Winkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels sowie einen Sensoranordnung mit einem solchen Winkelsensor .

Die Verwendung eines Winkelsensors zur Erfassung des Höhenstands bzw. des Ein- und Ausfederwegs zwischen Radträger und Karosserie eines Fahrzeugs ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei leitet eine Anlenkstange die translatorische Bewegung ent sprechend des Höhenstands an den Winkelsensor weiter, der die translatorische Bewegung in eine Drehbewegung einer Welle umwandelt. Zur Aufnahme der Bewegung der Anlenkstange ist die Welle mit einem integrierten Hebel ausgebildet. An ihrem unteren Ende weist die Welle gewöhnlicherweise einen Dipolmagnet auf, dessen Drehstellung mittels eines Hallelements erfasst und zu einem Sensorausgangssignal weiterverarbeitet wird. Dabei ist es äußerst wichtig, dass die Welle in dem Sensorgehäuse mit einem sehr geringen radialen und axialen Spiel gelagert ist. Ent sprechend erfordern die Lagerung sowie die Abdichtung zwischen Welle und Sensorgehäuse, ggf. unter Zuhilfenahme zusätzlicher Vorrichtungen zur axialen Fixierung der Welle, einen hohen mechanischen und konstruktiven Aufwand.

Ein solcher Sensor ist beispielsweise aus WO 2016/046341 Al bekannt .

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Winkelsensor anzugeben, der unaufwändig und / oder kostengünstig realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Winkelsensors zum Erfassen eines Drehwinkels basierend auf einer relativen Winkellage eines physikalischen Feldes, umfassend eine Anlenkstange zur Über tragung einer Bewegung, eine Gelenkstange zum Aufnehmen der Bewegung der Anlenkstange, wobei die Gelenkstange an einem ersten Stangenende drehbar an der Anlenkstange befestigt ist, ein von der Gelenkstange abragendes Geberelement, ein Gehäuse, auf weisend ein Nehmerelement, wobei das Geber- und das Nehmerelement so ausgebildet sind, dass das physikalische Feld zwischen beiden übertragbar ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Im Sinne der Erfindung wird unter einem physikalischen Feld vorzugsweise die räumliche Verteilung einer physikalischen Größe verstanden, beispielsweise ein Magnetfeld, ein Elektrisches Feld, ein Temperaturfeld, ein Dichtefeld oder ein Gravitati onsfeld. Die relative Winkellage eines physikalischen Feldes ergibt sich vorzugsweise aus der Ausrichtung der räumlichen Verteilung .

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der Bauraum bzw. die Abmessungen im Bereich zwischen einer Fahrzeugkarosserie und einem Radträger und damit die Anbindungspunkte eines Win kelsensors zur Höhenstandserfassung stark variieren können. Entsprechend müssten verschiedene Varianten eines Winkelsensors bereitgestellt werden, die sich in der Länge des Hebels mit dem die Welle in Drehung versetzt wird, unterscheiden. Typi scherweise können sich die erforderlichen Hebellängen zwischen 50mm und 100mm unterscheiden und durch diese Variabilität hohe Kosten verursachen. Da erfindungsgemäß jedoch eine einfache Gelenkstange verwendet wird, deren Anpassung an unterschiedliche Anforderungen verschiedener Fahrzeugtypen deutlich einfacher ist, können Kosten gespart werden. Die erforderliche spielarme Lagerung einer Welle wäre somit zwar nicht mehr möglich, jedoch begegnet die Erfindung diesem Problem damit, dass das Ge berelement nicht etwa am Ende der Welle angebracht ist, sondern von der Gelenkstange abragt und somit eine von der Drehachse beabstandete, also exzentrische Messung ermöglicht. Die ex zentrische Messung bringt dabei mehr Bauraum und flexiblere Möglichkeiten bei der Ausbildung des Geber- und Nehmerelements, gegebenenfalls auch der Auswerteelektronik mit sich. Vor allem kann aber auf die aufwändig zu konstruierende und herzustellende Gehäuse-Welle- bzw. Lager-Welle-Paarung verzichtet werden, was den Einsatz einer gegenüber einem klassischen Hebel deutlich einfacher variierbaren Gelenkstange ermöglicht und somit Kosten spart .

