Winkelsensor mit Erfassung der Drehstellung mit Radartechnik

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Winkelsensor,

- wobei der Winkelsensor einen Grundkörper und ein Drehelement aufweist,

- wobei das Drehelement in dem Grundkörper gelagert ist, so dass das Drehelement um eine Drehachse rotierbar ist,

- wobei am Grundkörper eine Anzahl von Sendeantennen angeordnet ist, die ein eweiliges erstes Sendesignal emittieren,

- wobei am Grundkörper mehrere Empfangsantennen angeordnet sind, die ein eweiliges erstes Empfangssignal empfangen und ihr j eweiliges erstes Empfangssignal einer Auswertungs ^¬ einrichtung zuführen, und

- wobei die Auswertungseinrichtung durch Auswerten ausschließlich der ihr zugeführten ersten EmpfangsSignale oder durch Auswerten der ihr zugeführten ersten EmpfangsSignale und anhand der ersten Sendesignale ermittelter erster Basissignale die Drehstellung des Drehelements ermittelt .

Ein derartiger Winkelsensor ist aus der US 2016/0 138 946 AI bekannt .

WinkelSensoren sind für eine Vielzahl von Anwendungen erforderlich . Beispielsweise muss bei elektrischen Maschinen der mechanische Drehwinkel für Positionierungsaufgaben und als Feedback für die Stromregelung gemessen werden . Beispielswei- se werden für Servoantriebe in der Regel optische, magneti ^¬ sche, induktive oder kapazitive WinkelSensoren verwendet . In vielen Fällen sind die WinkelSensoren eigenständige Bauteile, bei denen der Grundkörper des Winkelsensors mit einem Grund ^¬ körper der Maschine verbunden ist und das Drehelement des Winkelsensors mit einer rotierenden Welle der Maschine, deren Drehstellung erfasst werden soll , verbunden ist . In manchen Fällen sind die WinkelSensoren integrale Bauteile der Maschine . Unabhängig davon, ob die eine oder die andere Vorgehensweise ergriffen wird, bestehen die WinkeIsensoren immer aus einer Erfassungseinheit, welche eine MaßVerkörperung abtastet . Die Erfassungseinheit ist auf dem Grundkörper des Winkelsensors angeordnet, die MaßVerkörperung auf dem Drehelement des Win ^¬ kelsensors . Es ist möglich, dass der Winkelsensor selbst die Drehstellung ermittelt und an eine Steuerung übergibt . Alternativ kann der Winkelsensor Rohsignale - beispielsweise Si ^¬ nus- und Cosinussignale - weiterleiten, aus denen dann eine andere Einrichtung, beispielsweise die erwähnte Steuerung, die Drehstellung ermittelt .

Die bekannten WinkeIsensoren weisen verschiedene Nachteile auf .

So sind beispielsweise optische hochgenaue WinkeIsensoren kostenintensiv, da in der Regel eine hochgenaue Montage der Erfassungseinheit relativ zur MaßVerkörperung erforderlich ist . Im Falle der Ausgestaltung als integrierter Winkelsensor ist ein derartiger Sensor schmutzanfällig und muss in auf ^¬ wendiger Weise durch den Hersteller der Maschine gekapselt werden .

Die MaßVerkörperungen müssen für eine hohe Genauigkeit im Be- reich von 18 Bit und mehr aufwendig gefertigt werden, meist in Mikrostrukturtechnik, da die Strukturgroßen mit zunehmender Genauigkeitsklasse immer kleiner werden . Dies gilt insbe ^¬ sondere bei transmissiv oder reflexiv abzutastenden optischen Strukturen im Mikrometerbereich . Im Falle einer Ausgestaltung der MaßVerkörperung als codiertes Multipol-Magnetrad oder

Multipol-Zahnrad oder als induktive oder kapazitiv wirkende Leiterplattenstruktur ist eine Abtastung in einem sehr geringen Abstand zur MaßVerkörperung erforderlich . Derartige Abtastungen sind oftmals nicht Industrietauglich .

Weiterhin sollen die MaßVerkörperungen immer kleiner werden, um den passiven Bauraum, der nicht dem eigentlichen Zweck der Maschine dient (beispielsweise dem Aufbringen eines Drehmo ^¬ ments) , zu minimieren .

Herkömmliche MaßVerkörperungen werden mittels einer Abtast- einheit abgetastet, in manchen Fällen auch mittels mehrerer Abtasteinheiten . Die Kodierungsspuren der MaßVerkörperungen sind meist kleinräumig parallel , seriell oder als sogenannte Noniusspulen kreisförmig angeordnet . Im Rahmen der linearen AbStandsmessung sind weiterhin Messverfahren und Messanordnungen bekannt, welche eine phasenmes ^¬ sende Radartechnik in einem Hohlleiter nutzen, um bei Positionierungsaufgaben Abstände von mehreren Metern mit einer Positionierungsauflösung von wenigen Mikrometern zu erfassen . Rein beispielhaft kann auf die DE 10 2013 209 364 AI und auf die DE 10 2013 202 765 AI verwiesen werden . Derartige Messanordnungen umfassen einen Sensor zum Empfangen einer elektromagnetischen Welle und ein Führungsteil zum Führen der elektromagnetischen Welle . Das Führungsteil ist als länglicher Hohlleiter ausgebildet . Es besteht vorzugsweise aus Metall oder ist metallisch beschichtet . Das Führungsteil weist in Längsrichtung einen Schlitz auf, welcher der Führung der elektromagnetischen Welle dient . Die Auswertung des empfangenen Signals kann beispielsweise mit der sogenannten 6-Tor- Schaltung erfolgen .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Winkelsensor zu schaffen, der auf einfache und zuverlässige Weise mit hoher Genauigkeit eine Ermittlung der Drehstellung des Drehelements des Winkelsensors ermöglicht .

