Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle. Die Sensorvorrichtung kann zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung an einem rotierbaren Maschinenelement, insbesondere an einem Lenkelement, verwendet werden. Das Lenkelement ist vorzugsweise Bestandteil einer Lenkungsanordnung eines Fahrzeugs.

Ein Verfahren zur Drehwinkelbestimmung ist aus der DE19506938 A1 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren dient insbesondere zur Bestimmung der Drehwinkel stellung einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges, welche üblicherweise um mehr als 360° drehbar ist. Die Lenkwelle stellt einen ersten drehbaren Körper dar, der mit wenigstens zwei weiteren drehbaren Körpern zusammenwirkt, die beispielsweise als Zahnräder oder Zahnkränze gebildet sind. Die Winkelstellung der drehbaren Körper wird mittels zweier Sensoren ermittelt, welche mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind, die mittels eines Algorithmus die tatsächliche Winkelstellung der Lenkwelle bestimmt. Die Zahnanzahl der weiteren drehbaren Körper unterscheidet sich von der Zahnanzahl des ersten drehbaren Körpers, wodurch eine genauere Drehwinkelbestimmung ermöglicht wird.

Aus der Praxis sind Drehwinkelbestimmungsvorrichtungen mit Sensoreinheiten bekannt, welche als Potentiometer ausgeführt sind. Diese unterliegen einem Verschleiß und sind störanfällig. Ferner ist die Messgenauigkeit auf einige Winkelgrade begrenzt. Sensoreinheiten, die auf einem magnetischen Messprinzip beruhen, können sich gegenseitig negativ beeinflussen, was eine Verfälschung des Messergebnisses bewirken kann. Weiterhin benötigen magnetisch wirkende Sensoren zur Abdeckung eines Messbereichs von über 360° mindestens einen Antriebs- und mindestens zwei Abtriebszahnräder. Die dadurch erhaltenen Signale werden unter Anwendung des Nonius-Prinzips zu einem einzigen Winkelsignal verrechnet. Die magnetisch wirkenden Sensoren sind aufgrund der eingesetzten Magnetkörper hysteresebehaftet. Zudem können externe Magnetfelder als Störquelle wirken und die Messung in nicht unerheblichem Maße beeinflussen. Ebenso sind Sensoreinheiten bekannt, welche optische Sensoren nutzen und beispielsweise eine aktive Fotodiode sowie einen passiven optischen Maßstab aufweisen. Die Messgenauigkeit wird durch die Genauigkeit des optischen Maßstabs begrenzt. Die Herstellung ist daher teuer und die Sensoreinheiten sind schmutz und temperaturempfindlich. Weiterhin verlangen optische Sensoren einen vergleichsweise großen Bauraum.

Bekannt sind auch Drehwinkelbestimmungsvorrichtungen, welche induktiv wirkende Sensoren verwenden. Im Stand der Technik ist eine Kombination von mehreren induktiv wirkenden Sensoren bisher nicht gelungen, da sich die Sensoren gegenseitig unerwünscht beeinflussen.

Aus der EP 2 180296 A1 ist eine Drehwinkelbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle bekannt, insbesondere zur Drehwinkelbestimmung einer Lenkungswelle oder einer damit gekoppelten drehbeweglichen Welle eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst einen Hauptrotor und einen mit dem Hauptrotor gekoppelten Zusatzrotor. Am Hauptrotor ist eine erste Sensoreinheit angeordnet, die als induktiv wirkender Sensor ausgebildet ist und einen mit dem Hauptrotor mitdrehenden Induktionsrotor sowie einen ruhenden Stator aufweist. Ferner ist am Zusatzrotor eine zweite Sensoreinheit angeordnet, welche als magnetisch wirkender Sensor ausgebildet ist, der ein Sensorelement und einen Magnetkörper aufweist, wobei das Sensorelement zur Erkennung einer Bewegung des Magnetkörpers ausgebildet ist.

