DE102016225517A1

DE102016225517A1 - Sensorvorrichtung, Sensorsystem und Lenksystem

Info

Publication number: DE102016225517A1
Application number: DE102016225517.7A
Authority: DE
Inventors: Zhichao Hong; Baichao Tong; Desheng Zhao; Dong Sun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-06-29
Also published as: US20170183034A1; JP2017116549A; CN205484398U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, ein Sensorsystem sowie ein Lenksystem, wobei die Sensorvorrichtung einen mit einer Drehwelle drehenden Codierer, der eine äußere Oberfläche mit einer alternierenden Struktur aus einem magnetischen Material aufweist, zumindest einen der äußeren Oberfläche gegenüberliegenden, fest außerhalb des Codierers angeordneten Magnetkörper, und zumindest ein fest zwischen dem zumindest einen Magnetkörper und dem Codierer angeordnetes Erfassungselement umfasst, wobei die alternierende Struktur des Codierers derart ausgebildet ist, dass das Erfassungselement beim Drehen des Codierers alternierende Signale ausgibt, wobei das Erfassungselement magnetfeldempfindlich ist. Durch die obige Ausgestaltung verfügt die Sensorvorrichtung über eine einfache Struktur und ein verkleinertes Volumen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Geräte, insbesondere eine Sensorvorrichtung, ein Sensorsystem und ein Lenksystem.
Stand der Technik
In verschiedenartigen Anwendungen ist es oft erforderlich, verschiedene physikalische Größen wie Drehgeschwindigkeit, Drehwinkel einer Drehwelle (z.B. Fahrzeuglenkwelle, Motordrehwelle usw.) usw. zu messen.
Zum Beispiel stellt eine Lenkwinkelsensorvorrichtung eine übliche Sensorvorrichtung zum Messen des Drehens dar. Die Lenkwinkelsensorvorrichtung wird in der Regel in Fahrzeugen verwendet. Die Lenkwinkelsensorvorrichtung kann zum Beispiel als ein Teil eines Fahrzeugsystems wie eines elektronischen Stabilitätssystems (ESP: Electronic Stability Program) oder eines ABS-Systems des Fahrzeugs ausgebildet werden. Die Lenkwinkelsensorvorrichtung dient zum Messen eines Drehwinkels eines Lenkrads und kann ferner zum Messen einer Drehrichtung, einer Drehgeschwindigkeit des Lenkrads verwendet werden. Der gemessene Drehwinkel des Lenkrads dient als Basis zum Realisieren einer Lenkamplitude des Fahrzeugs, sodass das Fahrzeug nach den Wünschen des Fahrers gelenkt werden sowie fahren kann.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen zum Messen des Drehens bereitgestellt, zum Beispiel Sensoren mit photoelektrischen Kopplungselementen sowie magnetisch-elektrische Sensoren mit Hall-Elementen oder Riesenmagnetowiderstandselementen usw.
Jedoch weisen die verschiedenartigen Sensorvorrichtungen zum Messen des Drehens im Stand der Technik in der Regel eine relativ komplizierte Struktur und ein relativ großes Volumen auf.