Die Aufgabe wird durch einen Winkelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Win ^¬ kelsensors sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.

Erfindungsgemäß wird ein Winkelsensor der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet, - dass auf dem Drehelement in einem radialen Reflektorabstand von der Drehachse ein sich tangential zur Drehachse gesehen nur über einen Teilumfang erstreckendes Reflektorelement angeordnet ist, welches das von der j eweiligen Sendeantenne emittierte eweilige erste Sendesignal reflektiert, und

- dass die Empfangsantennen das von dem Reflektorelement re ^¬ flektierte Signal als j eweiliges erstes Empfangssignal emp ^¬ fangen . Es wird also im Kern über die Variierung des Abstands des Re ^¬ flektorelements von den Empfangsantennen als Funktion der Drehstellung auf die Drehstellung zurückgeschlossen .

Vorzugsweise sind die Empfangsantennen orthogonal zur Dreh- achse gesehen am Grundkörper zweidimensional verteilt ange ^¬ ordnet sind . Dadurch kann die Drehstellung genauer ermittelt werden . Dies gilt ganz besonders dann, wenn die Empfangsantennen am Grundkörper in Form eines zweidimensionalen Arrays mit einer Mehrzahl von Zeilen und einer Mehrzahl von Spalten angeordnet sind . Prinzipiell gilt dies aber auch dann, wenn die Empfangsantennen zusätzlich zur Verteilung in der orthogonal zur Drehachse verlaufenden Ebene auch eine Höhenvertei ^¬ lung längs der Drehachse aufweisen . Vorzugsweise bildet die Auswertungseinrichtung Paare von ers ^¬ ten Signalen, die jeweils aus zwei ersten EmpfangsSignalen oder aus einem ersten Empfangssignal und einem ersten Basis ^¬ signal bestehen, ermittelt j eweils eine Phasendifferenz zwischen den Phasen des eweiligen Paares und ermittelt die Drehstellung des Drehelements durch Auswerten der Phasendifferenzen . Durch diese Vorgehensweise ist eine hochgenaue Aus ^¬ wertung möglich . Dies gilt ganz besonders , wenn die Auswertungseinrichtung bezüglich der Auswertung des j eweiligen Paares von ersten Signalen als nach dem 6-Tor-Verfahren arbei- tende Schaltung ausgebildet ist . Mittels einer nach dem 6- Tor-Verfahren arbeitenden Schaltung ist eine sehr einfache hochgenaue Ermittlung der Phasendifferenz und hiermit korres- pondierend eine sehr einfache hochgenaue Ermittlung der Dreh ^¬ stellung des Drehelements möglich.

Das 6-Tor-Verfahren und die zugehörige Schaltung sind als solche allgemein bekannt . Es kann - rein beispielsweise - auf folgende Fachaufsätze verwiesen werden :

- „Six-Port Technology for Precise Geometrical Measurement Applications - an Overview " von Alexander Koelpin et al . , veröffentlicht in den Proceedings zur 43rd European Micro- wave Conference, 7-10 October 2013, Nürnberg, Deutschland,

- „Wide-Range, Dual Six-Port based Direction-Of-Arrival De- tector" von Gabor Vinci et al . , The 7th German Microwave Conference (GeMiC) , Ilmenau 2012, Seiten 1 bis 4 , und

- „Dual Tone Approach for Unambiguous Six-Port Based Inter- ferometric Distance Measurements" von S. Lindner et al . ,

Microwave Symposium Digest, Seattle 2013 IEEE MTTS Interna ^¬ tional .

Das eweilige erste Sendesignal weist eine eweilige erste Signalfrequenz auf . Vorzugsweise sind die Anordnung der Sendeantennen und der Empfangsantennen und die ersten Signalfrequenzen derart aufeinander abgestimmt, dass für mindestens zwei der Paare von ersten Signalen die Phasendifferenz zwischen den Phasen der ersten Signale des j eweiligen Paares während eines vollständigen Umlaufs des Reflektorelements um die Drehachse um weniger als 360° variiert . Dadurch ist es nicht erforderlich, während des Drehens des Drehelements Pha ^¬ senüberläufe zu erfassen und durch deren Verwertung eine resultierende Phasendifferenz zu ermitteln, die sich dann ins- gesamt über mehr als 360° erstreckt . Vielmehr ist bereits die ermittelte Phasendifferenz als solche ohne weitergehende Mo ^¬ difikation direkt verwertbar .

In manchen Ausgestaltungen ist es möglich, dass die Auswer- tungseinrichtung anhand der Phasendifferenzen der ersten Signale zusätzlich einen axialen Reflektorabstand und/oder den radialen Reflektorabstand des Reflektorelements von den Sen ^¬ deantennen und den Empfangsantennen ermittelt und die Dreh- Stellung des Drehelements unter Berücksichtigung des ermittelten axialen und/oder radialen Reflektorabstands ermittelt. Dadurch ist die Drehstellung des Drehelements genauer ermit ^¬ telbar .