In einer, zum Anmeldezeitpunkt noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin ist eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Lenkmoments und einer absoluten Winkelposition eines sich entlang einer Achse erstreckenden Lenkelements beschrieben, welches ein erstes Sensorelement zur Lenkmomentbestimmung und ein zweites Sensorelement zur Bestimmung der absoluten Winkelposition umfasst. Das zweite Sensorelement umfasst dabei zwei Drehwinkelsensoren sowie mindestens zwei als mechanische Untersetzung zusammenwirkende Zahnräder, wobei diese an jeweils einer ihrer Seitenflächen ein Target ausbilden. Hierbei ist das erste Target halbkreisförmig ausgebildet und das zweite Target in Kreissegmente unterteilt und weist somit umlaufend eine unterschiedliche effektive Fläche auf. Die Halbkreisgeometrie des Targets bewirkt beim Drehen des Lenkelements, dass ein Sinus/Cosinus-Signal erzeugt wird, welches durch den Drehwinkelsensor erfassbar ist. Unter Verwendung des Sinus/Cosinus-Signals kann ein absoluter Winkel von 0° bis 360° mittels des Arcustangens bestimmt werden.

Ausgehend vom vorliegenden Stand der Technik wird eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen, eine rein induktive Sensorvorrichtung zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle, insbesondere einer Lenkwelle eines Fahrzeugs bereitzustellen. Darüber hinaus soll eine verbesserte Lenkungsanordnung eines Fahrzeuges mit einer solchen Sensorvorrichtung geschaffen werden.

Die genannte Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung zum Messen der Drehwinkelstellung an einer drehbeweglichen Welle gemäß dem beigefügten Anspruch 1und durch eine Lenkungsanordnung gemäß Anspruch 10 gelöst.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung dient der Erfassung der Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle. Die drehbewegliche Welle ist beispielsweise eine Lenkstange bzw. eine Lenkwelle oder ein Teil eines Lenkrades eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere kommt die Sensoranordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung bei einem Multiturn der drehbeweglichen Welle zum Einsatz, d. h. bei einer Umdrehung die größer eins ist bzw. über 360° hinausgeht. Häufig gestatten die üblichen Lenkstrecken mindestens 2,5 Umdrehungen, ausgehend von einer Nullstellung in jede Richtung bzw. einen Drehwinkel von -/+ 900°. Zur Bestimmung der Drehwinkelstellung umfasst die Sensorvorrichtung ein Hauptzahnrad, welches koaxial an die drehbewegliche Welle gekoppelt werden kann und an welchem zur Bestimmung der Winkelstellung des Hauptzahnrads ein erstes Target angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung ein Nebenzahnrad, welches mit dem Hauptzahnrad ein Getriebe bildet, d.h. die beiden Zahnräder greifen ineinander eine und drehen gegensinnig. Auch am Nebenzahnrad ist zur Bestimmung seiner Winkelstellung ein zweites Target angeordnet. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung eine Platine welche parallel zur Haupterstreckungsebene der beiden Zahnräder liegt und drehtest bzw. gehäusefest angeordnet ist. Bevorzugt ist die Platine scheibenförmig ausgebildet und besitzt einen Wellendurchlass, durch welchen die drehbewegliche Welle drehbar hindurchgeführt werden kann. Dies begünstigt eine Bauraum sparende Anordnung. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung mindestens zwei Drehwinkelsensoren, welche den Targets gegenüberliegend auf der Platine angeordnet sind, und eine bevorzugt ebenfalls auf der Platine angebrachte Auswerteeinheit, welche die von den Drehwinkelsensoren gelieferten Winkelsignale empfängt und anhand derer die absolute Drehwinkelstellung des Hauptzahnrads sowie des Nebenzahnrads und die Drehwinkelstellung der an das Hauptzahnrad gekoppelten drehbeweglichen Welle berechnet.

Die Targets erstrecken sich über einen Winkelabschnitt von 180° auf jeweils einer der Seitenflächen des Hauptzahnrads und des Nebenzahnrads, sodass die von je einem Erregerstrom gespeisten Drehwinkelsensoren die Winkelstellung beider Zahnräder ermitteln können. Vorzugsweise sind die Targets in der Art eines Ringabschnitts auf der Fläche des jeweiligen Zahnrads angebracht bzw. in diese Fläche integriert. Die beiden Drehwinkelsensoren sind als induktiv wirkende Sensoren ausgebildet, welche mit Erregerströmen betrieben werden, deren Frequenzen sich unterscheiden. Dies unterdrückt eine gegenseitige Beeinflussung Erregerströme der beiden Sensoren, was eine genauere Bestimmung der Drehwinkel gestattet.