Offenbarung der Erfindung
Angesichts der oben beschriebenen Probleme wird die vorliegende Erfindung vorgeschlagen, um eine Sensorvorrichtung, ein Sensorsystem sowie ein Lenksystem zum Beseitigen oder zumindest zum teilweisen Beseitigen der oben beschriebenen Probleme bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, die
einen mit einer Drehwelle drehenden Codierer, der eine äußere Oberfläche mit einer alternierenden Struktur aus einem magnetischen Material aufweist, zumindest einen Magnetkörper, der der äußeren Oberfläche gegenüberliegend und fest außerhalb des Codierers angeordnet ist, und zumindest ein Erfassungselement, das fest zwischen dem zumindest einen Magnetkörper und dem Codierer angeordnet ist, umfasst, wobei die alternierende Struktur derart ausgebildet ist, dass das Erfassungselement beim Drehen des Codierers alternierende Signale ausgibt, wobei das Erfassungselement magnetfeldempfindlich ist.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die alternierende Struktur eine periodische Struktur.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl des zumindest einen Erfassungselements mehrere Erfassungselemente, die so angeordnet sind, dass der Phasenunterschied der Ausgangssignale von jeden beliebigen zwei benachbarten Erfassungselementen der mehreren Erfassungselemente gleich ist.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die alternierende Struktur eine periodische Struktur.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind das zumindest eine Erfassungselement mehrere Erfassungselemente, die so angeordnet sind, dass der Phasenunterschied der Ausgangssignale von jeden beliebigen zwei benachbarten Erfassungselementen der mehreren Erfassungselemente gleich ist.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die äußere Oberfläche eine seitliche Oberfläche des Codierers bezüglich der axialen Richtung der Drehwelle und der zumindest eine Magnetkörper und das zumindest eine Erfassungselement sind am radialen Umfang des Codierers angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die periodische Struktur eine Zahnradstruktur.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das zumindest eine Erfassungselement auf dasselbe Teil der Zahnradstruktur ausgerichtet.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der zumindest eine Magnetkörper mehrere Magnetkörper, wobei jeder der mehreren Magnetkörper einem der mehreren Erfassungselemente zugeordnet ist und jedes der mehreren Erfassungselemente wiederum einem der mehreren Magnetkörper zugeordnet ist.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das magnetfeldempfindliche Erfassungselement ein Hall-Sensor oder ein Riesenmagnetowiderstandssensor.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorsystem bereitgestellt, das die oben beschriebene Sensorvorrichtung und eine Recheneinheit zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit und/oder eines Drehwinkels der Drehwelle in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensorvorrichtung umfasst.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lenksystem bereitgestellt, das die oben beschriebene Sensorvorrichtung, ein Verarbeitungsteil zum Bestimmen des Lenkwinkels in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensorvorrichtung, und ein Antriebsteil zum Antreiben des Lenkens der Fahrzeugräder in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel umfasst.
Die oben beschriebene Sensorvorrichtung, das System sowie das Lenksystem gemäß dem vorliegenden Erfindung ermöglichen mittels Hall-Effekt- oder Riesenmagnetowiderstandselemente und anderen magnetfeldempfindlichen Erfassungselemente ein Lenkwinkelmesssystem mit vereinfachter Struktur und verkleinertem Volumen.
Kurze Darstellung der Zeichnung
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Nutzen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend durch die detaillierte Beschreibung in Kombination mit den beigefügten Figuren viel deutlicher.
1 eine beispielhafte Anwendungsumgebung einer Sensorvorrichtung,
2a und 2b eine strukturelle schematische Ansicht eines Lenkwinkelsensors im Stand der Technik basierend auf dem Hall-Effekt oder Riesenmagnetowiderstandseffekt,
3 eine strukturelle schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4a und 4b eine schematische Ansicht eines Arbeitsprozesses der Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
4c eine schematische Ausgangswellenform der Sensorvorrichtung,
5a eine strukturelle schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
5b die Verhältnisse zwischen den Ausgangssignalen mehrerer Erfassungselemente,
6 eine strukturelle schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
7 eine strukturelle schematische Ansicht eines Lenksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend werden in Bezug auf die beigefügten Figuren beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung näher beschrieben. Obwohl in den beigefügten Figuren beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung gezeigt sind, ist es zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung auf verschiedenste Weise realisiert werden kann und nicht von den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen beschränkt werden sollte. Im Gegensatz dazu dienen diese Ausführungsbeispiele dazu, dass die vorliegende Offenbarung besser verstanden und deren Schutzbegehren vollständig an den Fachmann übermittelt werden kann.
1 zeigt eine beispielhafte Anwendungsumgebung einer Sensorvorrichtung. Wie gezeigt in 1 ist eine von dem vorliegenden Erfindung bereitgestellte Sensorvorrichtung 10 an einer Lenkwelle 11 eines Fahrzeugs angeordnet. Die Lenkwelle 11 dreht sich mit einem Lenkrad 12. Die Lenkwinkelsensorvorrichtung 10 kann unter anderem als ein Teil eines ESP-Systems fungieren. Ausgangssignale der Lenkwinkelsensorvorrichtung 10 werden an ein Steuer- und Antriebsteil 13 des ESP-Systems übertragen. Zum Beispiel umfasst das Steuer- und Antriebsteil 13 eine elektronische Steuereinheit (ECU: Electronic control Unit), einen Motor, ein Lenkgerät usw. und steuert das Lenken z.B. eines Fahrzeugrads 14 usw. in Abhängigkeit von den Ausgangsinformationen der Lenkwinkelsensorvorrichtung 10.