Es ist möglich, dass die Sendeantennen zusätzlich ein jeweiliges zweites Sendesignal emittieren, das eine andere Signal ^¬ frequenz als das eweilige erste Sendesignal aufweist, und weiterhin auf dem Drehelement zusätzlich zum Reflektorelement in einem radialen Ringabstand von der Drehachse ein sich ringförmig um die Drehachse herum erstreckendes Ringelement angeordnet ist, welches das von der eweiligen Sendeantenne emittierte eweilige zweite Sendesignal reflektiert . In die ^¬ sem Fall ist der Winkelsensor vorzugsweise dadurch ausgestal- tet ,

- dass die Empfangsantennen das von dem Ringelement reflektierte Signal als j eweiliges zweites Empfangssignal empfan ^¬ gen und ihr eweiliges zweites Empfangssignal der Auswer ^¬ tungseinrichtung zuführen und

- dass die Auswertungseinrichtung durch Auswerten ausschließlich der ihr zugeführten zweiten EmpfangsSignale oder durch Auswerten der ihr zugeführten zweiten EmpfangsSignale und anhand der zweiten Sendesignale ermittelter zweiter Basissignale den radialen Reflektorabstand korrigiert und/oder einen axialen Reflektorabstand des Reflektorelements von den Sendeantennen und den Empfangsantennen ermittelt und die Drehstellung des Drehelements unter Verwertung des ermittelten radialen Reflektorabstands und/oder des ermittel ^¬ ten axialen Reflektorabstands ermittelt .

Durch diese Vorgehensweise kann die Drehstellung des Drehele ^¬ ments genauer ermittelt werden .

Vorzugsweise sind auf dem Grundkörper und/oder auf dem Drehe- lement Absorberstrukturen zum Absorbieren der von den Sendeantennen emittierten Sendesignale angeordnet . Dadurch können Störreflexionen verringert oder vermieden und das Signal- Rausch-Verhältnis maximiert werden . Es ist möglich, dass das Reflektorelement auf dem Drehelement erhaben oder vertieft angeordnet ist . Alternativ ist es bei ^¬ spielsweise möglich, dass das Reflektorelement in eine auf dem Drehelement angeordnete Leiterplattenstruktur integriert ist . Es sind aber auch andere Ausgestaltungen möglich .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele , die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Hierbei zeigen in schematischer Darstellung : FIG 1 eine Maschine mit einem Winkelsensor,

FIG 2 den Winkelsensor von FIG 1 vergrößert,

FIG 3 eine Draufsicht auf den Winkelsensor von FIG 1 ,

FIG 4 eine schaltungstechnische Implementierung des Win ^¬ kelsensors von FIG 1 ,

FIG 5 eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung eines Drehelements ,

FIG 6 eine Modifikation des Winkelsensors von FIG 2 und

FIG 7 eine weitere Modifikation des Winkelsensors von FIG

2.

Gemäß FIG 1 weist eine Maschine 1 eine Welle 2 auf, deren Drehwinkel bzw . Drehstellung a erfasst werden soll . Zu diesem Zweck ist ein Winkelsensor 3 vorhanden . Der Winkelsensor 3 weist gemäß den FIG 1 und 2 einen Grundkörper 4 auf, in dem ein Drehelement 5 gelagert ist . Das Drehelement 5 ist dadurch um eine Drehachse 6 rotierbar . Der Grundkörper 4 kann - beispielsweise über Schrauben - mit einem Gehäuse 7 der Maschine 1 verbunden werden . Das Drehelement 5 kann - beispielsweise ebenfalls über Schrauben - mit der Welle 2 der Maschine 1 verbunden werden . Die Verbindung des Drehelements 5 mit der Welle 2 der Maschine 1 erfolgt derart, dass die Drehachse 6 so gut wie möglich mit der Drehachse der Welle 2 der Maschine 1 übereinstimmt . Zur Klarstellung wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „Welle" in Bezug auf die Welle 2 der Maschi ^¬ ne 1 im Sinne des mechanischen Elements verwendet wird, nicht im Sinne einer sich ausbreitenden Schwingung . Soweit nachfolgend die Begriffe „axial" , „radial" und „tan ^¬ gential" verwendet werden, sind sie stets auf die Drehachse 6 bezogen . „Axial" ist eine Richtung parallel zur Drehachse 6. „Radial" ist eine Richtung orthogonal zur Drehachse 6 direkt auf die Drehachse 6 zu bzw . von ihr weg . „Tangential" ist ei - ne Richtung, die sowohl orthogonal zur Axialrichtung als auch orthogonal zur Radialrichtung verläuft . „Tangential" ist also eine Richtung, die bei einer konstanten Axialposition und mit einem konstanten radialen Abstand kreisförmig um die Drehachse 6 herum gerichtet ist .

