Das Grundmuster induktiver Positions-oder Winkelsensoren nach dem Transformatorprinzip besteht aus mindestens zwei Leiterschleifen, deren eine als Sender oder Primärspule betrie- ben wird, während die andere Leiterschleife als Empfänger oder Sekundärspule dient. Wird die Sekundärspule an der Primärspule vorbeigeführt, so erhält man in dem durch Primärspule und Sekundärspule gebildeten Transformator mit variabler Kopplung eine von der Relativpo- sition von Primärspule gegenüber der Sekundärspule abhängige Sekundärspannung. Spezielle Ausführungsformen derartiger Sensoren arbeiten mit kurzgeschlossenen Sekundärspulen. In diesen Sensoren wird die winkelabhängige Rückwirkung der kurzgeschlossenen Sekundär- spule auf die Primärspule gemessen. Der im Kurzschlußfall sehr kleine Widerstand der Se- kundärwicklung macht sich im Primärkreis mit dem Übertragungsverhältnis für Widerstände modifiziert durch die variable Gegeninduktivität bemerkbar. Ein nach diesem Prinzip arbei- tender Fahrpedalgeber für den Einsatz in Kraftfahrzeugen ist von der Firma Hella KG Hueck & Co. bekannt und z. B. in der ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 100, (1998), Heft 10 beschrieben.

Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, einen nach dem induktiven Prinzip arbeitenden Winkelsensor um die zusätzlichen Funktionen der Energieübertragung und der Informations- übertragung zu erweitern. Es ist auch Aufgabe der Erfindung ein Lenkradmodul vorzuschla- gen, das die drei Funktionsgruppen Energieübertragung, Informationsübertragung und Win- kelsensorik in einem kompakten, mehrteiligen kostengünstigen Bauteil vereinigt.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprü- chen enthalten.

Ein erfindungsgemäßes Modul mit Winkelsensorik, Energieübertragung und Informations- übertragung besteht aus mindestens zwei Leiterplatten. Die eine Leiterplatte bildet bezüglich der Winkelsensorik den Stator und die andere Leiterplatte bildet bezüglich der Winkelsenso- rik den Rotor. Der Stator enthält zusätzlich zur Primärspule für die Winkelsensorik eine Erre- gerspule zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. Der Rotor enthält zusätz- lich zur Sekundärspule der Winkelsensorik eine Empfängerspule zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. Erregerspule und Empfängerspule sind derart auf der jeweili- gen Leiterplatte kreisförmig angeordnet, daß sich für die Erregerspule und die Empfänger- spule eine winkelunabhängige Kopplung ergibt. Die Erregerspule und die Empfängerspule werden sowohl für die Energieübertragung als auch für die Infromationsübertragung genutzt.

Die Energieübertragung erfolgt typischerweise mit einer Mittelfrequenz von z. B. 25 kHz. Zur Informationsübertragung wird dieser Mittelfrequenz eine Modulation überlagert. Es sind hierbei verschiedenene Modulationsverfahren möglich wie z. B HF-Modulation (Hochfre- quenz-Modulation), Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation.

Ein erfindungsgemäßes Modul, das die Winkelsensorik, die Energieübertragung und die In- formationsübertragung in einem Modul integriert, ermöglicht in Verbindung mit der Nutzung moderner Aufbau-und Verbindungstechnik hauptsächlich die folgenden Vorteile : * Die Bauteilgröße des Moduls kann bei den zu übertragenden Leistungen bis etwa 10 W klein gehalten werden, insbesondere kann auf Ferritkerne zur Fokussierung des magneti- schen Flusses verzichtet werden.

* Das Modul ist ausbaufähig und das Informations-Übertragungssystem erlaubt eine große Anzahl von Zusatzfunktionen.

Das Modul arbeitet berührungslos und ist damit verschleißfrei. Insbesondere kommt das Modul ohne Schleifkontakte aus.

* Das Modul ist robust.

* Das Modul läßt sich auf Leiterplattenbasis fertigen und ist damit für die Serienfertigung geeignet, wodurch das Modul kostengunstig gefertigt werden kann.

Zweckmäßiger Weise wird das erfindungsgemäße Modul speziell auf die Erfordernisse der jeweils vorgesehenen Einbauorte abgestimmt. Bei der Ausgestaltung des Moduls als inte- griertes Lenkradmodul in einem Kraftfahrzeug, ermöglicht die Leiterplattentechnologie in besonders vorteilhafter Weise die Adaption des Moduls auf verschiedene Kraftfahrzeuge wie zum Beispiel Lastkraftwagen mit 24 V-Bordnetzen, Personenkraftwagen mit 42 V Bordnet- zen oder Personenkraftwagen mit 12 V Bordnetzen. Es sind auch noch andere Kraftfahrzeuge mit weiteren unterschiedlichen Bordnetzen denkbar. Der statorseitige Teil des Lenkradmo- duls wird fest im Fahrzeug eingebaut, z. B. durch Befestigung am Chasis des Kraftfahrzeuges oder durch Befestigung am Mantelrohr der Lenkspindel. Der rotorseitige Teil des Lenkrad- moduls wird notwendigerweise in unmittelbarer Nachbarschaft zu Stator angebracht. Wenn der statorseitige Teil des Lenkradmoduls am Mantelrohr der Lenkspindel befestigt ist, wird deshalb der rotorseitige Teil des Lenkradmoduls an der Lenkspindel befestigt, so daß der ro- torseitige Teil des Lenkradmoduls gegenüber dem statorseitigen Teil des Moduls drehbar ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls sind sowohl die Pri- märspulen und die Sekundärspulen der Winkelsensorik als auch die Erregerspulen und die Empfängerspulen der Energie-und Informationsübertragung als Leiterbahnen auf der Ober- fläche der Leiterplatten ausgeführt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Primärspule, Sekundärspule, Erregerspule und Empfängerspule als gedruckte Schaltung aus- geführt. Für die Winkelsensorik, d. h. für die Primärspule und die Sekundärspule hat sich diese Technologie bereits bewährt. Zum Zwecke der Leistungs-und Informationsübertra- gung, also für die Erregerspule und die Empfängerspule hat sich in völlig überraschender

Weise in Vorversuchen zur Erfindung gezeigt, daß mit Spulen in Leiterplattentechnologie oder mit Spulen auf der Basis von gedruckten Schaltungen Leistungen bis etwa 10 Watt ohne Probleme übertragen werden können. Dies ist um so überraschender, da entgegen herrschen- der Meinung für die Leistungsübertragung auf das Magnetfeld fokussierende Ferritkerne ver- zichtet werden kann. Für die Auslösung z. B. eines in ein Lenkrad eingebauten Airbags ist typischer Weise eine Leistung von ca. 1 bis 2 Watt erforderlich. Die mit gedruckten Schal- tungen übertragbare Leistung reicht also aus, um mit dem integrierten Lenkradmodul einen Airbag im Kraftfahrzeug sicher zünden zu können. Die Energieversorgung von Lenkrad- Airbags ist eine besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Moduls.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Versorgungssysteme für die Win- kelsensorik und die Energie-und Informationsübertragung bereits auf den Leiterplatten des erfindungsgemäßen Moduls integriert. In diesem Fall sind auf den Leiterplatten statorseitig insbesondere sogenannte DC/AC-Wandler, Stromwandler zur Umwandlung von Gleichstrom auf Wechselstrom, und rotorseitig AC/DC-Wandler integriert. Zur Informationsübertragung sind sowohl statorseitig als auch rotorseitig digitale Modulatoren/Demodulatoren integriert.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Modultaren/Demodulatoren zur Übertragung von mehreren Übertragungskanälen fähig. In einer bevorzugten Ausführungsform können z. B fünf Kanäle übertragen werden, in einer weiteren Ausführungsform können beispielsweise 10 Kanäle übertragen werden und in einer anderen Ausführungsform können z. B. 30 Kanäle übertragen werden. Die Anzahl der Kanäle richtet sich hierbei nach der Anzahl der ange- schlossenen Vorrichtungen, die unäbhängig voneinander mit Informationen versorgt werden müssen, oder die unabhängig voneinander Informationen liefern. Eine besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Moduls ist hierbei neben der bereits erwähnten Energie- versorgung von Lenkrad Airbags, die Übertragung von Steuerbefehlen von im Lenkrad inte- grierten Betätigungselementen zu den zugeordneten Vorrichtungen wie z. B Schaltern zum Regeln und Betätigen von Autoradios oder CD-Spielern (Compact-Disc-Spielern).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen darge- stellt und näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine Aufsicht auf den statorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Erre- gerspule und Primärspule gefertigt in Leiterplattentechnologie oder als gedruckte Schaltung Fig. 2 eine Aufsicht auf den rotorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Emp- fängerspule und kurzgeschlossener Sekundärspule gefertigt in Leiterplattentechnolo- gie oder als gedruckte Schaltung Fig. 3 einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls mit angeschlossenen Versorgungvorrichtungen zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung Fig. 4 ein Funktionsdiagramm des erfindungsgemäßen Moduls mit einer beispielhaften An- wendung als Lenkradmodul Fig. 5 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines KFZ-Lenkrads mit dem einge- bautem erfindungsgemäßen Modul Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf den statorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Erregerspule und Primärspule gefertigt in Leiterplattentechnologie oder als gedruckte Schal- tung. Das statorseitige Bauteil 1 des erfindungsgemäßen Moduls enthält auf einem Substrat 3 eine aus Leiterbahnen gebildete Erregerspule 4 und zwei ebenfalls aus Leiterbahnen gebildete Primärspulen 5. Die Erregerspule besteht typischerweise aus 3 bis 10 Windungen und wird über die Anschlußösen 6 an die in Fig. 3 gezeigten Versorgungungseinheiten zur Energie- übertragung und zur Informationübertragung angeschlossen. Im gezeigten Ausführungsbei- spiel besteht die Erregerspule 4 aus 3 Windungen. Falls zur Übertragung größerer Leistungen eine größere Anzahl von Windungen wie z. B. 20 Windungen benötigt werden, können die Windungen sowohl auf der Vorderseite des Substrats als auch auf der Rückseite des Substrats angebracht sein. Z. B können 10 Windungen auf der Vorderseite des Substrats und 10 Win- dungen auf der Rückseite des Substrats angebracht sein. Die beiden Primärspulen 5 sind mit

den Anschlußösen 7 von der Rückseite des Substrats an eine nicht gezeigte Auswerteeinheit zur Ermittlung der Winkelstellung angeschlossen. Die Kontaktierung der Primärspulen ist in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind lediglich zwei Primärspulen gezeigt, die halbkreisförmig jeweils einen Winkelbereich von 180 ° abdecken.

Es sind jedoch auch andere aus dem Stand der Technik hinreichend bekannte Anordnungen und Ausführungsfomen für die Primärspulen möglich und vorgesehen. Insbesondere ist eine feinere Unterteilung in mehrere Winkelsegmente möglich. Die Primärspulen werden typi- scherweise in einem Spannungsbereich von 12 V bis 50 V mit einer Wechselspannung von typischerweise 10 kHz bis 80 kHz betrieben. Prinzipiell kann die Primärspule auch mit einer Wechselspannung von 1 MHz betrieben werden. Der Substratdurchmesser liegt typischerwei- se in einem Bereich zwischen 60 bis 100 mm. Abweichungen nach unten oder oben sind je- doch auch möglich. Das Substrat hat in der Mitte eine kreisförmige Ausnehmung 8, an die eine strichpunktiert angedeutete Phase 9 angebracht ist. Die Ausnehmung 8 dient zur Monta- ge des statorseitigen Bauteils an dem Mantelrohr der Lenkspindel, wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den rotorseitigen Bauteil des erfindungsgemäßen Moduls mit Empfängerspule und kurzgeschlossener Sekundärspule, gefertigt in Leiterplattentechnologie oder als gedruckte Schaltung. Das rotorseitige Bauteil 2 enthält auf einem Substrat 3eine aus Leiterbahnen gebildete Empfängerspule 10, die über die Anschlußösen 6'an in Fig. 3 ge- zeigten Versorgungseinrichtungen zur Energie-und Informationsübertragung angeschlossen wird. Eine ebenfalls aus Leiterbahnen gebildete, kurzgeschlossene Sekundärspule 11 bildet den rotorseitigen Anteil des Winkelsensors. In dem gezeigten Ausführungsbeipspiel ist der Einfachheit halber um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu verbessern, die Sekundärspule als Halbkreis ausgebildet, der ein Winkelsegment von 180° zu überdecken vermag. Es sind jedoch auch feinere Einteilungen von Winkelsegmenten, wie sie für induktive Winkelsenso- ren bekannt, sind möglich und vorgesehen. Eine Ausnehmung 8', an die eine strichpunktiert dargestellte Phase 9'angebracht ist, dient zur Befestigung des rotorseitigen Bauteils an die Lenkspindel, wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt. Typischerweise besteht die Erregerspule aus 3 bis 10 Windungen. Die Windungen können sowohl auf der Vorderseite als auch auf der

Rückseite des Substrats 3'angebracht sein. Falls für die Energieübertragung kein von 1 ver- schiedenes transformatorisches Übersetzungsverhältnis gewählt werden soll, wird die Win- dungszahl der Empfängerspule an die Windungszahl der Erregerspule angeglichen, bzw. ha- ben Erregerspule und Empfängerspule die gleiche Windungszahl.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Moduls mit angeschlosse- nen Versorgungvorrichtungen zur Energieübertragung und zur Informationsübertragung. An dem statorseitigen Bauteill sind an den in Fig. 1 gezeigten Anschlußösen 6 auf dem Substrat 3 ein DC/AC-Wandler 12 und ein digitaler Modulator/Demodulator 13 angeschlossen. Der DC/AC-Wandler wandelt in diesem Ausführungsbeispiel die 24 V Gleichspannung des KFZ- Bordnetzes in eine 25 kHz Wechselspannung zur Energieübertragung um. Der Modula- tor/Demodulator 13 überlagert der Trägerfrequenz für die Energieübertragung ein digital- siertes Signal. Mit dem digitalisierten Signal werden Informationen zwischen dem statorseiti- gen Bauteill und dem rotorseitigen Bauteil 2 in beide Richtungen übertragen. Zur Modulati- on des Trägersignal können alle bekannten Modulationsverfahren eingesetzt werden, wie z. B.

HF-Modulation, Amplitudenmodulation, Phasenmodulation. Auf dem rotorseitigen Bauteil 2 finden die statorseitigen Versorgungseinrichtungen 12,13 ihre gegenüberliegenden Pendants 12', 13'. Ein AC/DC-Wandler wandelt die von der Empfängerspule 10 aufgenommene über- tragene Wechselspannung wieder in eine 24 V Gleichspannung um. Ein Demodula- tor/Modulator 13'decodiert das der Trägerfrequenz überlagerte Signal wieder in ein digitales Signal, das z. B. von der Auslöseelektronik eines angeschlossenen Aibagsystems weiterverar- beitet werden kann, wie beispielhaft in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt. In einer bevorzugten Ausfüh- rungsform des Moduls sind die Versorgungseinrichtungen 12, 12, 13, 13auf den Leiterplat- tensubstraten 3, 3'angeordnet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Ver- sorgungseinrichtungen getrennt von den Substraten 3, 3'angeordnet. Die letztere Ausfüh- rungsform kommt mit Vorteil zum Einsatz, wenn für das erfindungsgemäße Module lediglich ein sehr beschränkter Bauraum zur Verfügung steht.

Fig. 4 zeigt ein Funktionsdiagramm des erfindungsgemäßen Moduls mit einer beispielhaften Anwendung als Lenkradmodul, wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt. Das erfindungsgemäße Modul ist schematisch als Ellipse dargestellt und enthält die drei Funktionen Energieübertragung, symbolisch mit einem Pfeil mit der Bezeichnung Energie dargestellt * Informationsübertragung, symbolisch mit einem zweiseitigen Pfeil mit der Bezeichnung Information dargestellt * Lenkwinkelübertragung, symbolisch dargestellt mit einem Pfeil der Bezeichnung Lenk- winkel Aus dem Bordnetz wird mit Hilfe der Energieübertragung die Airbagelektronik im Lenkrad- gehäuse aktiviert und mit Energie versorgt. Ebenfalls wird der Airbagzünder vorgespannt.

Mit Hilfe der Informationsübertragung wird eine Datenübertragung zwischen einem Crash- Sensor und der Zündvorrichtung des Airbags hergestellt, so daß bei einem entsprechenden Auslösesignal des Crash-Sensors der Airbag gezündet wird. Als dritte Funktion wird die ak- tuelle Lenkradstellung ermittelt. Hierzu ist keine Informationsübertragung im zuvor erwähn- ten Sinne notwendig, da die Winkelsensorik den Lenkradeinschlag über die Rückkopplung der kurzgeschlossenen Sekundärspule auf die Primärspule ausschließlich primärseitig ermit- telt. In sogenannten drive-by-wire oder steer-by-wire Systemen kann ein derart ermittelter Lenkradeinschlag in Steuerbefehle für die Aktoren zur Stellung der gelenkten Rader umge- setzt werden. Der Steuereinschlag der Lenkräder läßt sich dann mit dem erfindungsgemäßen Modul durch den Lenkeinschlag des Lenkrads steuern.

Fig. 5 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines KFZ-Lenkrads mit dem eingebauten erfindungsgemäßen Modul. Das statorseitige Bauteil 1 ist an dem Mantelrohr 14 der Lenkspindel 15 befestigt, während das rotorseitige Bauteil 2 an der Lenkspindel 15 selbst befestigt ist. An der Lenkspindel ist ebenfalls das Lenkrad 16 befestigt. Die statorseitigen und rotorseitigen Bauteile 1,2 werden zum Schutz durch ein Lenkradgehäuse 17 abgedeckt. Im Lenkradgehäuse sind weiterhin in an sich bekannter Weise ein Airbag 18 sowie ein Airbag- zünder 19 untergebracht. Mit elektrischen Verbindungsleitungen 20 ist das statorseitige Bau- teil 1 mit dem Bordnetz zum Zweck der Energieversorgung und mit nicht gezeigten Kommu-

nikationseinrichtungen zur Signalübertragung verbunden. Insbesondere ist das statorseitige Bauteil direkt oder indirekt mit sogenannten Crash-Sensoren oder anderen Beschleunigungs- sensoren verbunden, die ein charakterisitisches Auslösesignal zur Zündung des Airbags lie- fern. Dieses Signal wird über einen bereits in Fig. 3 beschriebenen Übertragungskanal auf das rotorseitige Bauteil 2 übertragen und über Verbindungleitungen 21 an den Airbagzünder 19 weitergeleitet, so daß der Airbag 18 ausgelöst und aufgeblasen wird.