2a und 2b zeigen eine strukturelle schematische Ansicht eines Lenkwinkelsensors im Stand der Technik basierend auf dem Hall-Effekt oder Riesenmagnetowiderstandseffekt. Wie gezeigt weisen derartige vorhandene Lenkwinkelsensoren in der Regel eine relativ komplizierte Struktur auf und umfassen neben einem Magnetkörper normalerweise ein Antriebszahnrad und mehrere Abtriebszahnräder, was auch zu einem relativ größeren Volumen der Sensoren führt. Außerdem können aufgrund der gegenseitigen Berührungen und Einflüsse zwischen den Zahnrädern Probleme wie Geräusche mitgebracht werden. Darüber hinaus ist die Montage derartiger Lenkwinkelsensoren nicht bequem.
Nachfolgend werden einzelne Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Zum vollständigeren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden die Prinzipien des in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bezogenen Hall-Effekts und Riesenmagnetowiderstandseffekts kurz beschrieben, bevor die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben werden.
Hall-Effekt bedeutet, dass senkrecht zur Stromrichtung Ladungsträger (z.B. Elektronen und Löcher) aufgrund der Lorenzkraft umgelenkt werden und sich senkrecht zur Richtung des Stroms und zur Richtung des Magnetfelds ansammeln, wobei die angesammelten Elektronen und Löcher ein elektrisches Feld senkrecht zur Richtung des Stroms und zur Richtung des Magnetfelds erzeugen, wobei die Ladungsträger einen stationären Zustand erreichen, wenn die von den Ladungsträgern getragene elektrische Feldkraft mit der Lorenzkraft abglichen wird, wobei senkrecht zur Richtung des Stroms und zur Richtung des Magnetfelds eine stabile eingebaute Spannung gebildet wird, die als Hall-Spannung genannt wird.
Riesenmagnetowiderstandseffekt bezeichnet eine durch Veränderungen des Magnetfelds verursachte signifikante Veränderung des Widerstands von magnetischen Materialien.
3 zeigt eine strukturelle schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung wird in einem Lenksystem eines Fahrzeugs verwendet, in welchem Fall die Drehwelle eben die mit einem Lenkrad verbundene Lenkwelle ist. Konkreterweise wird in 3 eine Querschnittansicht in der axialen Richtung gezeigt. Wie gezeigt in 3 umfasst eine Sensorvorrichtung 300 einen Codierer 31, einen außerhalb des Codierers 31 angeordneten Magnetkörper 32 und ein zwischen dem Magnetkörper 32 und dem Codierer 31 angeordnetes Erfassungselement 33.
In Kombination mit 1 ist erkennbar, dass bei tatsächlichen Verwendungen der Codierer 31 an der mit dem Lenkrad verbundenen Lenkwelle 30 angeordnet ist und sich synchron mit der Lenkwelle 30 dreht. Die Positionen des Magnetkörpers 32 und des Erfassungselements 33 sind außerhalb des Codierers 31 festgelegt. Wenn der Fahrer das Lenkrad dreht, wird die Lenkwelle 30 gedreht, somit sich der Codierer 31 auch mitdreht. Der Codierer 31 ist relativ zu dem fest angeordnete Magnetkörper 32 und Erfassungselement 33 beweglich.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht die äußere Oberfläche 311 in dem Codierers 31, die relativ zu dem Magnetkörper 32 und Erfassungselement 33 beweglich ist, aus einem magnetischen Material. Natürlich können andere Teile des Codierers 31 außer der äußeren Oberfläche 311 auch aus einem magnetischen Material bestehen. Zum Beispiel ist das Ganze des Codierers 31 aus einem magnetischen Material gebildet. Dadurch bildet die äußere Oberfläche 311 mit dem Magnetkörper 32, der auf der anderen Seite des Erfassungselements 33 angeordnet ist, eine im Wesentlichen senkrecht durch das Erfassungselement 33 durchdringende Magnetfeldrichtung. Zum Beispiel kann an der in 3 gezeigten statischen Position die Magnetfeldrichtung im Wesentlichen in der horizontalen Richtung nach rechts sein. Dementsprechend ist das Erfassungselement 33 so angeordnet, dass die Stromrichtung senkrecht zur Magnetfeldrichtung ist, wenn das Erfassungselement 33 zum Beispiel Hall-Sensor ist.
