher flexibel, insbesondere biegsam, ausgestaltet ist. Der Schaltungsträger kann ein flexibles Material umfassen. Beispielsweise kann der Schaltungsträger eine flexible Leiterplatte sein. Beispielsweise kann der Schaltungsträger eine Starrflex-Leiterplatte sein, insbesondere eine gebogene Starrflex-Leiterplatte.
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Der Schaltungsträger kann mindestens zwei ebene Flächen aufweisen, wobei die ebenen Flächen in einem Winkel zu einander angeordnet sein können. Der Schaltungsträger kann ein starrer Schaltungsträger sein. Der Schaltungsträger kann mindestens ein Verbindungselement aufweisen, beispielsweise eine Materialschwächung und/oder Einkerbung, welches eingerichtet ist, die ebenen Flächen miteinander zu verbinden.
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Der Schaltungsträger kann in einem Spritzgussgehäuse angeordnet sein. Zur mechanischen Stabilisierung kann der Schaltungsträger, beispielsweise umfassend eine Sensorplatine und eine Auswerteeinheit, in einem Spritzgussgehäuse angeordnet sein.
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Die Sensorvorrichtung kann mindestens zwei Geberräder aufweisen. Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens zwei Spulenanordnungen aufweisen, wobei eine erste Spulenanordnung koaxial zu einem ersten Geberrad und eine zweite Spulenanordnung koaxial zu einem zweiten Geberrad angeordnet sein kann. Beispielsweise können die zwei Spulenanordnungen, beispielsweise eine erste Spulenanordnung und eine zweite Spulenanordnung, auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein. Die erste Spulenanordnung kann eine Vielzahl von Empfängerspulen umfassen, beispielsweise ein erstes Empfängerspulensystem. Die zweite Spulenanordnung kann eine Vielzahl von Empfängerspulen umfassen, beispielsweise ein zweites Empfängerspulensystem.
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Das erste Geberrad und das zweite Geberrad können voneinander verschiedene Geberradprofile aufweisen. Beispielsweise kann das erste Geberrad ein Geberradprofil aufweisen, bei welchem Profilelemente mit einer ersten Periodizität auf dem ersten Geberrad angeordnet sind. Das zweite Geberrad kann ein Geberradprofil aufweisen, bei welchem Profilelemente mit einer von der ersten Periodizität verschiedenen zweiten Periodizität angeordnet sind. Das erste Geberrad und das zweite Geberrad können identische Geberradprofile aufweisen und versetzt zueinander angeordnet werden. Das erste Geberrad und das zweite Geberrad können miteinander verbunden sein, beispielsweise können das erste Geberrad und das zweite Geberrad einteilig ausgestaltet sein. Eine Auswertung und Positionsbestimmung kann mittels eines Vernier(Nonius)-Verfahrens erfolgen, bei welchem insbesondere eine Interpolation von einer Vielzahl von Signalen zu einem Messwert, insbesondere einem Positionswert, erfolgt. So kann der Messbereich der Sensorvorrichtung durch Verwendung von zwei Geberrädern, bzw. zwei in der Periodizität verschiedenen Geberradprofilen und zwei Spulenanordnungen auf einen Messbereich von 360° erweitert werden.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements vorgeschlagen. Hinsichtlich Definitionen und Ausführungsformen des Verfahrens kann auf obige Ausführungen zu der in einem ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagenen Sensorvorrichtung verwiesen werden. In dem Verfahren wird eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung verwendet. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad. Das rotierende Element und das Geberrad weisen eine Rotationsachse auf. Die Sensorvorrichtung weist mindestens eine Spulenanordnung auf. Die Spulenanordnung umfasst mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Empfängerspule. Die Spulenanordnung ist auf mindestens einem Schaltungsträger angeordnet. Das Geberrad weist ein Geberradprofil auf. In dem Verfahren wird eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule abhängig von einer Position des Geberrads bestimmt. Der Schaltungsträger ist koaxial zu der Rotationsachse des Geberrads angeordnet. Der Schaltungsträger umgibt das Geberrad zumindest teilweise kreisförmig. Aus der Änderung der induktiven Kopplung kann eine absolute Position des rotierenden Elements bestimmt werden. Das Verfahren kann eine instantane Verfügbarkeit eines absoluten Positionswertes bei einem Einschalten einer Spannungsversorgung ermöglichen (True-Power-On-Funktion).