Gemäß den FIG 2 und FIG 3 sind am Grundkörper 4 Antennen 8 angeordnet . Die Antennen 8 sind in den FIG 2 und 3 jeweils mit einem kleinen Buchstaben (a bis i) ergänzt, um sie bei Bedarf voneinander unterscheiden zu können . Mindestens eine der Antennen 8 ist eine Sendeantenne . Mindestens zwei der An ^¬ tennen 8 sind Empfangsantennen . Die Begriffe „Sendeantenne" und „Empfangsantenne" schließen sich hierbei nicht aus . Es ist also möglich, dass ein Teil der Antennen 8 reine Sendeantennen sind, ein weiterer Teil der Antennen 8 reine Empfangs- antennen sind und ein weiterer Teil der Antennen 8 Sende- und Empfangsantennen sind . Soweit nachfolgend von Sendeantennen und Empfangsantennen die Rede ist, bezieht sich die eweilige Aussage somit auf die entsprechende Funktionalität (also sen ^¬ den bzw . empfangen) der eweiligen Antenne 8. Hingegen soll nicht ausgeschlossen sein, dass eine Antenne 8 , die als Sen ^¬ deantenne bezeichnet ist, auch als Empfangsantenne wirken kann und umgekehrt eine Antenne 8 , die als Empfangsantenne bezeichnet ist, auch als Sendeantenne wirken kann . Die Empfangsantennen 8 sind orthogonal zur Drehachse 6 gese ^¬ hen am Grundkörper 4 zweidimensional verteilt angeordnet . Hierbei ist es möglich, dass die Empfangsantennen 8 in einer orthogonal zur Drehachse 6 verlaufenden Ebene angeordnet sind. In diesem Fall bedeutet der Begriff „zweidimensional verteilt" , dass mindestens zwei Empfangsantennen 8 existie ^¬ ren, deren eweilige Verbindungslinie mit der Drehachse 6 ei ^¬ nen Winkel bildet, der sowohl von 0° als auch von 180° ver- schieden ist . Diese Bedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn die Antennen 8b und 8f Empfangsantennen sind . Alternativ ist es möglich, dass die Empfangsantennen 8 auch in verschiedenen Axialpositionen angeordnet sind . In diesem Fall bezieht sich die obige Aussage, dass die Verbindungslinien der beiden Empfangsantennen 8 mit der Drehachse 6 einen Winkel bilden, der sowohl von 0° als auch von 180° verschieden ist, auf eine Ebene , in welche die Empfangsantennen 8 fiktiv pro iziert werden . Vorzugsweise sind die Empfangsantennen 8 am Grundkörper 4 in Form eines zweidimensionalen Arrays mit einer Mehrzahl von Zeilen und einer Mehrzahl von Spalten angeordnet . Dies ist beispielsweise der Fall , wenn alle in FIG 3 dargestellten An ^¬ tennen 8 Empfangsantennen sind . Die in FIG 3 dargestellte An- Ordnung von 3 x 3 Antennen 8 ist jedoch nur rein beispielhaft . Allgemein können bei Anordnung in Form eines zweidimensionalen Arrays n x m Antennen 8 (mit n, m > 1 ) vorhanden sein . Es sind auch gewisse Modifikationen des Arrays möglich . Beispielsweise können bei fünf Spalten die beiden äußersten Spalten jeweils drei Empfangsantennen 8 umfassen und die mittleren drei Spalten j eweils fünf Empfangsantennen 8 umfassen . In diesem Fall sind sozusagen die „Ecken" des Arrays abgeschnitten . Eine AnregungsSchaltung 9 des Winkelsensors 3 generiert gemäß FIG 4 eine Anzahl von AnregungsSignalen A . Die AnregungsSignale A weisen j eweils eine erste Signalfrequenz f1 auf . Die erste Signalfrequenz f1 liegt im Hochfrequenzbereich, meist oberhalb von 1 GHz , oftmals sogar oberhalb von 10 GHz , bei- spielsweise bei 12 , 24 oder 60 GHz . Sie kann fest vorgegeben oder einstellbar sein . In j edem Fall aber ist ihr genauer Wert für j edes Anregungssignal A zu j edem Zeitpunkt bekannt . Entsprechende Ausgestaltungen der AnregungsSchaltung 9, wel- che die Anregungssignale A hochgenau mit der jeweiligen ers ^¬ ten Signalfrequenz f1 generieren können, sind Fachleuten beispielsweise in Form von PLLs ( Phase Locked Loop) in Kombinati ^¬ on mit VCOs (Voltage Controlled Oscillator) und anderen Aus- gestaltungen bekannt .

Die AnregungsSchaltung 9 führt die AnregungsSignale A den Sendeantennen 8 zu . Die Sendeantennen 8 emittieren daraufhin ein j eweiliges erstes Sendesignal Sl . Die ersten Sendesignale Sl sind in FIG 4 jeweils mit einem kleinen Buchstaben (a bis i) ergänzt, um sie bei Bedarf voneinander unterscheiden zu können . Sofern mehrere Sendeantennen 8 ein j eweiliges erstes Sendesignal Sl emittieren, ist es möglich, dass die Sendeantennen 8 ihre ersten Sendesignale Sl simultan emittieren . In diesem Fall müssen die ersten Signalfrequenzen f1 paarweise verschieden voneinander sein . Alternativ können die Sendeantennen 8 ihre ersten Sendesignale Sl sequenziell nacheinander emittieren . In diesem Fall können die ersten Signalfrequenzen f1 gleich oder voneinander verschieden sein .