In dem Beispiel gemäß 3 ist der Codierer 31 etwa zylindrisch. Die magnetische äußere Oberfläche 311 des Codierers 31 ist eine seitliche Oberfläche des Codierers 31 bezüglich der Richtung der Lenkwelle 30. In diesem Fall sind der Magnetkörper 32 und das Erfassungselement 33 in radialer Richtung des Codierers 31 außerhalb des Codierers 31 angeordnet.
Natürlich kann die magnetische äußere Oberfläche 311 des Codierers 31 auch auf andere Weise realisiert werden. Zum Beispiel kann die magnetische äußere Oberfläche 311 des Codierers 31 eine obere oder untere Oberfläche des Codierers 31 sein. In diesem Fall sind der Magnetkörper 32 und das Erfassungselement 33 gegenüber der oberen oder unteren Oberfläche des Codierers 31 fest angeordnet. Dabei dreht sich beim Drehen der Lenkwelle 30 der Codierer 31 ebenfalls gegenüber dem Magnetkörper 32 und dem Erfassungselement 33.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die äußere Oberfläche 311 des Codierers 31 eine periodische Struktur auf, die zum Beispiel eine regelmäßige Gitterstruktur oder eine konkav-konvexe Struktur sein kann. Beim Drehen des Codierers 31 richten sich verschiedene Teile der Gitterstruktur oder der konkav-konvexen Struktur des Codierers 31 alternierend mit dem Erfassungselement 33 aus. In dem konkreten Beispiel gemäß 3 wird die periodische Struktur als eine zahnradartige Struktur angezeigt, die vorstehende Zähne und Zahnrillen zwischen benachbarten Zähnen umfasst.
Der Magnetkörper 32 kann verschiedenartige Magnetfeld erzeugende Elemente wie Permanentmagnetkörper, Weichmagnetkörper usw. sein, was in der vorliegenden Erfindung nicht begrenzt wird.
Das Erfassungselement 33 kann ein Hall-Sensor und/oder ein Riesenmagnetowiderstandssensor sein.
Durch die oben genannte Anordnungsweise richtet sich das Erfassungselement 33 mit verschiedenen Teilen der periodischen Struktur auf der äußeren Oberfläche 311 des Codierers 31 aus, wenn sich der Codierer 31 gegenüber dem Magnetkörper 32 und dem Erfassungselement 33 dreht, d.h., der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche 311 und dem Magnetkörper 32 ändert sich periodisch. Dadurch wird an dem Erfassungselement 33 ein sich periodisch änderndes Magnetfeld gebildet.
Es wird als Beispiel angenommen, dass das Erfassungselement 33 ein Hall-Sensor ist. Aufgrund der oben dargestellten Prinzipien des Hall-Effekts ändert sich die mit der Lorenzkraft abgeglichene elektrische Feldkraft auch mit, wenn sich die von den Ladungsträgern im Hall-Sensor getragene Lorenzkraft periodisch ändert. Diese elektrische Feldkraft wird von eine zur Richtung des Stroms und zur Richtung des Magnetfelds senkrechte Hall-Spannung bereitgestellt. Das heißt, beim Drehen des Codierers 31 in der zur Richtung des Stroms und zur Richtung des Magnetfelds senkrechten Richtung des Hall-Sensors als Erfassungselement 33 eine sich periodisch ändernde Hall-Spannung erzeugt wird. Aufgrund der Änderungen der Hall-Spannung lässt sich der Lenkwinkel berechnen.