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung;
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3A und 3B je eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers;
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4A und 4B eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Geberrads mit Geberradprofil (4A) und eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Geberradprofils (4B);
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5A bis 5C ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einem ersten Geberrad und einem zweiten Geberrad in Draufsicht (5A), in Frontansicht (5B) und in einer perspektivischen Darstellung (5C); und
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6A und 6B je eine Ausführungsform eines Schaltungsträgers, auf welchem eine erste Spulenanordnung und eine zweite Spulenanordnung angeordnet sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements 112. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 110 eingerichtet sein, eine Winkelposition des rotierenden Elements 112 zu bestimmen. Das rotierende Element 112 kann eine Rotationsachse 114 aufweisen, welche in 1 in die Zeichenebene hinein verläuft. Beispielsweise kann das rotierende Element 112 eine Welle in einer Antriebsmaschine sein, beispielsweise ein Nockenwelle. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle bestimmt werden.
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Die Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element 112 verbindbares Geberrad 116. Das rotierende Element 112 und das Geberrad 116 weisen eine Rotationsachse auf, beispielsweise die gemeinsame Rotationsachse 114. Das Geberrad 116 kann konzentrisch um das rotierende Element 112 angeordnet sein. Das Geberrad 116 kann eine zylindrische Grundform aufweisen. Das Geberrad 116 kann mit dem rotierenden Element 112 verbunden sein. Bei einer Rotationsbewegung des rotierenden Elements 112 kann das Geberrad 116 mit dem rotierenden Element 112 gemeinsam rotieren, so dass eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberrads 116 einer Position, insbesondere einer Winkelposition, des rotierenden Elements 112 entspricht.
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Die Sensorvorrichtung 110 weist mindestens eine Spulenanordnung 118 auf. Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 118 zeigt 2. Die Spulenanordnung 118 umfasst mindestens eine Erregerspule 120 und mindestens eine Empfängerspule 122. Die Erregerspule 120 und die Empfängerspule 122 können mindestens eine Wicklung aufweisen. Die Erregerspule 120 und/oder die Empfängerspule 122 können beispielsweise als eine Leiterbahn, beispielsweise aus Metall, ausgestaltet sein. Die Erregerspule 120 kann bei einer Anregung, beispielsweise durch eine Quelle, insbesondere eine Stromquelle, einen magnetischen Fluss zu erzeugen. Die Erregerspule 120 und die Empfängerspule 122 können induktiv gekoppelt sein. Die Empfängerspule 122 kann aufgrund der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal erzeugen, welches abhängig von der induktiven Kopplung ist. Die induktive Kopplung kann von einer Position des Geberrads 116 abhängig sein. Das Geberrad 116 kann aus einem Metall hergestellt sein. Die Bewegung des Geberrads 116 ist in 2 durch den Pfeil 124 gekennzeichnet. Das Geberrad 116 kann bei einer Rotationsbewegung einen Bereich der Spulenanordnung 118 überstreichen und die induktive Kopplung zwischen Erregerspule 120 und Empfängerspule 122 ändern. Die Empfängerspule kann mindestens eine Sensorspule 126 aufweisen. In 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, in welcher die Empfängerspule 122 eine Sensorspule 126 umfasst. Diese kann aus zwei Teilwindungen einer Spule bestehen, welche gegenläufig orientiert sind. Die Teilwindungen können bei einem Stromfluss durch die Sensorspule 126 jeweils im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn von Strom durchflossen werden. Die Spulenanordnung 118 kann eine Vielzahl von Empfängerspulen 122 aufweisen, wobei die Sensorvorrichtung 110 eingerichtet sein kann, ein Sinussystem, ein Cosinussystem oder ein Mehrphasensystem zur Detektion abzubilden. Die Spulenanordnung 118 ist auf mindestens einem Schaltungsträger 128 angeordnet. Bei dem Schaltungsträger kann es sich um einen planaren Schaltungsträger, beispielsweise eine Leiterplatte, eine Leiterkarte, eine Platine oder eine gedruckte Schaltung, insbesondere ein printed circuit board (PCB), handeln. Beispielsweise kann die Spulenanordnung 118 auf dem PCB aufgedruckt sein.