Auf dem Drehelement 5 ist in einem radialen Reflektorabstand rO von der Drehachse 6 ein Reflektorelement 10 angeordnet . Das Reflektorelement 10 erstreckt sich in Tangentialrichtung nur über einen Teilumfang, in der Praxis über einen möglichst kleinen Winkel . Das Reflektorelement 10 reflektiert das von der j eweiligen Sendeantenne 8 emittierte j eweilige erste Sen ^¬ designal Sl. Der Begriff „reflektieren" ist hierbei nicht im Sinne einer spiegelartigen Reflexion gemeint, sondern im Sinne einer möglichst breiten Streuung des auf das Reflektorele- ment 10 auftreffenden j eweiligen Sendesignals Sl.

Die Empfangsantennen 8 empfangen das von dem Reflektorelement 10 reflektierte Signal als j eweiliges erstes Empfangssignal El . Die ersten EmpfangsSignale El sind in FIG 4 j eweils mit einem kleinen Buchstaben (a bis i ) ergänzt , um sie bei Bedarf voneinander unterscheiden zu können . Die Empfangsantennen 8 führen ihr j eweiliges erstes Empfangssignal El einer Auswer ^¬ tungseinrichtung 11 zu . Die Auswertungseinrichtung 11 ermit- telt sodann die Drehstellung a des Drehelements 5. Es ist möglich, dass die Auswertungseinrichtung 11 zur Ermittlung der Drehstellung a ausschließlich die ihr zugeführten ersten EmpfangsSignale El auswertet . Alternativ ist es möglich, dass die Auswertungseinrichtung 11 zur Ermittlung der Drehstellung a die ihr zugeführten ersten EmpfangsSignale El und zusätzlich erste Basissignale Bl auswertet, die anhand der ersten Sendesignale Sl (bzw . hiermit äquivalent : der AnregungsSigna ^¬ le A) ermittelt werden . Dies wird nachstehend näher erläu- tert . Hierbei wird zunächst ein einfaches Beispiel erläutert, von dem ausgehend sodann auf Ausgestaltungen verwiesen wird .

Im Rahmen der nachstehenden Erläuterungen, also des einfachen Beispiels , wird zunächst angenommen, dass die Antennen 8 sich entsprechend der Darstellung in FIG 2 in einem einheitlichen axialen Reflektorabstand hO vom Drehelement 5 befinden, die Antenne 8f sich entsprechend der Darstellung in FIG 3 bei ei ^¬ nem Offset x = xO auf der x-Achse befindet und als kombinier ^¬ te Sende- und Empfangsantenne betrieben wird und weiterhin die Antenne 8b sich entsprechend der Darstellung in FIG 3 bei einem Offset y = yO auf der y-Achse befindet und als reine Empfangsantenne betrieben wird . Die beiden Offsets xO , yO können beispielsweise zwischen 5 mm und 20 mm liegen . Sie weisen vorzugsweise den gleichen Wert auf . Dies ist aber nicht zwingend erforderlich . Der axiale Reflektorabstand hO kann ebenfalls zwischen 5 mm und 20 mm liegen . Er kann den gleichen Wert wie die Offsets xO , yO aufweisen . Dies ist aber nicht zwingend .

Ausgehend von den oben genannten Annahmen ergibt sich die Po sition des Reflektorelements 10 ~ bei noch unbekannter Drehstellung a - zu

Demzufolge gilt für den Abstand dl des Reflektorelements von der Antenne 8f dl ² =r0 ² + x0 ² + h0 ² 2/-0.v0 cos a (2)

Durch Umformen von Gleichung 2 erhält man somit rO ² + x0 ² + ) ² - <*T

cosa =

2r0.vü

In analoger Weise gilt für den Abstand d2 des Reflektorele ^¬ ments 10 von der Antenne 8b dl ² = r ² +y0 ² + hO ² 2r( ^■ sin a (4)

Durch Umformen von Gleichung 4 erhält man somit

Die Drehstellung a kann somit anhand der Gleichungen (3) und (5) ermittelt werden, sofern die zugehörigen Abstände dl, d2 des Reflektorelements 10 von den Antennen 8f, 8b ermittelt werden können.

Zum Ermitteln des Abstands dl können beispielsweise das erste Basissignal Bl und das von der Antenne 8f empfangene erste Empfangssignal Elf verwertet werden . Insbesondere variiert eine Phasendifferenz cpl zwischen dem ersten Basissignal Bl und dem ersten Empfangssignal Elf mit dem Abstand dl . Insbe ^¬ sondere gilt für die Phasendifferenz cpl

2dl

φ\ = φθ + ^■ 2π (6) λ

A ist hierbei die Wellenlänge des ersten Sendesignals Sl , die ihrerseits wiederum durch die Beziehung

Ä-fl = c (7) (mit c = Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sende- und Empfangs ^¬ signale Sl , El ) mit der ersten Signalfrequenz f1 verknüpft ist . <p0 ist ein Phasenoffset . Der Phasenoffset cpO kann einma ^¬ lig vorab im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt werden .

Die Auswertungseinrichtung 11 kann daher zunächst das oben genannte Paar von ersten Signalen - also das erste Basissig ^¬ nal Bl und das erste Empfangssignal Elf der Antenne 8f - bil ^¬ den und die Phasendifferenz φΐ zwischen den Phasen dieses Paares ermitteln . Anhand der ermittelten Phasendifferenz cpl kann sodann der Abstand dl ermittelt werden .