Analog dazu führen Änderungen des Magnetfelds zu Widerstandsänderungen, wenn das Erfassungselement 33 ein Riesenmagnetowiderstandssensor ist. Daher lässt sich der Lenkwinkel ebenfalls berechnen, wenn die Spannung konstant bleibt und sich der Strom periodisch ändert. Die periodische Struktur der äußeren Oberfläche 311 des Codierers 31 dient einerseits dazu, durch Veränderungen des Abstands verschiedene Hall-Spannungen zu bilden, andererseits können deren strukturellen physikalischen Größen als Widerspiegelung des Lenkwinkels angesehen werden. Nachfolgend wird in Bezug auf 4a bis 4c ein Arbeitsprozess der Lenkwinkelsensorvorrichtung gemäß 3 beschrieben.
4a bis 4c zeigen einen Arbeitsprozess und eine Ausgangswellenform der Lenkwinkelsensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Es wird angenommen, dass in 4a eine erste Position des Codierers 31 angezeigt wird, die z.B. eine Ausgangsposition sein kann. An dieser Position ist das Erfassungselement 33 auf einen Zahn auf der äußeren Oberfläche 311 des Codierers 31 ausgerichtet. In einer zum Magnetfeld senkrechten Richtung des Erfassungselements 32 wird eine Hall-Spannung mit relativ höherem elektrischem Pegel erzeugt. Wie gezeigt in 4b dreht sich der Codierer 31 mit der Lenkwelle im Uhrzeigesinn um einen relativ kleinen Winkel. An dieser Position kann das Erfassungselement 33 mit einer Zahnrille auf der äußeren Oberfläche 311 des Codierers 31 ausgerichtet sein, wobei die Hall-Spannung einen relativ niedrigeren elektrischen Pegel aufweist. Bei einem relativ größeren Drehwinkel wird mehrere Zähne und Zahnrillen passiert. Dadurch werden Spannungssignale mit höherem bzw. niedrigerem elektrischem Pegel, wie gezeigt in 4, alternierend erzeugt.
Darüber hinaus ist in Bezug auf 4a und 4b zu verstehen, dass die Präzision, die das Messen des Lenkwinkels mittels der Sensorvorrichtung haben kann, wenn die Sensorvorrichtung nur ein Erfassungselement aufweist, teilweise von der Anzahl der Zähne auf der äußeren Oberfläche des Codierers abhängt, und zwar, je größer ist die Anzahl der Zähne, desto kleiner ist der Drehwinkel, den die Lenkwinkelsensorvorrichtung erkennen kann.
Es ist zu erläutern: sollte nur ein Erfassungselement vorhanden sein, lässt sich die Drehrichtung in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen dieses einzigen Erfassungselements schwer genau bestimmen. In diesem Fall kann die Drehrichtung mittels einer im Stand der Technik zum Bestimmen einer Drehrichtung verwendeten Weise bestimmt werden. Zum Beispiel lässt sich die Drehrichtung durch eine optische Erfassung bestimmen.
Gemäß den oben beschriebenen Prinzipien der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung anderer Arten von magnetfeldempfindlichen Erfassungselementen auch möglich, z.B. magnetischen Widerständen, magnetischen Transistoren oder integrierten Schaltungen mit magnetischen Widerständen und magnetischen Transistoren, sofern diese Erfassungselemente periodische durch Drehen des Codierers verursachte Änderungen des Magnetfelds erfassen und dementsprechend periodische Signale ausgeben können.
Im obigen Ausführungsbeispiel wurde am Beispiel der Lenkwinkelmessung der Lenkwelle die Struktur der Sensorvorrichtung gemäß dem vorliegenden Erfindung beschrieben. Jedoch sollte es verstanden werden, dass die Sensorvorrichtung gemäß dem vorliegenden Erfindung auch in Anwendungen z.B. zum Messen einer Motordrehgeschwindigkeit verwendet werden kann, und sich nicht nur auf die Verwendung zum Messen eines Lenkwellewinkels einschränkt.