Es ist bevorzugt, dass das Geberelement innerhalb der von den Längsachsen der Gelenkstange und der Anlenkstange bezie hungsweise deren Mittelachsen aufgespannten Ebene von der Gelenkstange abragt. In dieser Ebene übersetzen die beiden Stangen vorzugsweise die lineare Höhenbewegung in eine Dreh bewegung bei der die Anlenk- und die Gelenkstange in Relation zu ihrer gemeinsamen Drehachse am ersten Stangenende stets in unterschiedliche Richtungen drehen. Diese Drehbewegung lässt sich besonders einfach dadurch wiedergeben, dass das Ge berelement in dieser Ebene von der Gelenkstange abragt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse ein auf der Gehäuseaußenseite hervorstehendes, insbesondere kugel förmiges, Lagerelement auf, wobei die Gelenkstange mit einer korrespondierenden Ausnehmung am zweiten Stangenende drehbar an dem Lagerelement gelagert ist. Durch das auf der Gehäuseau ßenseite angeordnete Lagerelement ist es einerseits möglich, Elektronik in dem Gehäuse hermetisch abzudichten, da das Gehäuse keine Öffnung benötigt. Andererseits entfällt bezüglich der Konstruktion und Bereitstellung der Lagerung ein Großteil auf das Gehäuse mit dem Lagerelement, so dass die Gelenkstange lediglich eine korrespondierende Ausnehmung aufweisen muss. Die Ge lenkstange kann also sehr einfach ausgeführt werden, so dass eine Bereitstellung verschieden langer Gelenkstangen für unter schiedliche Fahrzeugtypen kaum Kosten verursacht.

Es ist bevorzugt, dass das Geberelement vollständig außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Somit sind alle drehbaren bezie hungsweise beweglichen Teile des Winkelsensors außerhalb des Gehäuses angeordnet und auf eine Dichtung kann verzichtet werden.

Vorzugsweise umschließt das Gehäuse das Nehmerelement, ins besondere vollständig. Das Nehmerelement ist damit vor Schmutz, Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen geschützt.

Es ist bevorzugt, dass das Nehmerelement und / oder das Ge berelement eine Grundform in Form eines Kreissegments oder eines Segments eines Kreisrings aufweist. Da das Geberelement in Folge der Drehung der Gelenkstange ebenfalls eine Drehbewegung macht, sorgt eine solche Grundform dafür, dass eine effiziente Überdeckung des Nehmerelements durch das Geberelement erfolgen kann .

Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, dass der Winkelsensor als induktiver Winkelsensor ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine berührungsfreie, unaufwändige Messung.

Vorzugsweise weist das Nehmerelement eine mit einer Wechsel spannung beaufschlagte Erregerspule und mindestens eine mit der Erregerspule induktiv gekoppelte Empfangsspule auf, wobei das Geberelement so angeordnet und ausgebildet ist, insbesondere leitfähig und / oder ferromagnetisch, dass die induktive Kopplung durch die Position des Geberelements beeinflusst wird. Bevorzugt erstreckt sich das Nehmerelement beziehungsweise erstreckt sich die Empfangsspule entlang eines Kreissegments oder eines Segments eines Kreisrings. Es ist weiterhin bevorzugt, dass zwei Empfangsspulen vorhanden sind, wobei jede Empfangsspule eine Wicklung mit einem periodischen Verlauf aufweist, wobei diese periodischen Verläufe zwischen den Empfangsspulen phasenver schoben sind.

Es entspricht einer alternativen bevorzugten Ausführungsform, dass der Winkelsensor als Magnetfeldsensor ausgebildet ist, beispielsweise basierend auf einem galvanomagnetischen, mag- neto-resistiven oder magneto-optischen Effekt, wobei vor zugsweise das Nehmerelement als magnetfeldsensierendes Element und das Geberelement als Permanentmagnet ausgebildet ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Senso ranordnung einen Winkelsensor nach einer zuvor genannten Ausführungsform auf, wobei das Gehäuse des Winkelsensors an einer Fahrzeugkarosserie, insbesondere im Bereich der Stoßdämpfer aufhängung eines Rades, drehbar gelagert ist und die Anlenkstange an einem Teil des Fahrwerks, insbesondere einem Querlenker oder Stabilisator drehbar gelagert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen dabei