In ähnlicher Weise können zum Ermitteln des Abstands d2 beispielsweise das erste Basissignal Bl und das von der Antenne 8b empfangene erste Empfangssignal Elb verwertet werden . Ins ^¬ besondere variiert eine Phasendifferenz <p2 zwischen dem ers ^¬ ten Basissignal Bl und dem ersten Empfangssignal Elb mit dem Abstand dl und mit dem Abstand d2. Insbesondere gilt für die Phasendifferenz cp2

. dl + d2

φ2 = φ0'+ 2π (8) λ φθ ' ist ebenfalls ein Phasenoffset . Auch der Phasenoffset cpO ' kann einmalig vorab im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt werden .

Die Auswertungseinrichtung 11 kann daher nach der Ermittlung des Abstands dl auch dieses Paar von ersten Signalen - also das erste Basissignal Bl und das erste Empfangssignal Elb der Antenne 8b - bilden und die Phasendifferenz cp2 zwischen den Phasen dieses Paares ermitteln . Anhand der ermittelten Phasendifferenz ψ2 kann sodann in Verbindung mit dem zuvor ermittelten Abstand dl der Abstand d2 ermittelt werden . Das Ermitteln der Phasendifferenzen cpl, cp2 ist problemlos möglich . Beispielsweise kann die Auswertungseinrichtung 11 zum Ermitteln der Phasendifferenzen cpl, cp2 als nach dem 6- Tor-Verfahren arbeitende Schaltung ausgebildet sein. Diese Art der Auswertung ist allgemein bekannt . Sie ist sehr zuver lässig und genau . Da vorliegend zunächst die Phasen φΐ und φ ermittelt werden und die Phasen φΐ und ψ2 nur modulo 2n be ^¬ stimmt werden können, ist der Abstand dl anhand der Phase φΐ j edoch nur innerhalb der halben Wellenlänge A eindeutig be ^¬ stimmbar . In analoger Weise ist - bei bekanntem Abstand dl der Abstand d2 anhand der Phase φ2 nur innerhalb der Wellen ^¬ länge λ eindeutig bestimmbar . Dennoch sind die Abstände dl und d2 eindeutig ermittelbar .

Um im Rahmen des obenstehenden Beispiels den Abstand dl anhand der Phase φί direkt eindeutig bestimmen zu können, muss die Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum des Ab- stands dl kleiner als die halbe Wellenlänge λ sein . Das Maxi mum und das Minimum des Abstands dl sind exakt nicht ganz einfach zu berechnen . Unabhängig vom radialen Reflektorabstand rO und unabhängig vom axialen Reflektorabstand hO ist diese Bedingung jedoch erfüllt, wenn folgende Beziehung gilt

2x0 < ( 9 )

In Verbindung mit Gleichung 7 ist daher die Ermittlung des Abstands dl eindeutig möglich, wenn die Beziehung

/Ί <— (10)

4x0 gilt . Denn in diesem Fall variiert die Phasendifferenz φΐ zwischen dem ersten Empfangssignal Elf und dem ersten Basis- signal Bl während eines vollständigen Umlaufs des Reflekto ^¬ relements 10 um die Drehachse 6 um weniger als 360°.

Um im Rahmen des obenstehenden Beispiels in analoger Weise den Abstand d2 anhand der Phasendifferenz <p2 direkt eindeutig bestimmen zu können, muss auch für die Phasendifferenz φ2 zwischen dem ersten Empfangssignal Elb und dem ersten Basis- signal Bl gelten, dass sie während eines vollständigen Um ^¬ laufs des Reflektorelements 10 um die Drehachse 6 um weniger als 360° variiert . Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Dif ^¬ ferenz zwischen dem Maximum und dem Minimum der Summe der Ab- stände dl und d2 kleiner als die Wellenlänge A ist .

Das Maximum der Summe der Abstände dl und d2 ist nicht ganz einfach zu berechnen . In analoger Weise ist auch das Minimum der Summe der Abstände dl und d2 nicht ganz einfach zu be- rechnen . Die Differenz von Maximum und Minimum der Summe der Abstände dl und d2 lässt sich j edoch abschätzen :

MAX(d\ + d2 ) MIN(d\ + dl)< 2x0 + lyO < λ (11) In Verbindungen mit den Beziehungen (7) und ( 9) ist die genannte Bedingung daher erfüllt, wenn folgende Beziehung gilt :

./ ^' l < - - (12)

4y0 In diesem Fall variiert auch die Phasendifferenz φ2 zwischen dem ersten Empfangssignal Elb und dem ersten Basissignal Bl während eines vollständigen Umlaufs des Reflektorelements 10 um die Drehachse 6 um weniger als 360°. Das gleiche Ergebnis würde sich auch ergeben, wenn die Antenne 8b als Sende- und Empfangsantenne wirken würde, also das von ihr selbst ausge ^¬ sendete Signal wieder empfangen würde . Dies zeigt ein einfa ^¬ cher Vergleich von Gleichung ( 12 ) mit Gleichung (10).

Wenn die Bedingungen (10) und ( 12 ) erfüllt sind, sind somit anhand der Phasendifferenzen φΐ und ψ2 die Abstände dl und d2 eindeutig ermittelbar und anhand der Abstände dl und d2 der Sinus und der Kosinus der Drehstellung α eindeutig ermittel ^¬ bar . Mi t Sinus und Kosinus der Drehstellung α ist jedoch auch die Drehstellung α selbst eindeutig ermittelbar .