Es ist zu verstehen, dass die äußere Oberfläche des Codierers nicht unbedingt eine völlig regelmäßige periodische Struktur sein muss, sondern eine einfache alternierende Struktur sein kann, wenn die Struktur der Sensorvorrichtung im obigen Ausführungsbeispiel zum Messen der Drehgeschwindigkeit verwendet wird, insbesondere im Fall einer relativ großen Drehgeschwindigkeit (z.B. mehrere Zyklen pro Sekunde). Zum Beispiel umfasst beim Codierer in 3 die seitliche Oberfläche des Codierers in der axialen Richtung nur teilweise einen Vorsprung. Entspricht dieser Struktur gibt das Erfassungselement alternierende Signale aus. Zum Beispiel gibt das Erfassungselement Signale mit höherem elektrischem Pegel aus, wenn der Codierer während dessen Drehen mit seinem Vorsprung mit dem Erfassungselement ausrichtet ist, ansonsten Signale mit niedrigerem elektrischem Pegel ausgegeben werden.
5a zeigt eine strukturelle schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Analog zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist der Magnetkörper fest außerhalb des Codierers 31 angeordnet, wobei das Erfassungselement 33 zwischen dem Magnetkörper und dem Codierer 31 befindlich ist und die dem Erfassungselement 33 gegenüberliegende äußere Oberfläche 311 des Codierers 31 eine periodische Struktur aus einem magnetischen Material aufweist. Konkreterweise sind der Magnetkörper und mehrere Erfassungselemente 33 am Umfang des Codierers 31 bezüglich radialer Richtung angeordnet.
Die mehreren Erfassungselemente 33 können Hall-Sensoren, Riesenmagnetowiderstandssensoren oder deren Kombination sein. Für die Übersichtlichkeit der Figuren wird der Magnetkörper nicht darin gezeigt. Wenn die mehreren Erfassungselemente 33 sowohl Hall-Sensoren als auch Riesenmagnetowiderstandssensoren umfassen, kann die Sensorvorrichtung ferner eine Signalumwandlungsschaltung z.B. zum Umwandeln periodischer Spannungssignale der Hall-Sensoren in Stromsignale usw. umfassen zum Erleichtern der Winkelberechnung.
In einer konkreten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen mehrere Magnetkörper, wobei jeder der mehreren Magnetkörper einem der mehreren Erfassungselemente zugeordnet ist und jedes der mehreren Erfassungselemente wiederum einem der mehreren Magnetkörper zugeordnet ist.
Konkreterweise ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Anordnung mehrerer Erfassungselemente der Phasenunterschied zwischen den Ausgangssignalen jeder beliebiger zwei benachbarter Erfassungselemente gleich. Dabei können die mehreren Erfassungselemente verteilt verschiedenen Zähnen zugeordnet sein, oder sie können auch relativ dicht voneinander angeordnet werden und demselben Zahn zugeordnet sein.
5b zeigt ein Ausgangswellenformdiagramm mehrerer Erfassungselemente. Wie gezeigt in 5b wird für eine Anzahl n von Erfassungselementen angenommen, dass der einem Signal mit höherem elektrischem Pegel zugeordnete Phasenunterschied α₁ beträgt und dass der Phasenunterschied zwischen einem ersten Erfassungselement und einem zweiten Erfassungselement α₂, der Phasenunterschied zwischen dem ersten Erfassungselement und einem dritten Erfassungselement α₃, der Phasenunterschied zwischen dem ersten Erfassungselement und einem n-ten Erfassungselement α_n beträgt und dass es für α₁, α₂, α₃, α_n gilt: α₂ = 1/nα₁, α₃ = 2/nα₁, αn = (n – 1)/nα₁. Dadurch kann die Sensorvorrichtung eine geschehene Drehung der Lenkwelle erkennen, wenn Ausgänge zwei benachbarter Erfassungselemente nacheinander auftreten. Daher ist dem von der Sensorvorrichtung erkennbaren kleinsten Winkel der Phasenunterschied α₂ = 1/nα₁ zugeordnet. Dadurch ist erkennbar, dass die Präzision der Sensorvorrichtung erhöht werden kann, wenn die Anzahl n der Erfassungselemente größer als 1 ist.
Auf einem anderen Aspekt hängt die Erfassungspräzision des Lenkwinkels analog zum obigen Ausführungsbeispiel auch von der Anzahl der Zähne des Codierers ab. Wenn die Anzahl der Zähne z ist, entspricht der Phasenunterschied α₁ einem Lenkwinkel 360/z. Dadurch ist erkennbar, dass die Präzision der Sensorvorrichtung 360/nz beträgt. Der Fachmann kann aufgrund der tatsächlichen Anforderungen eine geeignete Anzahl von Zähnen sowie von Erfassungselementen auswählen, um verschiedene Bedürfnisse an Präzision zu erfüllen.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt in 6 ist die Größe des Erfassungselements in der Regel relativ klein, und zwar wesentlich kleiner als die Größe des Zahnrads des Codierers. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mehrere Erfassungselemente 61, 62, 63 am Umfang des Codierers verteilt und mit demselben Zahn 64 an dem Codierer ausgerichtet. Dabei sind die Erfassungselemente derart angeordnet, dass der Umfangsabstand zwischen jeden beliebigen zwei benachbarten Erfassungselementen gleich ist. Dies stellt sicher, dass der Phasenunterschied zwischen den Ausgangssignalen jeder beliebiger zwei benachbarter Erfassungselemente gleich ist.
Darüber hinaus sollte es verstanden werden, dass die Struktur mehrerer Erfassungselemente im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch ermöglicht, dass aufgrund des Phasenunterschieds der Ausgangssignale mehrerer Erfassungselemente die Drehrichtung der Lenkwelle bestimmt werden kann.
Die in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Sensorvorrichtung kann als eine Einheit als ein separater Sensor ausgebildet werden. Zum Beispiel umfasst dieser Sensor ein ummanteltes Gehäuse, einen festen Teil sowie einen beweglichen Teil, wobei der Magnetkörper und das Erfassungselement an dem festen Teil befestigt sind und der Codierer als ein bewegliches sich drehendes Teil vorgesehen ist. Bei der Verwendung wird solcher Lenkwinkelsensor derart an der Lenkwelle angeordnet, dass sich der Codierer mit der Lenkwelle dreht. Bei der Ausbildung der Sensorvorrichtung als solcher Sensor kann die Hall-Spannung direkt als Ausgangssignal verwendet werden. Natürlich können der Sensor auch einige Signalverarbeitungsschaltungen, z.B. Formerschaltung umfassen, um die Hall-Spannungssignale zu verarbeiten und die verarbeiteten Signale als Ausgangssignale zu verwenden. Natürlich kann die Lenkwinkelvorrichtung in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch als ein Teil eines Fahrzeugsystems z.B. eines elektronischen Stabilitätssystems fungieren und ganz oder teilweise durch individuelle elektronische Elemente ausgebildet werden.
Die Sensorvorrichtung in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Codierer, einem Erfassungselement und einem Magnetkörper. Im Vergleich zur Struktur im Stand der Technik mit mehreren Antriebszahnrädern und Abtriebszahnrädern ist diese Ausgestaltung einfacher und weist einen kleineren Volumen auf. Außerdem stehen der Codier, das Erfassungselement und der Magnetkörper in der Sensorvorrichtung in keinem Kontakt miteinander. Im Vergleich zur Sensorstruktur in 2a und 2b vermeidet derartige kontaktlose Struktur gleichzeitig durch gegenseitigen Kontakt der Zahnräder verursachte Probleme wie Geräusche.
7 zeigt eine strukturelle schematische Ansicht eines Lenksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 7 umfasst das Lenksystem 70 eine Sensorvorrichtung 71, ein Verarbeitungsteil 72 und ein Antriebsteil 73.
Das kann eine Fahrzeugsteuereinheit (VCU) oder anderer beliebiger Fahrzeugcontroller sein. In Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensorvorrichtung 71 berechnet das Verarbeitungsteil 72 den Lenkwinkel und gibt Informationen über den berechneten Lenkwinkel aus. In einigen Ausführungsformen kann das Verarbeitungsteil 72 weiter in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensorvorrichtung 71 die Lenkrichtung erfassen und Informationen über die Lenkrichtung ausgeben.
Das Antriebsteil 73 kann ein Lenkgerät, einen E-Motor usw. umfassen und treibt in Abhängigkeit von dem/der mittels des Verarbeitungsteils 72 berechneten Lenkwinkel bzw. Lenkrichtung die Fahrzeugräder zum Lenken an.
Die Sensorvorrichtung 71, das Verarbeitungsteil 72 und das Antriebsteil 73 können z.B. durch einen CAN-Bus 74 oder auf andere Weise verbunden sein.
Als Beispiel kann das Lenksystem in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein ESP-System sein, wobei hinsichtlich der konkreten Positionen des Verarbeitungsteils, des Antriebsteils usw. auf 1 hingewiesen wird.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Sensorsystem zum Ermitteln von Informationen wie Drehgeschwindigkeit, Drehwinkel usw. bereitgestellt. Das Sensorsystem umfasst eine Sensorvorrichtung gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen. Das Sensorsystem umfasst ferner eine Recheneinheit zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit und/oder eines Drehwinkels einer Drehwelle in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensorvorrichtung. Analog zur Sensorvorrichtung kann das Sensorsystem auch integriert oder individuell ausgebildet werden.
In einem Beispiel kann das Sensorsystem ein System zum Messen des Drehens eines E-Motors sein, wobei die Recheneinheit MCU, SCM oder spezielle integrierte Schaltung sein kann und die Drehwelle die Lenkwelle des E-Motors ist.
Der Fachmann sollte begreifen, dass die oben offenbarten verschiedenen Ausführungsbeispiele auf verschiedenste Weise variiert und modifiziert werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Das Schutzbegehren der vorliegenden Erfindung sollte durch die beigefügten Patentansprüche definiert werden.

Claims

Sensorvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung einen mit einer Drehwelle drehenden Codierer, der eine äußere Oberfläche mit einer alternierenden Struktur aus einem magnetischen Material aufweist, zumindest einen Magnetkörper, der der äußeren Oberfläche gegenüberliegend und fest außerhalb des Codierers angeordnet ist, und zumindest ein Erfassungselement, das fest zwischen dem zumindest einen Magnetkörper und dem Codierer angeordnet ist, umfasst, wobei die alternierende Struktur derart ausgebildet ist, dass das Erfassungselement beim Drehen des Codierers alternierende Signale ausgibt, wobei das Erfassungselement magnetfeldempfindlich ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die alternierende Struktur eine periodische Struktur ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Erfassungselement mehrere Erfassungselemente sind, die so angeordnet sind, dass der Phasenunterschied der Ausgangssignale von jeden beliebigen zwei benachbarten Erfassungselementen der mehreren Erfassungselemente gleich ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche eine seitliche Oberfläche des Codierers in der Richtung der Drehwelle ist und dass der zumindest eine Magnetkörper und das zumindest eine Erfassungselement am radialen Umfang des Codierers angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Struktur eine Zahnradstruktur ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Erfassungselement auf dasselbe Teil der Zahnradstruktur ausgerichtet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Magnetkörper mehrere Magnetkörper sind und dass jeder der mehreren Magnetkörper einem der mehreren Erfassungselemente zugeordnet ist und jedes der mehreren Erfassungselemente wiederum einem der mehreren Magnetkörper zugeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldempfindliche Erfassungselement ein Hall-Sensor oder ein Riesenmagnetowiderstandssensor ist.
Sensorsystem, dadurch gekennzeichnet, das Sensorsystem eine Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, wobei das Sensorsystem ferner eine Recheneinheit zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit und/oder eines Drehwinkels der Drehwelle in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensorvorrichtung umfasst.
Lenksystem zum Messen eines Lenkwinkels einer Fahrzeuglenkwelle, dadurch gekennzeichnet, das Lenksystem eine Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ein Verarbeitungsteil zum Bestimmen des Lenkwinkels in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensorvorrichtung, und ein Antriebsteil zum Antreiben des Lenkens der Fahrzeugräder in Abhängigkeit von dem Lenkwinkel umfasst.