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Der Schaltungsträger 128 ist koaxial zu der Rotationsachse 114 des Geberrads 116 angeordnet. Wie in 1 dargestellt, kann der Schaltungsträger 128 auf einem Zylindermantel mit dem Radius r um das Geberrad 116, in radialer Anordnung zur Nockenwelle, angeordnet sein. Der Schaltungsträger 128 umgibt das Geberrad 116 zumindest teilweise kreisförmig. Der Schaltungsträger 128 kann einen Teilbereich, insbesondere ein Kreissegment des Geberrads 116 abdecken. Beispielsweise kann der Schaltungsträger 128 einen Öffnungswinkel α aufweisen. Der Schaltungsträger 128 kann entsprechend dem Öffnungswinkel α einen Teilausschnitt eines Umfangs des Geberrads 116 abdecken. Ein absoluter Messbereich der Sensorvorrichtung 110 kann von dem Öffnungswinkel α des Schaltungsträgers 128 abhängig sein.
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Der Schaltungsträger 128 kann eine Vielzahl von Spulenanordnungen 118 umfassen. Die 3A und 3B zeigen je eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 128.
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3A zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Schaltungsträger 128 flexibel ausgestaltet ist. Beispielsweise kann der Schaltungsträger 128 ein planarer Schaltungsträger sein, welcher flexibel, insbesondere biegsam, ausgestaltet ist. Der Schaltungsträger 128 kann ein flexibles Material umfassen. Beispielsweise kann der Schaltungsträger 128 eine flexible Leiterplatte sein. Beispielsweise kann der Schaltungsträger 128 eine Starrflex-Leiterplatte sein, insbesondere eine gebogene Starrflex-Leiterplatte.
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3B zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Schaltungsträger 128 zwei ebene Flächen aufweist, welche in einem Winkel zu einander angeordnet sein können. Der Schaltungsträger 128 kann ein starrer Schaltungsträger sein. Der Schaltungsträger 128 kann mindestens ein Verbindungselement 130 aufweisen, beispielsweise eine Materialschwächung und/oder Einkerbung, welches eingerichtet ist, die ebenen Flächen miteinander zu verbinden. Beispielsweise kann der Schaltungsträger 128 einen ersten Bereich 132, auf welchem eine erste Spulenanordnung 134 angeordnet ist, und einen zweiten Bereich 136, auf welchem eine zweite Spulenanordnung 138 angeordnet ist, aufweisen.
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Der Schaltungsträger 128 kann in einem Spritzgussgehäuse angeordnet sein. Zur mechanischen Stabilisierung kann der Schaltungsträger, beispielsweise umfassend eine Sensorplatine und eine Auswerteeinheit, in einem Spritzgussgehäuse angeordnet sein.
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Das Geberrad 116 weist ein Geberradprofil 140 auf. 4A zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Geberrads 116 mit Geberradprofil 140. In 4B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Geberradprofils 140 dargestellt. Das Geberrad 116 kann eine zylindrische Grundform aufweisen. Ein Zylindermantel des Geberrads 116 kann mindestens eine Ausbuchtung und/oder mindestens eine Einkerbung aufweisen. Das Geberradprofil 140 kann mindestens ein Profilelement 142 aufweisen. Beispielsweise kann das Profilelement 142 ein Zahn sein. Das Profilelement 142 kann eine in einer Breite des Geberrads 116 profilierte Spur sein. Das Geberrad 116 kann eine Vielzahl von Profilelementen 142 aufweisen, welche insbesondere über einen Umfang des Geberrads 116 verteilt angeordnet sein können. Das Geberrad 116 kann beispielsweise mehrere Zähne und/oder mindestens eine profilierte Spur aufweisen. Die Profilelemente 142 können periodisch über den Umfang des Geberrads 116 angeordnet sein. Die Profilelemente 142 können äquidistant über den Umfang angeordnet sein.
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Die Sensorvorrichtung 110 ist eingerichtet, eine Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule 120 und der Empfängerspule 122 abhängig von einer Position des Geberrads 160 zu bestimmen. Die Sensorvorrichtung 110 kann eingerichtet sein, aus der Änderung der induktiven Kopplung eine absolute Position des rotierenden Elements 112 zu bestimmen. Die induktive Kopplung kann von einer Position des Geberrads 116 abhängig sein. Das Geberrad 116 kann bei einer Rotationsbewegung einen Bereich der Spulenanordnung 118 überstreichen. Dieses kann zu einer Änderung des magnetischen Flusses und zu einer Änderung der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule 120 und Empfängerspule 122 führen. Die induktive Kopplung kann sich abhängig von dem Geberradprofil 140 ändern. Beispielsweise kann sich die induktive Kopplung an einem Beginn eines Profilelements 142 und/oder an einem Ende eines Profilelements 142 ändern. Die Empfängerspule 122 kann ein Signal, welches abhängig von der induktiven Kopplung ist, erzeugen. Eine derartige Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 110 kann eine Verfügbarkeit eines absoluten Positionswertes bei einem Einschalten einer Spannungsversorgung ermöglichen (True-Power-On-Funktion).
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Die Sensorvorrichtung 110 kann eine Auswerteeinheit aufweisen. Die Auswerteeinheit kann mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen, welche mit der Spulenanordnung 118 auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 128 angeordnet sein kann oder von der Spulenanordnung 118 getrennt auf einem weiteren Schaltungsträger 128 angeordnet sein kann. Die Auswerteeinheit kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, das Signal der Empfängerspule 122 zu empfangen und eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberrads 116 zu bestimmen.
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Die Sensorvorrichtung 110 kann mindestens zwei Geberräder 116 aufweisen. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 110 ein erstes Geberrad 144 und ein zweites Geberrad 146 aufweisen. 5A zeigt eine Draufsicht einer Anordnung des ersten Geberrads 144 und des zweiten Geberrads 146, wobei die Rotationsachse 114 in die Zeichenebene hineinzeigt. 5B zeigt eine Frontansicht auf das jeweilige Geberradprofil 140. 5C zeigt eine perspektive Darstellung dieses Ausführungsbeispiels. Das erste Geberrad 144 und das zweite Geberrad 146 können voneinander verschiedene Geberradprofile aufweisen. Beispielsweise kann das erste Geberrad ein Geberradprofil aufweisen, bei welchem Profilelemente mit einer ersten Periodizität auf dem ersten Geberrad angeordnet sind. Das zweite Geberrad kann ein Geberradprofil aufweisen, bei welchem Profilelemente mit einer von der ersten Periodizität verschiedenen zweiten Periodizität angeordnet sind. Das erste Geberrad 144 und das zweite Geberrad 146 können identische Geberradprofile aufweisen und versetzt zueinander angeordnet werden. Das erste Geberrad 144 und das zweite Geberrad 146 können miteinander verbunden sein, beispielsweise können das erste Geberrad 144 und das zweite Geberrad 146 einteilig ausgestaltet sein. Die Sensorvorrichtung 110 kann weiterhin mindestens zwei Spulenanordnungen 118 aufweisen. Beispielsweise können die zwei Spulenanordnungen auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 128 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine erste Spulenanordnung 148 koaxial zu dem ersten Geberrad 144 und eine zweite Spulenanordnung 150 koaxial zu einem zweiten Geberrad 146 angeordnet sein. 6A und 6B zeigen jeweils eine Ausführungsform eines Schaltungsträgers 128, auf welchem die erste Spulenanordnung 148 und die zweite Spulenanordnung 150 angeordnet sind. 6A zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die erste Spulenanordnung 148 und die zweite Spulenanordnung 150 jeweils eine Erregerspule 120 und jeweils eine Empfängerspule 122 mit Sensorspule 126 umfassen. 6B zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die erste Spulenanordnung 148 und die zweite Spulenanordnung 150 eine gemeinsame Erregerspule 120 aufweisen. Die erste Spulenanordnung 148 kann eine Vielzahl von Empfängerspulen 122 umfassen, beispielsweise ein erstes Empfängerspulensystem 152, insbesondere ein Sinus-/Cosinus-System. Die zweite Spulenanordnung 150 kann eine Vielzahl von Empfängerspulen 122 umfassen, beispielsweise ein zweites Empfängerspulensystem 154, insbesondere ein Sinus-/Cosinus-System. Eine Auswertung und Positionsbestimmung kann mittels eines Vernier(Nonius)-Verfahrens erfolgen, bei welchem insbesondere eine Interpolation von einer Vielzahl von Signalen zu einem Messwert, insbesondere einem Positionswert, erfolgt. So kann der Messbereich der Sensorvorrichtung 110 durch Verwendung von zwei Geberrädern 116, bzw. zwei in der Periodizität verschiedenen Geberradprofilen 140 und zwei Spulenanordnungen 118 auf einen Messbereich von 360° erweitert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213539 A1 [0002]
- US 7499878 B2 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63–74 und 120–129 [0001]