Auch wenn die Bedingungen (10) und ( 12 ) nicht erfüllt sind, ist die Ermittlung der Drehstellung α möglich . Beispielsweise ist es bei hinreichend schneller Erfassung und Ermittlung aufeinanderfolgender Phasendifferenzen φΐ , φ2 möglich, Phasensprünge zu erkennen und dadurch den Auflösungsbereich für die Abstände dl , d2 prinzipiell beliebig zu erweitern . Ebenso ist es möglich, die Messung der Phasendifferenzen φΐ , φ2 schnell nacheinander bei mehreren ersten Signalfrequenzen f1 durchzuführen und durch Kombination der Messwerte den Auflösungsbereich prinzipiell beliebig - zu erweitern . Weiterhin ist es möglich, mehr als nur zwei Phasendifferenzen zu ermit- teln . Beispielsweise können - sei es alternativ, sei es zu ^¬ sätzlich zu den Phasendifferenzen φΐ , φ2 - die Phasendifferenzen folgender Paare von ersten EmpfangsSignalen El gebildet werden : - Erste EmpfangsSignale Ela und Elc,

- erste EmpfangsSignale Ela und Elg,

- erste EmpfangsSignale Elg und Eli,

- erste EmpfangsSignale Elc und Eli,

- erste EmpfangsSignale Ela und Eli,

- erste EmpfangsSignale Elc und Elg .

Die obenstehende Auflistung ist rein beispielhaft . Es können alternativ oder zusätzlich auch andere Paare von ersten Empfangssignalen El gebildet werden . Auch kann j edes der ersten EmpfangsSignale Ela bis Eli mit dem ersten Basissignal Bl ge ^¬ paart werden . Mit j edem weiteren Paar von ersten Signalen Bl , El erhält man weitere Informationen .

Die weiteren Informationen können beispielsweise, falls zuvor eine Zweideutigkeit oder sogar noch weitergehende Mehrdeutig ^¬ keit bestand, zur eindeutigen Ermittlung der Drehstellung a genutzt werden . Ebenso ist es j edoch möglich, derartige Paare von ersten Signalen Bl , El auch dann zu verwerten wenn die Drehstellung a vom Ansatz her bereits eindeutig ermittelt werden kann . Insbesondere ist es in diesem Fall möglich, nicht nur die Drehstellung a als variabel und damit zunächst unbekannt anzunehmen, sondern zusätzlich auch den axialen Reflektorabstand hO und/oder den radialen Reflektorabstand rO zu ermitteln und diese beiden Größen hO, rO bei der Ermitt ^¬ lung der Drehstellung a des Drehelements 5 zu berücksichti ^¬ gen . Sowohl der axiale Reflektorabstand hO als auch der radi ^¬ ale Reflektorabstand rO sollten zwar konstant sein. In der Praxis können sich aber während einer Umdrehung des Drehelements 5 um die Drehachse 6 gewisse Schwankungen des radialen Abstands rO beispielsweise aufgrund einer leicht exzentri ^¬ schen Anordnung der Antennen 8 relativ zur Drehachse 6 ergeben. Auch ist es möglich, dass das Drehelement 5 nicht exakt orthogonal zur Drehachse 6 orientiert ist, so dass der axiale Reflektorabstand hO dadurch während einer Umdrehung des Dre ^¬ helements 5 um die Drehachse 6 variiert . Derartige Schwankun ^¬ gen können bei Verwertung von hinreichend vielen Phasendifferenzen ermittelt werden .

Eine alternative Möglichkeit zur Ermittlung zumindest des ra ^¬ dialen Abstands rO , eventuell auch des axialen Reflektorab ^¬ stands hO , wird nachstehend in Verbindung mit FIG 5 näher er ^¬ läutert. Gemäß FIG 5 ist auf dem Drehelement 5 zusätzlich zum Reflektorelement 10 in einem radialen Ringabstand rl von der Drehachse 6 ein Ringelement 12 angeordnet . Das Ringelement 12 erstreckt sich ringförmig um die Drehachse 6 herum. Es bildet also einen vollständigen Kreisring . Der radiale Ringabstand rl kann nach Bedarf größer oder kleiner als der radiale Re- flektorabstand rO sein . Den gleichen Wert darf er j edoch nicht aufweisen .

Das Ringelement 12 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass es zwar ein j eweiliges zweites Sendesignal S2 (siehe FIG 4 ) reflektiert, das von einer eweiligen Sendeantenne 8 (darge ^¬ stellt ist dies in Figur 4 nur für die Antenne 8e) emittiert wird . Das j eweilige zweite Sendesignal S2 weist j edoch eine andere Signalfrequenz f2 auf als das eweilige erste Sende ^¬ signal Sl . Insbesondere ist es möglich, das Reflektorelement 10 , das Ringelement 12 und die Signalfrequenzen f1 , f2 derart aufeinander abzustimmen, dass die von dem Ringelement 12 herrührenden Reflexionen die ersten EmpfangsSignale El nicht oder zumindest nur geringfügig beeinflussen . Beispielsweise kann das Ringelement 12 in Radialrichtung gesehen hinreichend schmal sein, so dass es mittels der ersten EmpfangsSignale El nicht erfasst wird . In diesem Fall sind die zweiten Signal ^¬ frequenzen f2 in der Regel erheblich größer als die ersten Signalfrequenzen f1 , beispielsweise mindestens fünfmal so groß .