Vorzugsweise sind die Drehwinkelsensoren als Spulenanordnung auf der Platine ausgeführt, wobei jeder Drehwinkelsensoren mindestens eine Erregerspule und zwei gegensinnig geschaltete Empfängerspulen besitzt. Hierbei erzeugt die Erregerspule ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld, welches in den zwei gegensinnigen Empfängerspulen Spannungen induzieren, die sich gegenseitig aufheben sofern sich kein elektrisch leitfähiges Objekt in dem Wirkbereich der Erregerspule befindet. Befindet sich im Wirkbereich der Erregerspule jedoch ein elektrisch leitfähiges Objekt, also das Traget an einem der beiden Zahnräder, so werden in diesem Objekt Wirbelströme induziert, welche ein dem Erregerfeld entgegen gerichtetes Feld erzeugen. Dies bewirkt abweichende Induktionsspannungen in den beiden gegensinnigen Empfängerspulen. Über deren Spannungsverhältnis kann so auf die Position des Targets und damit auf die Winkelstellung des jeweiligen Zahnrads geschlossen werden. Um die induktive Detektion zu gestatten, weisen die sich über einen Winkelabschnitt von 180° erstreckenden Targets eine elektrische Leitfähigkeit auf, sodass anhand von in den Drehwinkelsensoren induzierten Spannungsänderungen die Winkelposition des Hauptzahnrads und des Nebenzahnrads ermittelt werden kann.

Vorzugsweise ist an jeden Drehwinkelsensor ein Bandpassfilter gekoppelt, um nur die gewünschte Frequenz bzw. ein sehr schmales Frequenzband für die weitere Signalverarbeitung zu extrahieren, sodass die Störunempfindlichkeit gegenüber anderen Frequenzen erhöht wird. Somit ist ein Betrieb der Drehwinkelsensoren mit sich unterscheidenden Frequenzen sichergestellt.

Vorzugsweise besitzt das erste teilringförmige Target einen größeren Radius als das zweite teilringförmige Target und ist damit radial weiter außen liegende an dem Hauptzahnrad angeordnet, während das zweite Target radial weiter innenliegend an dem Zusatzzahnrad angeordnet ist. Ebenso können die Anordnungen und Radien umgekehrt gewählt werden. Hierdurch besteht ein vergrößerter Abstand zwischen den Targets auch im Bereich, in welchem sich die Zahnräder berühren bzw. deren Zähne ineinander greifen, sodass sich keines der Targets im induktiven Wirkbereich des anderen Targets befindet, wodurch eine gegenseitige Störung unterdrückt und eine genaue Drehwinkelbestimmung ermöglicht wird.

Vorzugsweise unterscheiden sich die Zahnzahl der beiden Zusatzkörper um einen Zahn, um so das Nonius-Prinzip anwenden zu können. Anhand dieses Prinzips kann die Bestimmungsgenauigkeit für die Drehwinkelstellung des Hauptzahnrads und der daran gekoppelten der Welle erhöht werden.

Bevorzugt können Hauptzahnrad und Nebenzahnrad aus Kunststoff gefertigt sein, um somit einen Einfluss von elektrisch leitfähigen Materialien innerhalb des Wirkbereichs der Erregerspule außer den Targets zu vermeiden. Bevorzugt können die Targets in das Haupt- bzw. Nebenzahnrad eingebettet sein, wobei die Targets beispielsweise oberflächenbündig eingebettet sind. Alternativ können diese auch so angeordnet sein, dass sie vollständig mit Kunststoff umgeben sind. Besonders im Zusammenspiel mit Zahnrädern, welche aus Kunststoff gefertigt sind, gestattet dies einen vereinfachten Aufbau und vor allem eine vereinfachte Herstellung.

Die erfindungsgemäße Lenkungsanordnung umfasst eine drehbewegliche Welle und eine mit der drehbeweglichen Welle gekoppelte Sensorvorrichtung gemäß der zuvor beschriebenen Sensorvorrichtung mit all ihren Ausführungsformen. Die drehbewegliche Welle trägt somit das Hauptzahnrad der Sensoranordnung und ist vorzugsweise Bestandteil einer Lenkung eines Fahrzeugs. Besonders bevorzugt ist die Lenkung eine elektromechanische Servolenkung.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer Seitenansicht;

Fig. 2 eine Draufsicht der Sensorvorrichtung;

Fig. 3 eine Detailansicht eines Hauptzahnrads und eines Nebenzahnrads der

Sensorvorrichtung.

Fig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 01 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 01 dient zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle 02, welche Teil einer elektromechanischen Lenkung sein kann und insbesondere eine Lenkwelle ist. Auf dieser Lenkwelle 02 ist im eingebauten Zustand der Sensorvorrichtung ein Hauptzahnrad 03 der Sensorvorrichtung in Form eines verzahnten Geberrads angeordnet, welches mit der drehbeweglichen Welle 02 rotiert. An diesem Hauptzahnrad 03 ist ein drehgekoppeltes Nebenzahnrad 04 in Form eines verzahnten Noniusrads angeordnet, welche vom Hauptzahnrad 03 zur Drehung veranlasst wird. Es besteht die Möglichkeit das Hauptzahnrad 03 mit größerem Durchmesser als das Nebenzahnrad 04 auszuführen, wodurch das Nebenzahnrad 04 eine höhere Drehgeschwindigkeit als das Hauptzahnrad 03 erfährt. Alternativ kann sich die räumliche Anordnung des Nebenzahnrads 04 am Hauptzahnrad 03 von der Anordnung in der Fig. 1 unterscheiden. Das Hauptzahnrad 03 und das Nebenzahnrad 04 besitzen eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen um das Nonius-Prinzip nutzen zu können. Dies ermöglicht auch eine Drehwinkelbestimmung über einen Drehbereich von mehr als 360°. Weiterhin ist auf dem Hauptzahnrad 03 ein erstes Target 06 und auf dem Nebenzahnrad 04 ein zweites Target 07 (siehe Fig. 3) angeordnet, welche der Drehwinkelermittlung der Zahnräder dienen. Gegenüberliegend zu den Targets 06, 07 sind ein erster Drehwinkelsensoren 08 und ein zweiter Drehwinkelsensor 09 auf einer Platine 05 angeordnet, welche die Bewegung der Targets erfassen und jeweils ein Winkelsignal generieren. Eine Auswerteeinheit 10, welche ebenfalls auf der Platine 05 angeordnet ist, erhält die Winkelsignale und berechnet daraus die absolute Drehwinkelstellung der Lenkwelle 02. Die Auswerteeinheit 10 ist vorzugsweise ein Mikro-Controller, der gemeinsam mit weiteren elektronischen Bauteilen auf der Platine befestigt ist.

Die scheibenförmige Platine 05 erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zur Achse der Lenkwelle 02. Die Platine 05 kann ggf. auch der drehbeweglichen Lagerung der Lenkwelle 02 dienen.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung 01. Die Platine 05 besitzt einen Wellendurchlass, durch welchen die Lenkwelle 02 geführt ist. Auf nicht weiter gezeigte Weise ist die Platine 05 dabei drehfest angeordnet, dies kann beispielsweise durch eine Befestigung am Gehäuse oder durch ein Lager auf der Lenkwelle 02 realisiert sein. Weiterhin ist die Anordnung des Hauptzahnrads 03 und des Nebenzahnrads 04 gezeigt.

Fig. 3 zeigt die der Platine 05 zugewandte Seite des Hauptzahnrads 03 und des Nebenzahnrads 04. Auf diesen Seiten ist jeweils das Target 06 bzw. 07 angebracht, welche jeweils einen ringförmigen Abschnitt überdecken und sich über einen Winkelabschnitt von etwa 180° erstrecken. Diese Targets 06, 07 weisen einen Abstand zueinander auf, sodass ein gegenseitiges Beeinflussen reduziert wird. Vorzugsweise sind hierbei die Targets 06, 07 in das Hauptzahnrad 03 bzw. das Nebenzahnrad 04 oberflächenbündig eingebettet. Bezuqszeichenliste Sensorvorrichtung drehbewegliche Welle Hauptzahnrad Nebenzahnrad Platine erstes Target zweites Target erster Drehwinkelsensor zweiter Drehwinkelsensor Auswerteeinheit