Fig. 1 einen Teil eines Winkelsensors gemäß dem Stand der

Technik in einer Schnittansicht,

Fig . 2 den Winkelsensor gemäß Fig.l in einer Außenansicht,

Fig . 3 einen erfindungsgemäßen Winkelsensor in einer stark schematisierten Darstellung. Ein Winkelsensor 100 gemäß dem Stand der Technik ist schematisch in Fig. 1 in einer Schnittansicht dargestellt. Der Winkelsensor 100 weist einen Hebel 10 auf, der an einem Ende mit dem Teil (nicht dargestellt) verbunden werden kann, dessen relative Bewegung im Fall einer Verwendung als Höhenstandssensor erfasst werden soll. Dazu kann zur Bildung eines Gestänges auch eine Anlenkstange zwischen dem Hebel 10 und dem Teil vorgesehen sein. Die Be festigung des Hebels 10 an der Welle 20 gewährleistet eine Schraubverbindung oder eine Verstemmrippe . Alternativ sind Hebel 10 und Welle 20 einteilig bzw. integriert ausgebildet. Die Welle 20 ragt in einen Zylinderbereich 42 eines Gehäuses 40, das Befestigungsvorrichtungen 41 sowie einen Anschlussbereich 43 für elektrische Leitungen aufweist.

Sowohl die Welle 20 und der Hebel 10, als auch das Gehäuse 40 bestehen aus Kunststoff. Um die Welle 20 möglichst spielfrei lagern zu können, ist das Gehäuse 40 mit einer aufwändig zu fertigenden Ausnehmung bzw. einem abstehenden Hohlzylinder zur Bildung einer Lagerfläche ausgestattet. Zudem ist eine Dichtung nötig, um die Schnittstelle zwischen Hebel 10 bzw. Welle 20 und dem Gehäuse abzudichten. Mit den Befestigungsvorrichtungen 41 kann das Gehäuse 40 an einem Teil der Fahrzeugkarosserie be festigt werden, so dass es möglich ist, über den Hebel 10 bzw. das Gestänge eine lineare Relativbewegung, beispielsweise einer Fahrzeugachse, zu erfassen.

In Fig. 2 ist der Winkelsensor 100 gemäß dem Stand der Technik mit einem Teil zur Anbindung des Gehäuses an die Fahrzeugka rosserie und mit dem Gestänge zur Erzeugung einer linearen Relativbewegung dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Winkelsensors zum Erfassen eines Drehwinkels . Um ein Gestänge zur Erzeugung einer linearen Relativbewegung zu bilden ist eine Anlenkstange 7 vorgesehen. Die Anlenkstange 7 ist an einem Ende mit einer Gelenkstange 6 zum Aufnehmen der Bewegung 10 der Anlenkstange 7 gelenkig verbunden. Je nach Federweg und Einbauort kann es nötig sein, dass eine feste Länge der Gelenkstange 6 nicht hinreichend ist. Beispielsweise können verschiede Gelenkstangen 6 mit Längen zwischen 50mm und 100m gefragt sein. Eine Ge lenkstange gemäß dieses Ausführungsbeispiels benötigt jedoch keine Welle 20 an ihrem Ende und kann daher ohne großen Kon struktions- und Herstellaufwand in verschiedenen Varianten bereitgestellt werden. Statt an einer Welle 20 ist ein Ge berelement 3 direkt an der Gelenkstange 6 befestigt.

Das Geberelement 3 ist radial von der Gelenkstange 6 abragend ausgebildet, so dass es je nach Drehstellung 9 einen anderen Bereich eines Nehmerelements 2 überdeckt. Das Nehmerelement 2 ist als induktiv abtastende Struktur ausgebildet, die je nach dem vom Geberelement 3 überdeckten Bereich, also je nach Drehstellung 9, einen für diese Drehstellung 9 charakteristischen Signalwert ausgibt .

Dabei ist die Gelenkstange 6 an einem Lagerelement 8 in Form eines Kugelbolzens auf der Außenseite eines Gehäuses 1 des Win kelsensors drehbar gelagert. Die Lagerung kann einfach durch Verrasten des Kugelbolzens in einer entsprechenden Ausnehmung der Gelenkstange 6 hergestellt werden. Das Nehmerelement 2 ist dagegen vollständig in dem Gehäuse 1 eingehaust und somit vor Schmutz und Nässe geschützt. Über eine Befestigungsvorrichtung 4, beispielsweise eine Schraubverbindung, ist das Gehäuse fest mit einer Fahrzeugkarosserie bzw. einem Halteblech verbunden.

Es sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Be schreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein können. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.