Die Empfangsantennen 8 empfangen das von dem Ringelement 12 reflektierte Signal als eweiliges zweites Empfangssignal E2. Sie führen ihr eweiliges zweites Empfangssignal E2 der Aus ^¬ wertungseinrichtung 11 zu . In diesem Fall kann die Auswertungseinrichtung 11 den radialen Reflektorabstand r0 korrigieren und/oder den axialen Reflektorabstand hO des Reflekto ^¬ relements 10 von den Antennen 8 ermitteln und die Drehstel- lung a des Drehelements 5 unter Verwertung des ermittelten radialen Reflektorabstands rO und/oder des ermittelten axia ^¬ len Reflektorabstands hO ermitteln . Zum Ermitteln des radia ^¬ len Reflektorabstands rO und/oder des axialen Reflektorab ^¬ stands hO kann die Auswertungseinrichtung 11 nach Bedarf aus- schließlich die ihr zugeführten zweiten EmpfangsSignale E2 oder die ihr zugeführten zweiten EmpfangsSignale E2 und anhand der zweiten Sendesignale S2 ermittelter zweiter Basissignale B2 auswerten . Beispielsweise kann die Auswertungseinrichtung 11 in dem Fall , dass ausschließlich die Antenne 8e ein zweites Sendesignal S2 emittiert, IntensitätsSchwankungen der zweiten EmpfangsSignale E2 auswerten und darauf aufbauend eine periodische Schwankung des radialen Reflektorabstands rO und/oder des axialen Reflektorabstands hO ermitteln . Entspre ^¬ chende Vorgehensweisen sind Fachleuten allgemein bekannt .

Nachfolgend werden in Verbindung mit den FIG 6 und 7 Ausge ^¬ staltungen des Winkelsensors der FIG 2 und 3 erläutert . Diese Ausgestaltungen sind j edoch ohne weiteres auch bei der alternativen Ausgestaltung gemäß FIG 5 realisierbar . Weiterhin ist die Ausgestaltung von FIG 6 auch mit den Ausgestaltungen der FIG 7 kombinierbar . Gemäß FIG 6 sind auf dem Grundkörper 4 und/oder auf dem Drehelement 5 Absorberstrukturen 13 angeordnet. Die Absorbers ^¬ trukturen 13 absorbieren zumindest die von den Sendeantennen 8 emittierten ersten Sendesignale Sl , vorzugsweise auch die zweiten Sendesignale S2. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere die SNR (= signal-noise-ratio) optimiert werden .

Gemäß den FIG 2 und 6 ist das Reflektorelement 10 auf dem Drehelement 5 erhaben angeordnet . Gleiches gilt gegebenen- falls auch für das Ringelement 12. Alternativ könnten das Re ^¬ flektorelement 10 und gegebenenfalls auch das Ringelement 12 auf dem Drehelement 5 auch vertieft angeordnet sein . Gemäß FIG 7 ist das Reflektorelement 10 hingegen auf dem Drehele ^¬ ment 5 weder erhaben noch vertieft angeordnet, sondern in ei- ne Leiterplattenstruktur 14 integriert . Auch hier gilt gegebenenfalls gleiches wieder für das Ringelement 12.

Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung somit fol ^¬ genden Sachverhalt :

Ein Winkelsensor weist einen Grundkörper 4 auf, in dem ein Drehelement 5 gelagert ist, so dass das Drehelement 5 um eine Drehachse 6 rotierbar ist . Am Grundkörper 4 ist eine Anzahl von Sendeantennen 8 angeordnet, die ein j eweiliges erstes Sendesignal Sl emittieren . Auf dem Drehelement 5 ist in einem radialen Reflektorabstand rO von der Drehachse 6 ein sich tangential zur Drehachse 6 gesehen nur über einen Teilumfang erstreckendes Reflektorelement 10 angeordnet, welches das von der j eweiligen Sendeantenne 8 emittierte eweilige erste Sen- designal Sl reflektiert . Am Grundkörper 4 sind mehrere Emp ^¬ fangsantennen 8 angeordnet, die das von dem Reflektorelement 10 reflektierte Signal als j eweiliges erstes Empfangssignal El empfangen und ihr j eweiliges erstes Empfangssignal El ei ^¬ ner Auswertungseinrichtung 11 zuführen . Die Auswertungsein- richtung 11 ermittelt durch Auswerten ausschließlich der ihr zugeführten ersten EmpfangsSignale El oder durch Auswerten der ihr zugeführten ersten EmpfangsSignale El und anhand der ersten Sendesignale Sl ermittelter erster Basissignale Bl die Drehstellung a des Drehelements 5.

Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbeson- dere ist auf einfache und zuverlässige Weise eine hochgenaue Erfassung der Drehstellung des Drehelements 5 möglich . Die Erfassung der Drehstellung a ist bei jeder Drehstellung möglich . Die Radartechnik ist kostengünstig und zuverlässig implementiert war . Es erfolgt eine berührungslose Erfassung . Die erforderliche Montagegenauigkeit ist relativ gering . Der Winkelsensor 3 arbeitet robust, auch in einer rauen Umgebung .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .