DE102016224854A1

DE102016224854A1 - Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements

Info

Publication number: DE102016224854A1
Application number: DE102016224854.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Stefan Leidich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Es wird ein Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Sensorsystem (110) weist mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad (116) auf, wobei das Geberrad (116) zumindest teilweise magnetisch ist und ein Geberradprofil (118) aufweist. Das Sensorsystem (110) umfasst ferner mindestens einen ersten induktiven Positionssensor (112), wobei der erste induktive Positionssensor (112) mindestens eine erste Spulenanordnung (124) aufweist, umfassend mindestens eine Erregerspule (126) und mindestens eine Empfängerspule (128). Weiterhin umfasst das Sensorsystem (110) mindestens einen induktiven Phasengeber (114), wobei der induktive Phasengeber (114) mindestens eine zweite Spulenanordnung (130) aufweist, umfassend mindestens eine Phasengeberspule (132).

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Unter einer Rotationseigenschaft ist dabei allgemein eine Eigenschaft zu verstehen, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, einen Drehwinkel oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements charakterisieren können. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63-74 und 120-129 beschrieben.
Beispielsweise kann eine Lage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer Kurbelwelle mit einem so genannten Phasengeber mittels eines Hall-Sensors bestimmt werden. Typischerweise wird auf der sich drehenden Achse ein Geberrad angebracht. Auf dem Geberrad können sich Zähne befinden, die durch den Hall-Sensor abgetastet werden, wenn sich die Nockenwelle dreht. So wird in der DE 10 2012 213 539 A1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Phasenlage einer verstellbaren Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, die ein Geberrad und einen Nockenwellenversteller umfasst, beschrieben. Die Phasenlage der Nockenwelle wird anhand von durch das Geberrad ausgelösten Phasenflankeninterrupts und eines Modells, das abhängig von mindestens einer Betriebskenngröße des Nockenwellenverstellers ist, bestimmt.
Derartige Verfahren erlauben jedoch in der Regel keine kontinuierliche Positionserfassung. Eine absolute Winkelerfassung in einem Messbereich von 360° ist nicht möglich. Ebenfalls ist die Auflösung durch die geringen Durchmesser der verwendeten Geberräder limitiert. Durch diese geringen Durchmesser ergeben sich minimale Lückengrößen, die eingehalten werden müssen. Weiter ist eine absolute Positionsbestimmung nur in einem dynamischen Fall, bei Drehung des Geberrads möglich. Eine instantane Verfügbarkeit einer Winkelposition beim Einschalten der Spannungsversorgung, eine True-Power-On-Funktion, ist damit nicht gegeben. Insbesondere bei einem Start eines Motors der Brennkraftmaschine ist eine Position nicht exakt bekannt. Zudem weisen derartige Verfahren eine hohe Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern auf.
In der US 7,449,878 B2 wird ein induktiver Linear- und Rotations-PositionsSensor beschrieben. Es wird eine Vorrichtung mit einer Erregerspule und einer Empfängerspule beschrieben. Die Erregerspule wird durch eine Erregerquelle angeregt und erzeugt einen magnetischen Fluss. Die Empfängerspule erzeugt ein Empfangssignal durch eine induktive Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule.
Trotz der durch derartige Sensorvorrichtungen bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Verbesserungspotenzial. Insbesondere ist bei bekannten Sensorvorrichtungen in der Regel ein komplexer Aufbau zu verzeichnen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements vorgeschlagen. Unter einem „Sensorsystem“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzliche eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, die mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Messsignal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Rotationseigenschaft“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, eine Winkelposition oder eine andere Eigenschaften handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere eine Winkelposition, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung oder um eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Winkelposition“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Drehwinkel einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder des Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden.
Das Sensorsystem kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Unter einem „rotierenden Element“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches eine Rotationsachse aufweist und um diese rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle in einer Antriebsmaschine sein, beispielsweise eine Nockenwelle. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Winkelbeschleunigung einer Nockenwelle oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen bestimmt werden. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
Das Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements weist mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad auf. Das Geberrad ist zumindest teilweise magnetisch und weist ein Geberradprofil auf. Das Sensorsystem weist weiterhin mindestens einen ersten induktiven Positionssensorauf. Der erste induktive Positionssensorweist mindestens eine erste Spulenanordnung auf, welche mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Empfängerspule umfasst. Das Sensorsystem weist weiterhin mindestens einen induktiven Phasengeber auf. Der induktive Phasengeber weist mindestens eine zweite Spulenanordnung auf, welche mindestens eine Phasengeberspule umfasst.
Unter einem „Geberrad“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares Bauelement verstanden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, insbesondere eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Unter einem „Geberradprofil“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich die Gesamtheit von Profilelementen und von zwischen den Profilelementen angeordneten Zwischenräumen des Geberrads verstanden. Unter einem „Profilelement“ des Geberrads wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads verstanden, insbesondere eine Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftörmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch.
Unter einem „induktiven Positionssensor“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden, der ein Messsignal entsprechend einer erfassten Eigenschaft erzeugen kann, insbesondere ein elektrisches Messsignal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, wobei eine Erzeugung des Messsignals auf einer Änderung eines magnetischen Flusses beruht.. Insbesondere kann die erfasste Eigenschaft eine Position, beispielsweise eine Winkelposition umfassen. Insbesondere kann es sich bei dem induktiven Positionssensor um einen induktiven Magnetsensor handeln. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Damit unterscheidet sich der induktive Positionssensor beispielweise von einem „aktiven Magnetsensor“, welcher eingerichtet ist, ein Messsignal entsprechend einer erfassten Eigenschaft zu erzeugen, wobei das Messsignal bei konstantem magnetischen Fluss erzeugt wird, beispielsweise bei Anwesenheit eines statischen Magnetfelds.
Unter einer „Spulenanordnung“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzliche eine beliebige Vorrichtung verstanden, die mindestens eine Spule umfasst. Unter einer „Spule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauelement verstanden, welches eine Induktivität aufweist und geeignet ist, bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Unter einer „Erregerspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Unter einer „Empfängerspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung.
Unter einem „Phasengeber“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden, der geeignet ist, mindestens einmal pro Umdrehung mindestens ein elektrisches Messsignal, insbesondere eine Spannung oder einen Strom, entsprechend einer Eigenschaft eines mindestens einen Signalgeber aufweisenden rotierenden Elements zu erzeugen, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Bei der Eigenschaft kann es sich beispielsweise um eine Drehzahl, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Winkelbeschleunigung oder eine Winkelposition handeln. Auch andere Eigenschaften oder Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einem „Signalgeber“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige, sich auf dem rotierenden Element befindende oder mit dem rotierenden Element verbundene oder verbindbare Vorrichtung verstanden, die geeignet ist, pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal zu bewirken, beispielsweise eine Magnetfeldänderung. Beispielsweise kann das oben bereits beschriebene und weiter unten noch näher ausgeführte Geberrad, insbesondere das mindestens eine Profilement des Geberrads, als Signalgeber fungieren. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. So kann das rotierende Element beispielsweise auch einen optischen oder kapazitiven Signalgeber aufweisen. Unter einem „induktiven Phasengeber“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Phasengeber verstanden, wobei das von ihm erzeugte Messsignal auf der Änderung eines magnetischen Flusses beruht. Insbesondere kann der induktive Phasengeber ein induktiver Positionssensor sein. Unter einer „Phasengeberspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Spule verstanden, welche eingerichtet und verwendbar ist, bei einer Änderung des sie durchdringenden magnetischen Flusses, ein elektrisches Messsignal zu erzeugen, beispielsweise eine Spannung.
Die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung können auf mindestens einem Schaltungsträger angeordnet sein. Insbesondere können die beiden Spulenanordnungen auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann das Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreisförmig oder kreissegmentförmig umgeben. Unter dem Begriff „im Wesentlichen kreisförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass das besschriebenen Bauelement einen Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius kann innerhalb des Bauelements um einen Wert von 0 % bis 80 %, bevorzugt von 0 % bis 50 %, mehr bevorzugt von 0 % bis 20 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 5 % variieren. Insbesondere kann der Krümmungsradius auch konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Rotationsachse angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Die erste und die zweite Spulenanordnung können aber auch getrennt voneinander auf zwei verschiedenen Schaltungsträgern angeordnet sein. Diese können im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein und können das Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreisförmig umgeben.
Das Sensorsystem kann eingerichtet sein, eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule zu erfassen. Das Sensorsystem kann weiterhin eingerichtet sein, ein elektrisches Messsignal des induktiven Phasengebers zu erfassen, beispielsweise eine Spannung, insbesondere ein Spannungssignal, oder einen Strom. Bei dem elektrischen Messsignal des induktiven Phasengebers kann es sich insbesondere um ein elektrisches Messsignal der zweiten Spulenanordnung handeln, beispielsweise um ein elektrisches Messsignal der Phasengeberspule. Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte induktive Kopplung und/oder die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule zu erfassen. Weiterhin kann das Sensorsystem insbesondere eingerichtet sein, ein durch die Bewegung des Geberrads bewirktes elektrisches Messsignal des induktiven Phasengebers zu erfassen. Weiterhin kann das Sensorsystem insbesondere eingerichtet sein, aus der durch die Bewegung und/oder durch die Position des Geberrads bewirkten induktiven Kopplung und/oder bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule eine Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen. Ferner kann das Sensorsystem insbesondere eingerichtet sein, mithilfe von mindestens einem durch die Bewegung des Geberrads bewirkten elektrischen Messsignal des induktiven Phasengebers die Winkelposition und/oder die Drehzahl des rotierenden Elements zu bestimmen. Das Sensorsystem kann auch eingerichtet sein, mithilfe des mindestens einen durch die Bewegung des Geberrads bewirkten elektrischen Messsignal des induktiven Phasengebers weitere, die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisierende Eigenschaften zu bestimmen, wie beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit oder die Winkelbeschleunigung. Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, aus der Amplitude des durch die Bewegung des Geberrads bewirkten Spannungssignals der zweiten Spulenanordnung eine Drehzahl des rotierenden Elements zu bestimmen. Weiterhin kann das Sensorsystem eingerichtet sein, aus mindestens zwei elektrischen Messsignalen, insbesondere zwei Spannungssignalen, des induktiven Phasengebers die Winkelbeschleunigung des rotierenden Elements zu bestimmen.
Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, eine Verfügbarkeit der Winkelposition des rotierenden Elements bei einem Einschalten einer Spannungsversorgung zu ermöglichen. Die gerade beschriebene Eigenschaft der Verfügbarkeit bei Einschalten der Spannungsversorgung wird auch mit dem englischen Begriff der „True-Power-On“-Funktion bezeichnet. Das Sensorsystem kann insbesondere eine „True-Power-On“-Funktion besitzen. Das Sensorsystem kann eingerichtete sein, das elektrische Messsignal des induktiven Phasengebers an ein Steuergerät weiterzugeben. Das Sensorsystem kann weiterhin ein Verstärkerschaltung aufweisen, wobei die Verstärkerschaltung eingerichtet sein kann, das elektrische Messsignal des induktiven Phasengebers zu verstärken, insbesondere derart, dass das verstärkte elektrische Messsignal, beispielsweise das verstärkte Spannungssignal, des induktiven Phasengebers die Schwelle des Steuergeräts überschreiten kann.
Ferner kann das Sensorsystem eine Auswerteeinheit aufweisen. Die Auswerteeinheit kann mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen. Die Auswerteeinheit kann mit der ersten Spulenanordnung und der zweiten Spulenanordnung auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sein. Die Auswerteeinheit kann auch von der ersten Spulenanordnung getrennt und/oder von der zweiten Spulenanordnung getrennt auf einem weiteren Schaltungsträger angeordnet sein.
Die Phasengeberspule kann mindestens eine Phasengeberwindung aufweisen. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung aufweisen. Die Empfängerspule kann mindestens eine Empfängerwindung aufweisen. Eine Empfängerwindung kann mindestens zwei Teilwindungen umfassen. Die Teilwindungen können gegenläufig orientiert sein. Insbesondere kann die Empfängerspule aus einer Empfängerwindung bestehen, wobei die Empfängerwindung aus zwei Teilwindungen besteht, wobei die Teilwindungen gegenläufig orientiert sind. Das Sensorsystem kann eine Vielzahl von Empfängerspulen aufweisen, beispielsweise ein Empfängerspulensystem, insbesondere eine Sinus-/Cosinussystem oder eine Mehrphasensystem. Auch andere Spulensysteme sind grundsätzlich denkbar. Das Sensorsystem kann eingerichtet sein, ein Sinussystem, ein Cosinussystem oder ein Mehrphasensystem zur Detektion abzubilden. Insbesondere kann das Sensorsystem eine Anzahl von 1 bis 100 Empfängerspulen, bevorzugt von 2 bis 10 Empfängerspulen, besonders bevorzugt von 3 Empfängerspulen aufweisen. Insbesondere können die Empfängerspulen aus jeweils mindestens zwei Teilwindungen bestehen, wobei die unmittelbar aufeinanderfolgenden Teilwindungen gegenläufig orientiert sein können. Insbesondere können die Empfängerspulen zueinander eine elektrische Phasenverschiebung aufweisen. Insbesondere können die Teilwindungen der verschiedenen Empfängerspulen gemäß der elektrischen Phasenverschiebung der verschiedenen Empfängerspulen gegeneinander versetzt angeordnet sein.
Das Geberrad ist zumindest teilweise magnetisch. Das Geberrad weist mindestens ein Profilelement auf. Insbesondere kann das mindestens eine Profilelement magnetisch sein. Im Fall von zwei oder mehr Profilelementen kann insbesondere mindestens eines der Profilelemente magnetisch sein. Das Profilelement kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Ausbuchtung, insbesondere einer stiftförmigen, einer zahnförmigen oder einer zackenförmigen Ausbuchtung, beispielsweise einem Zahn; einer Einkerbung; einer Aussparung, beispielsweise einem Loch; einer in der Breite des Geberrads profilierten Spur. Unter einer Breite des Geberrads kann hierbei eine Höhe eines Zylindermantels des Geberrads verstanden werden. Insbesondere kann das Geberrad eine Mehrzahl von Profilelementen aufweisen. Insbesondere kann die Mehrzahl von Profilelementen über den Umfang des Geberrads verteilt angeordnet sein. Beispielsweise können die Profilelemente äquidistant und/oder periodisch angeordnet sein. Auch andere Ausgestaltungen des Geberradprofils sind möglich. So können die Profilelemente auch nicht äquidistant und/oder nicht periodisch angeordnet sein. Das Geberrad kann mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigen Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall. Insbesondere kann das Profilelement mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigen Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall. Insbesondere kann das Sensorsystem mindestens zwei Geberräder aufweisen. Insbesondere können die Geberräder unterschiedliche Geberradprofile aufweisen.
Der Schaltungsträger kann das Geberrad und/oder ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreisförmig umgeben. Insbesondere kann die erste Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete erste Spulenanordnung, das Geberrad und/oder ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreisförmig umgeben. Insbesondere kann die erste Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete erste Spulenanordnung, in mindestens einer Winkelposition des Geberrads mindestens ein Profilelement und mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen des Geberrads abdecken. Insbesondere kann auch die zweite Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete zweite Spulenanordnung, das Geberrad und/oder ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreisförmig umgeben. Der Schaltungsträger kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger ein flexibles Material umfassen. Der Schaltungsträger kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte, beispielsweise einer gebogenen Starrflex-Leiterplatte; einer starren Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen; einer Leiterkarte; einer Platine und einer gedruckten Schaltung, insbesondere einem „printed circuit board“ (PCB). Insbesondere kann der Schaltungsträger mindestens zwei ebene Flächen aufweisen. Die ebenen Flächen können in einem Winkel zueinander angeordnet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger mindestens ein Verbindungselement aufweisen, wobei das Verbindungselement die ebenen Flächen miteinander verbindet. Insbesondere können die ebenen Flächen einen Winkel einschließen, wobei der Winkel einen Wert von 10° bis 180°, bevorzugt von 30° bis 150° und besonders bevorzugt von 60° bis 120° aufweisen kann. Weiterhin kann der Schaltungsträger in einem Gehäuse, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse, angeordnet sein.
Das rotierende Element weist mindestens eine Rotationsachse auf. Das mindestens eine Geberrad ist mit dem rotierenden Element verbindbar. Auch das Geberrad kann eine Rotationsachse aufweisen. Insbesondere können das rotierende Element und das Geberrad eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen. Das Geberrad kann konzentrisch um das rotierende Element angeordnet sein. Das Geberrad kann eine zylindrische Grundform aufweisen. Die Rotationsachse kann eine Symmetrieachse parallel zu einer Höhe des Zylinders sein. Das Geberrad kann mit dem rotierenden Element verbunden sein. Das Geberrad kann auf dem rotierenden Element befestigt sein, beispielsweise durch mindestens ein Befestigungselement. Das Geberrad kann konzentrisch auf dem rotierenden Element befestigt sein. Bei einer Rotationsbewegung des rotierenden Elements kann das Geberrad mit dem rotierenden Element gemeinsam rotieren. Eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberrads kann einer Position, insbesondere einer Winkelposition, des rotierenden Elements entsprechen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Verwendung mindestens eines mit dem rotierenden Element verbindbaren, zumindest teilweise magnetischen Geberrads, wobei das Geberrad ein Geberradprofil aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gelichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Die Verfahrensschritte sind:

- eine Aufnahme mindestens eines induktiven Signals mittels mindestens eines ersten induktiven Positionssensors, wobei der erste induktive Positionssensor eine erste Spulenanordnung aufweist, umfassend mindestens eine Erregerspule und eine Empfängerspule; und
- eine Aufnahme mindestens eines induktiven Phasengebersignals mittels mindestens eines induktiven Phasengebers, wobei der induktive Phasengeber mindestens eine zweite Spulenanordnung aufweist, umfassend mindestens eine Phasengeberspule.

Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen, durchgeführt werden. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des Sensorelements verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Insbesondere kann das induktive Signal des ersten induktiven Positionssensors mindestens ein Signal umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der induktiven Kopplung in der ersten Spulenanordnung und der Änderung der induktiven Kopplung in der ersten Spulenanordnung. Insbesondere kann das induktive Signal ein Spannungssignal sein, insbesondere eine in der Empfängerspule erzeugten Spannung. Insbesondere kann die Spannung in der Empfängerspule aufgrund der induktiven Kopplung der Empfängerspule mit der Erregerspule erzeugt werden. Unter einem induktiven Phasengebersignal wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein elektrisches Messsignal des Phasengebers verstanden, welches durch die Änderung eines magnetischen Flusses bewirkt wird. Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Messsignal um einen Strom oder eine Spannung handeln. Insbesondere kann das induktive Phasengebersignal ein induktives, elektrisches Messsignal der zweiten Spulenanordnung umfassen, beispielsweise ein induktives, elektrisches Messsignal der Phasengeberspule. Insbesondere können die induktive Kopplung und/oder die Änderung der induktiven Kopplung in der ersten Spulenanordnung von einer Bewegung und/oder von einer Position des Geberrads abhängen. Insbesondere kann das induktive Phasengebersignal von einer Bewegung des Geberrads abhängen. Weiterhin kann das Verfahren eine Bestimmung der Winkelposition des rotierenden Elements mithilfe der erfassten, von der Position und/oder der Bewegung des Geberrads abhängigen induktiven Kopplung und/oder Änderung der induktiven Kopplung in der ersten Spulenanordnung umfassen. Ferner kann das Verfahren weiterhin eine Bestimmung der Winkelposition und/oder der Drehzahl des rotierenden Elements mithilfe von mindestens einem durch die Bewegung des Geberrads bewirkten induktiven Phasengeversignal umfassen. Weiterhin kann das Verfahren eine Bestimmung der Winkelbeschleunigung mithilfe von mindestens zwei durch die Bewegung des Geberrads bewirkten induktiven Phasengebersignalen umfassen. Insbesondere kann das Verfahren die Bildung mindestens einer Differenz von mindestens zwei Beträgen von mindestens zwei aufeinanderfolgenden induktiven Phasengebersignalen zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung umfassen. Insbesondere kann das Verfahren das Erfassen von mindestens einem Abstand zwischen mindestens zwei induktiven Phasengebersignalen umfassen. Weiterhin kann das Verfahren die Bestimmung mindestens einer Änderung des Abstands zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden induktiven Phasengebersignalen zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung umfassen. Ferner kann das Verfahren eine Ableitung mindestens eines induktiven Phasengebersignals zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung umfassen.
Ferner kann das Verfahren das Aufbereiten des mindestens einen erfassten, induktiven Phasengebersignals durch eine Auswerteschaltung umfassen. Weiterhin kann das Verfahren das Weiterleiten des mindestens einen erfassten induktiven Phasengebersignals an ein Steuergerät umfassen.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein induktiver Positionssensor, insbesondere ein Absolutwinkelsensor, mit einem induktiven Phasengeber kombiniert werden. Es kann möglich sein, dass ein erfindungsgemäßes Sensorsystem auf nur einer einzigen anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, welche auch mit der englischen Abkürzung ASIC für „application-specific integrated circuit“ bezeichnet wird, bereitgestellt werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass die elektrischen Messsignale des erfindungsgemäßen Sensorsystems, insbesondere die Sensorsignale, auf einem einzigen ASIC verarbeitet werden können. Es ist möglich, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem, insbesondere eine Anordnung des induktiven Positionssensors und des induktiven Phasengebers, einen im Vergleich zum Stand der Technik deutlichen Vorteil im Ein- und Ausbau liefert, insbesondere bei Nutzung des erfindungsgemäßen Sensorsystems zur Nockenwellenpositionserfassung. So ist es insbesondere möglich, dass kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
Weiterhin ist es möglich, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem, beispielsweise die Sensoranordnung, im Gegensatz zum Stand der Technik nicht den kompletten Bereich des rotierenden Elements, beispielsweise der drehenden Welle, umschließen muss, sondern ihr nur radial in einem Kreissegment gegenüberstehen kann. Es ist möglich, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem kostengünstig ist. Weiterhin ist es möglich, dass ein Messbereich des erfindungsgemäßen Sensorsystems durch eine Auswertung mit zwei oder mehreren Geberrädern und/oder unterschiedlichen Geberradprofilen, insbesondere unterschiedlicher Zahnanzahl, zu einer Erfassung einer Winkelposition, insbesondere zu einer absoluten Winkelerfassung, eines Geberrads und/oder eines rotierenden Elements, insbesondere einer Wellenposition, auf 360° erweitert werden kann, beispielsweise mithilfe des Noniusprinzips (Vernier-Verfahren). Insbesondere kann die Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete Spulenanordnung, in mindestens einer Winkelposition des Geberrads mindestens ein Profilelement und mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen des Geberrads abdecken. Insbesondere kann ein Öffnungswinkel α der Spulenanordnung mindestens einem Öffnungswinkel β des von der Spulenanordnung abgedeckten Kreissegments des Geberrads, umfassend mindestens ein Profilelement und ein mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen, entsprechen. Es ist möglich, dass dadurch eine maximale Winkelauflösung abgebildet werden kann.
Es ist möglich, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem sowohl eine Winkelposition des rotierenden Elements, insbesondere einen Absolutwinkel, als auch mithilfe des induktiven Phasengebers, echtzeitfähige Triggersignale, beispielsweise für das Motorsteuergerät, liefern kann. Weiterhin ist es möglich, dass die elektrischen Messsignale des erfindungsgemäßen Sensorsystems, insbesondere die echtzeitfähigen Triggersignale für das Motorsteuergerät, eine Geschwindigkeits- und/oder eine Beschleunigungsinformation, insbesondere eine Geschwindigkeits- und/oder eine Beschleunigungsinformation über das rotierende Element umfassen. Es ist möglich, dass dies durch einen alleinigen Einsatz eines induktiven Positionssensors, insbesondere eines induktiven Winkelsensors, durch die analoge und digitale Signalverarbeitung mit entsprechender Verarbeitungszeit nicht gewährleistet werden kann. Insbesondere kann es möglich sein, dass mithilfe des erfindungsgemäßen Sensorsystems die Beschleunigungsinformation vorliegt, sobald ein Profilelement des zumindest teilweise magnetischen Geberrads, insbesondere ein Nocken einer Nockenwelle, den induktiven Phasengeber, insbesondere die induktive Phasengeberspulenfläche, vollständig überstrichen hat. Es ist möglich, dass dazu eine Drehung des rotierenden Elements von höchstens 90° des rotierenden Elements erforderlich ist. Im Stand der Technik kann es dagegen zur Erfassung der Beschleunigungsinformation nötig sein, dass mindestens ein Profilelement sowie der Beginn eines weiteren Profilelements den induktiven Phasengeber überstreichen müssen. Dazu kann im Stand der Technik eine Drehung des rotierenden Elements von mindestens 135° zur Erfassung der Beschleunigungsinformation notwendig sein.
Weiterhin kann es möglich sein, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem geeignet ist, eine Geschwindigkeitsmessung ohne Differentiation durchzuführen. Es kann möglich sein, dass lediglich eine Berechnung der Beschleunigung über eine Ableitung der elektrischen Messsignale des Sensorsystems erfolgt, während eine Messung der Geschwindigkeit möglich sein kann ohne eine Differentiation. Ferner ist es möglich, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem durch die Kombination des induktiven Positionssensors und des induktiven Phasengebers eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Genauigkeit bieten kann. Weiter kann es möglich sein, dass mithilfe des erfindungsgemäßen Sensorsystems Anforderungen an funktionale Sicherheit, insbesondere auch in Bezug auf Verfügbarkeit, leichter zu erfüllen sind, insbesondere da bei Ausfall des induktiven Positionssensors oder des induktiven Phasengebers, der jeweils andere Sensor, also insbesondere der induktive Phasengeber oder der induktive Positionssensor, Signale zur Motoransteuerung, insbesondere mit geringerer Genauigkeit, liefern kann. Dies kann beispielsweise einem Notlauf ohne größere Performanceverluste entsprechen. Weiterhin ist es möglich, dass Schleppfehler des induktiven Positionssensor, insbesondere des Absolutwinkelsensors, bei höheren Drehzahlen kompensiert werden können. Ferner ist es möglich, dass für das erfindungsgemäße Sensorsystem kein Magnetfeldsensor erforderlich ist.
Weiterhin ist es möglich, dass ein erfindungsgemäßes Sensorsystem eine Verfügbarkeit der Winkelposition des rotierenden Elements bei einem Einschalten einer Spannungsversorgung ermöglichen kann. Insbesondere ist es möglich, dass ein erfindungsgemäßes Sensorsystem über eine True-Power-On-Funktion verfügen kann. Eine True-Power-On-Funktion wird vom Orginalausrüstungshersteller, welcher auch mit dem englischen Begriff des „Original Equipment Manufacturer“ (OEM) bezeichnet wird, zunehmend gefordert.
Es ist möglich, dass die vorgeschlagene Vorrichtung die Anwendung einer Vielzahl von Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer Rotationseigenschaft, wie beispielsweise der Drehzahl oder der Winkelgeschwindigkeit, zulässt. Es kann sich als vorteilhaft erweisen, eine Vielzahl solcher Verfahren einzusetzen, beispielsweise um einen mit einem Verfahren erhaltenen Wert zu überprüfen.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorsystems in Draufsicht;
2 und 3 je eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines ersten induktiven Positionssensors und eines induktiven Phasengebers;
4A, 4B und 5 schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Geberrads mit Geberradprofil und eines weiteren Geberradprofils (5);
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Geberrads;
7 und 8 ein Diagramm der Abhängigkeit des magnetischen Flusses (7) und der induzierten Spannung (8) im induktiven Phasengeber von einem Drehwinkel des Geberrads aus 6 unter Annahme einer konstanten Drehzahl;
9 ein Diagramm der Abhängigkeit des magnetischen Flusses (oben), der induzierten Spannung (Mitte) im induktiven Phasengeber und ihrer zeitlichen Ableitung (unten) von einer Zeit unter Annahme einer konstanten Winkelbeschleunigung des Geberrads aus 6; und
10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Schaltungsträgers.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 in Draufsicht. 2 und 3 zeigen je eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines ersten induktiven Positionssensors 112 und eines induktiven Phasengebers 114 zur Verwendung in dem Sensorsystem nach 1. 4 und 5 zeigen schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Geberrads 116 mit Geberradprofil 118 (4) und eines weiteren Geberradprofils (5), welche ebenfalls in dem Sensorsystem 110 nach 1 eingesetzt werden können. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Geberrads 116, welches ebenfalls in dem Sensorsystem 110 nach 1 einsetzbar ist. 7 und 8 zeigen je ein Diagramm 119 der Abhängigkeit des magnetischen Flusses Φ im induktiven Phasengeber 114 (7) und der induzierten Spannung U_PG im induktiven Phasengeber 114 (8) von einem Drehwinkel φ des Geberrads 116 aus 6. 9 zeigt ein Diagramm 119 der Abhängigkeit des magnetischen Flusses Φ (oben), der induzierten Spannung U_PG (Mitte) im induktiven Phasengeber 114 und ihrer zeitlichen Ableitung dU_PG/dt (unten) von einer Zeit t unter Annahme einer konstanten Winkelbeschleunigung des Geberrads 116 aus 6. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Schaltungsträgers 120. Diese Figuren werden im Folgenden gemeinsam erläutert.
Das Sensorsystem 110 kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft einer Nockenwelle eingerichtet sein. Beispielsweise kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, eine Winkelposition der Nockenwelle und/oder eine Drehzahl der Nockenwelle und/oder eine Winkelbeschleunigung zu erfassen. Das Sensorsystem 110 kann insbesondere ein oder mehrere in den Figuren nicht dargestellte weitere Funktionselemente umfassen, wie beispielsweise Elektroden, Elektrodenzuleitungen und Kontakte, mehrere Schichten, Heizelemente oder andere Elemente, wie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik gezeigt.
Das Sensorsystem 110 zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse 122 rotierenden Elements weist mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad 116 auf. Das Geberrad 116 ist zumindest teilweise magnetisch und weist ein Geberradprofil 118 auf. Das Sensorsystem 116 weist weiterhin mindestens einen ersten induktiven Positionssensor 112 auf. Der erste induktive Positionssensor 112 weist mindestens eine erste Spulenanordnung 124 auf, welche mindestens eine Erregerspule 126 und mindestens eine Empfängerspule 128 umfasst. Das Sensorsystem 110 weist weiterhin mindestens einen induktiven Phasengeber 114 auf. Der induktive Phasengeber 114 weist mindestens eine zweite Spulenanordnung 130 auf, welche mindestens eine Phasengeberspule 132 umfasst.
Die 4A und 4B zeigen in Draufsicht (4A) und in Seitenansicht (4B) beispielhaft ein Geberrad 116 mit Geberradprofil 118. 5 zeigt in Seitenansicht eine alternative Ausgestaltung eines Geberradprofils 118. Das Geberrad 116 weist mindestens ein Profilelement 134 auf. Während die Profilelemente 134 bei der Ausgestaltung gemäß 4B sich über die gesamte Breite des Geberrads 116 hinweg erstrecken, sind die Profilelemente 134 bei der alternativen Ausgestaltung gemäß 5 über die Breite profiliert und bilden eine in der Breite profilierte Spur. Beispielsweise können die Profilelemente 134, wie in 5 erkennbar, jeweils eine rautenförmige Ausgestaltung aufweisen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar. Das mindestens eine Profilelement 134 kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Ausbuchtung, insbesondere einer stiftförmigen, einer zahnförmigen oder einer zackenförmigen Ausbuchtung, beispielsweise einem Zahn, wie in 1 dargestellt; einer Einkerbung; einer Aussparung, beispielsweise einem Loch; einer in der Breite des Geberrads 116 profilierten Spur. Insbesondere kann das mindestens eine Profilelement 134 magnetisch sein. Insbesondere kann das Geberrad 116 eine Mehrzahl von Profilelementen 134 aufweisen, wie in den 1, 4 und 6 zu sehen ist. Insbesondere kann die Mehrzahl von Profilelementen 134 über den Umfang des Geberrads 116 verteilt angeordnet sein. Beispielsweise können die Profilelemente 134 äquidistant und/oder periodisch angeordnet sein. Auch andere Ausgestaltungen des Geberradprofils 118 sind möglich. Das Geberrad 116 kann mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigen Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall. Insbesondere kann das Profilelement 134 mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigen Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 mindestens zwei Geberräder 116 aufweisen. Insbesondere können die Geberräder 116 unterschiedliche Geberradprofile 118 aufweisen.
Das rotierende Element weist mindestens eine Rotationsachse 122 auf. Das mindestens eine Geberrad 116 ist mit dem rotierenden Element verbindbar. Auch das Geberrad 116 kann eine Rotationsachse 122 aufweisen, wie in 1 dargestellt. Insbesondere können das rotierende Element und das Geberrad 116 eine gemeinsame Rotationsachse 122 aufweisen. Das rotierende Element und das Geberrad 116 können um die gemeinsame Rotationsachse 122 rotieren.
Der erste induktive Positionssensor 112 weist mindestens eine erste Spulenanordnung 124 auf und der induktive Phasengeber 114 weist mindestens eine zweite Spulenanordnung 130 auf. Die erste Spulenanordnung 124 und die zweite Spulenanordnung 130 können auf mindestens einem Schaltungsträger 120 angeordnet sein, wie in den 2 und 3 zu sehen. Der Schaltungsträger 120 kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse 122 angeordnet sein und das Geberrad 116 oder ein Kreissegment des Geberrads 116 im Wesentlichen kreisförmig umgeben, wie in 1 gezeigt. Der Schaltungsträger 120 kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger 120 biegsam und/oder gebogen ausgestaltet sein, beispielsweise kreisförmig oder kreissegmentförmig gebogen, wie in 10 dargestellt. Insbesondere kann der Schaltungsträger 120 ein flexibles Material umfassen. Insbesondere kann der Schaltungsträger 120 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte, beispielsweise einer gebogenen Starrflex-Leiterplatte; einer starren Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen; einer Leiterkarte; einer Platine und einer gedruckten Schaltung, insbesondere einem „printed circuit board“ (PCB). Ferner kann das Sensorsystem 110 eine Auswerteeinheit 135 aufweisen. Die Auswerteeinheit 135 kann mindestens eine Auswerteschaltung 137 aufweisen. Die Auswerteeinheit 135 kann mit der ersten Spulenanordnung 124 und der zweiten Spulenanordnung 130 auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 120 angeordnet sein, wie in 10 gezeigt. Die Auswerteeinheit 135 kann auch von der ersten Spulenanordnung 124 getrennt und/oder von der zweiten Spulenanordnung 130 getrennt auf einem weiteren Schaltungsträger 120 angeordnet sein. Weiterhin kann der Schaltungsträger 120 in einem hier nicht gezeigten Gehäuse, insbesondere einem Spritzgussgehäuse, angeordnet sein.
Ein Winkel β beschreibt ein Kreissegment des Geberrads 116, welches mindestens ein Profilelement 134 und mindestens einen Zwischenraum 146 zwischen zwei Profilelementen 134 des Geberrads 116 vollständig abdeckt, wie in 1 dargestellt. Die erste Spulenanordnung 124 und die zweite Spulenanordnung 130, insbesondere die Phasengeberspule 132, können einen gemeinsamen Öffnungswinkel α aufweisen, insbesondere wenn sie einen gemeinsamen Schaltungsträger 120 aufweisen, wie in den 1, 2 und 3 dargestellt. Insbesondere kann der gemeinsame Öffnungswinkel α mindestens zwei Teilwinkel umfassen, nämlich einerseits einen Öffnungswinkel δ der ersten Spulenanordnung 124 und andererseits einen Öffnungswinkel ү der zweiten Spulenanordnung 130. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Öffnungswinkel δ der ersten Spulenanordnung 124 dem Winkel β entsprechen. Damit kann die erste Spulenanordnung 124 in mindestens einer Winkelposition des Geberrads 116 mindestens ein Profilelement 134 und mindestens einen Zwischenraum 146 zwischen zwei Profilelementen 134 des Geberrads 116 vollständig abdecken. Es ist möglich, dass dadurch eine maximale Winkelauflösung abgebildet werden kann.
Die 2 und 3 zeigen unter anderem beispielhaft je eine erste Spulenanordnung 124 und eine zweite Spulenanordnung 130. Die erste Spulenanordnung 124 umfasst mindestens eine Erregerspule 126 und mindestens eine Empfängerspule 128, wie in den 2 und 3 gezeigt. Die Erregerspule 126 kann mindestens eine Erregerwindung 136 aufweisen. Die Empfängerspule 128 kann mindestens eine Empfängerwindung 138 aufweisen. Die Empfängerwindung 138 kann mindestens zwei Teilwindungen 140 umfassen. Die Teilwindungen 140 können gegenläufig orientiert sein. Insbesondere kann die Empfängerspule 128 aus einer Empfängerwindung 138 bestehen, wobei die Empfängerwindung 138 aus zwei Teilwindungen 140 besteht, wobei die Teilwindungen 140 gegenläufig orientiert sein können. Das Sensorsystem 110 kann eine Vielzahl von Empfängerspulen 128 aufweisen, beispielsweise ein Empfängerspulensystem, insbesondere ein Sinus-/Cosinussystem oder ein Mehrphasensystem. Auch andere Spulensysteme sind grundsätzlich denkbar. Das Sensorsystem 110 kann eingerichtet sein, ein Sinussystem, ein Cosinussystem oder ein Mehrphasensystem zur Detektion abzubilden. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 eine Anzahl von 1 bis 100 Empfängerspulen 128, bevorzugt von 2 bis 10 Empfängerspulen 128, besonders bevorzugt von 3 Empfängerspulen 128 aufweisen. Insbesondere können die Empfängerspulen 128 aus jeweils mindestens zwei Teilwindungen 140 bestehen, wobei die unmittelbar aufeinanderfolgenden Teilwindungen 140 jeweils gegenläufig orientiert sein können. Insbesondere können die Empfängerspulen 128 zueinander eine elektrische Phasenverschiebung aufweisen. Insbesondere können die jeweils mindestens eine Empfängerwindung 138 der Empfängerspulen 128, insbesondere die gegenläufig orientierten Teilwindungen 140, gemäß der elektrischen Phasenverschiebung gegeneinander versetzt angeordnet sein, wie in 3 beispielhaft für ein Zweiphasensystem, umfassend eine erste Empfängerspule 142 und eine zweite Empfängerspule 144, dargestellt. Eine Versetzung ξ, insbesondere eine geometrische Verdrehung, der zweiten Empfängerspule 144 gegen die erste Empfängerspule 142, insbesondere der Teilwindungen 140 der zweiten Empfängerspule 144 gegen die Teilwindungen 140 der ersten Empfängerspule 142, kann sich bei zwei Empfängerspulen 128 ergeben aus: $ξ=δ/4$
Bei einem Mehrphasensystem, umfassend eine Anzahl m von mindestens 3 Empfängerspulen 128 kann sich die Versetzung ξ ergeben aus: $ξ=δ/ m$
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Sensorsystem 110 eine Erregerspule 126 und drei Empfängerspulen 128 aufweisen. Die Empfängerspulen 128 können aus jeweils mindestens zwei Teilwindungen 140 bestehen, wobei die unmittelbar aufeinanderfolgenden Teilwindungen 140 gegenläufig orientiert sind. Die Empfängerspulen 128 können zueinander eine elektrische Phasenverschiebung von 120° aufweisen. Insbesondere können die Teilwindungen 140 der drei Empfängerspulen 128 entsprechend der elektrischen Phasenverschiebung gegeneinander versetzt angeordnet sein.
Die Erregerspule 126 kann beispielsweise mit einer Spannung von 0,5 bis 10 V, bevorzugt mit einer Spannung von 1,5 V beaufschlagt werden, sowie mit einer Frequenz von 1 MHz bis 10 MHz, besonders bevorzugt mit 5 MHz. Damit kann sich die Frequenz der in der Empfängerspule 128 induzierten Spannung, insbesondere die Frequenz des Winkelsignals, deutlich von Frequenzen der in der Phasengeberspule 132 durch das sich vorbeibewegende zumindest teilweise magnetische Geberrad 116 induzierten Spannungen unterscheiden. Insbesondere kann das elektrische Messsignal des ersten induktiven Positionssensors 112, insbesondere der ersten Spulenanordnung 124, beispielsweise der Empfängerspule 128, eine amplitudenmodulierte Spannung im MHz Bereich umfassen. Gleichzeitig kann das zumindest teilweise magnetische Geberrad 116 insbesondere im induktiven Phasengeber 114, insbesondere in der zweiten Spulenanordnung 130, beispielsweise in der Phasengeberspule 132, zu einer Induktionsspannung führen, welche ein Messsignal des induktiven Phasengebers, 114 darstellen kann. Da die Drehzahl in der Regel nicht zu einer Frequenz im MHz Bereich führt, sind beide Effekte in der Regel voneinander unabhängig. Die Sensoreinrichtung 110 kann einen Hochpassfilter aufweisen, der geeignet ist, eine Trennung der genannten Frequenzen durchzuführen.
Das Sensorsystem 110 kann eingerichtet sein, die induktive Kopplung und/oder eine Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule 126 und der Empfängerspule 128 zu erfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrads 116 bewirkte induktive Kopplung und/oder die Änderung der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule 126 und Empfängerspule 128 zu erfassen. Insbesondere kann das Sensorelement 110 zwei Geberräder 116 aufweisen. Insbesondere können die Geberräder 116 unterschiedliche Geberradprofile 118 aufweisen. Beispielsweise können die Geberräder 116 unterschiedliche Periodizitäten aufweisen. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 mindestens zwei erste induktive Positionssensoren 112 aufweisen. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, aus der durch die Bewegung und/oder die Position des Geberrads 116 bewirkten induktiven Kopplung und/oder Änderung der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule 126 und Empfängerspule 128 eine Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen.
Der induktive Phasengeber 114 umfasst mindestens eine zweite Spulenanordnung 130. Die zweite Spulenanordnung 130 weist mindestens eine Phasengeberspule 132 auf, wie in den 2 und 3 dargestellt. Die Phasengeberspule 132 kann mindestens eine Phasengeberwindung 148 aufweisen, wie ebenfalls in den 2 und 3 gezeigt. Das Sensorsystem 110 kann eingerichtet sein, ein elektrisches Messsignal des induktiven Phasengebers 114 zu erfassen, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Bei dem elektrischen Messsignal des induktiven Phasengebers 114 kann es sich insbesondere um ein elektrisches Messsignal der zweiten Spulenanordnung 130 handeln, beispielsweise um ein elektrisches Messsignal der Phasengeberspule 132. Bei dem elektrischen Messsignal kann es sich insbesondere um ein Spannungssignal, beispielsweise um eine in der Phasengeberspule 132 induzierte Spannung, oder um einen Strom handeln. Das Sensorsystem 110 kann eingerichtet sein, ein durch die Bewegung des Geberrads 116 bewirktes elektrisches Messsignal des induktiven Phasengebers 114 zu erfassen. Ferner kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, mithilfe von mindestens einem durch die Bewegung des Geberrads 116 bewirkten elektrischen Messsignal des induktiven Phasengebers 114 mindestens eine die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisierende Eigenschaft zu bestimmen, beispielsweise die Winkelposition und/oder die Drehzahl und/oder die Winkelgeschwindigkeit und/oder die Winkelbeschleunigung und/oder die Winkel.
6 zeigt beispielhaft ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Geberrads 116 mit Geberradprofil 118. 7 zeigt den magnetischen Fluss Φ durch den induktiven Phasengeber 114, insbesondere durch die zweite Spulenanordnung 130, insbesondere durch die Phasengeberspule 132, in Abhängigkeit des Drehwinkels φ des Geberrads 116, wenn das zumindest teilweise magnetische Geberrad 116 aus 6 bei Rotation des rotierenden Elements mit konstanter Drehzahl den induktiven Phasengeber 114, insbesondere den Öffnungswinkel ү der zweiten Spulenanordnung 130, überstreicht. B bezeichnet die magnetische Flussdichte und A bezeichnet ein senkrecht zur magnetischen Flussdichte B orientiertes Flächenelement des induktiven Phasengebers 114, insbesondere der zweiten Spulenanordnung 130, insbesondere der Phasengeberspule 132. 8 zeigt die bei dem gerade beschriebenen Vorgang im induktiven Phasengeber 114, insbesondere in der zweiten Spulenanordnung 130, insbesondere in der Phasengeberspule 132, induzierte Spannung U_PG in Abhängigkeit des Drehwinkels φ des Geberrads 116. Ändert sich der magnetische Fluss Φ durch den induktiven Phasengeber 114, beispielsweise indem ein Profilelement 134 den induktiven Phasengeber 114 überstreicht, wird im induktiven Phasengeber 114 eine Spannung U_PG induziert. Bei konstanter Drehzahl besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel φ und der Zeit t: $U_{PG} = - d Φ /dt \propto - d Φ /d φ$
Die Änderung des magnetischen Flusses Φ hängt damit von der Drehzahl ab. Insbesondere kann daher die Amplitude U_PG,max der im induktiven Phasengeber 114 induzierten Spannung U_PG eine Information über die Drehzahl enthalten. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, aus der Amplitude U_PG,max des durch die Bewegung des Geberrads 116 bewirkten Spannungssignals U_PG des induktiven Phasengebers 114 eine Drehzahl des rotierenden Elements zu bestimmen. Weiterhin kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, aus mindestens zwei elektrischen Messsignalen, insbesondere zwei Spannungssignalen U_PG, des induktiven Phasengebers 114 die Winkelbeschleunigung des rotierenden Elements zu bestimmen. Beispielsweise kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, aus einer Differenz der Beträge zweier aufeinanderfolgender Spannungssignale und/oder aus einer Änderung der Abstände zweier aufeinanderfolgender Spannungssignale und/oder aus einer Ableitung der induzierten Spannung die Winkelbeschleunigung des rotierenden Elements zu bestimmen, wie weiter unten anhand von 9 beispielhaft erläutert. Bei Verwendung des in 6 dargestellten Geberrads 116 lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem 110 bei einer Drehung des rotierenden Elements um höchstens 90° mindestens zwei Spannungssignale im induktiven Phasengeber 114 induzieren, die zur Ermittlung der Winkelbeschleunigung des rotierenden Elements eingesetzt werden können.
Das zumindest teilweise magnetische Geberrad 116 kann beispielsweise eine magnetische Flussdichte B von 20 mT aufweisen. Das senkrecht zur magnetischen Flussdichte B orientierte Flächenelement der Phasengeberspule 132 kann beispielsweise eine Größe von 5 mm mal 10 mm aufweisen. Weiterhin kann die Phasengeberspule 132 beispielsweise eine Phasengeberwindung 148 aufweisen. Das Geberrad 116 kann beispielsweise einen Geberraddurchmesser von 7 cm aufweisen. Weiterhin kann das rotierende Element und damit auch das Geberrad 116 eine Drehzahl von 2500 U/min aufweisen. Damit kann die im induktiven Phasengeber 114 induzierte Spannung U_PG eine Amplitude von 2 mV aufweisen. Der induktive Phasengeber 114 kann auch eine Mehrzahl von Phasengeberwindungen 148 aufweisen. Insbesondere kann die im induktiven Phasengeber 114 induzierte Spannung U_PG durch eine Erhöhung der Anzahl der Phasengeberwindungen 148 erhöht werden. Das Sensorsystem 110 kann weiterhin ein Verstärkerschaltung aufweisen, wobei die Verstärkerschaltung eingerichtet sein kann, das elektrische Messsignal des induktiven Phasengebers 114, insbesondere die im induktiven Phasengeber 114 induzierte Spannung, zu verstärken, insbesondere derart, dass das verstärkte elektrische Messsignal, beispielsweise das verstärkte Spannungssignal, des induktiven Phasengebers 114 die Schwelle des Steuergeräts überschreiten kann.
9 zeigt den magnetischen Fluss Φ (oben) durch den induktiven Phasengeber 114, insbesondere durch die zweite Spulenanordnung 130, insbesondere durch die Phasengeberspule 132, in Abhängigkeit von der Zeit t, wenn das zumindest teilweise magnetische Geberrad 116 aus 6 bei Rotation des rotierenden Elements mit konstanter Winkelbeschleunigung den induktiven Phasengeber 114, insbesondere den Öffnungswinkel ү der zweiten Spulenanordnung 130, überstreicht. Weiterhin zeigt 9 die bei diesem Vorgang im induktiven Phasengeber 114, insbesondere in der zweiten Spulenanordnung 130, insbesondere in der Phasengeberspule 132, induzierte Spannung U_PG (Mitte) in Abhängigkeit von der Zeit t und die zeitliche Ableitung der induzierten Spannung (unten) ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit t. 9 zeigt dabei beispielhaft das Überstreichen des induktiven Phasengebers 114 durch ein Profilelement 134 des in 6 abgebildeten Geberrads 116. Aufgrund der konstanten Winkelbeschleunigung ändert sich der magnetische Fluss quadratisch mit der Zeit. Dies führt zu einer abschnittsweise linear verlaufenden induzierten Spannung im induktiven Phasengeber 114, insbesondere in der zweiten Spulenanordnung 130, insbesondere in der Phasengeberspule 132, wie in 9 (Mitte) gezeigt. Eine Anstiegszeit t_r ist aufgrund der durch die Winkelbeschleunigung mit der Zeit zunehmenden Winkelgeschwindigkeit länger als eine Abfallzeit t_f. Entsprechend sind Maximalwerte der induzierten Spannungen U_PG,max1 und U_PG,max2 unterschiedlich groß. Aus der Differenz der Beträge U_PG,_max1 und U_PG,max2 kann die Winkelbeschleunigung bestimmt werden. Auch weitere Verfahren können geeignet sein, eine die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibende Eigenschaft zu bestimmen. So kann ferner aus der zeitlichen Ableitung der induzierten Spannungssignale U_PG,max1 und U_PG,max2 die Winkelbeschleunigung bestimmt werden. Während der Zeit tt ändert sich der den induktiven Phasengeber 114 durchdringende magnetische Fluss nicht und die induzierte Spannung ist null. Da das eingesetzte Geberradprofil 118 bekannt ist, kann die Drehzahl trotzdem durch die Messung der Zeitdauer t_t und/oder durch die Messung der Anstiegszeit t_r und/oder Abfallzeit t_f und/oder durch die Bestimmung der maximalen induzierten Spannung bestimmt werden. Die Verwendung von mindestens zwei der genannten Verfahren kann zur Überprüfung des ermittelten Wertes, beispielsweise des ermittelten Wertes der Winkelbeschleunigung genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012213539 A1 [0002]
US 7449878 B2 [0004]

Claims

Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (122) rotierenden Elements, wobei das Sensorsystem (110) mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad (116) aufweist, wobei das Geberrad (116) ein Geberradprofil (118) aufweist, wobei das Sensorsystem (110) mindestens einen ersten induktiven Positionssensor (112) aufweist, wobei der erste induktive Positionssensor (112) mindestens eine erste Spulenanordnung (124) aufweist, umfassend mindestens eine Erregerspule (126) und mindestens eine Empfängerspule (128), dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (110) weiterhin mindestens einen induktiven Phasengeber (114) aufweist, wobei der induktive Phasengeber (114) mindestens eine zweite Spulenanordnung (130) aufweist, umfassend mindestens eine Phasengeberspule (132), wobei das Geberrad (116) zumindest teilweise magnetisch ist.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Spulenanordnung (124) und die zweite Spulenanordnung (130) auf mindestens einem Schaltungsträger (120) angeordnet sind, wobei der Schaltungsträger (120) im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse (122) angeordnet ist, wobei der Schaltungsträger (120) das Geberrad (116) oder ein Kreissegment des Geberrads (116) im Wesentlichen kreisförmig umgibt.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch wobei der Schaltungsträger (120) das Geberrad (116) oder ein Kreissegment des Geberrads (116) im Wesentlichen kreisförmig umgibt, wobei die erste Spulenanordnung (124) in mindestens einer Winkelstellung mindestens ein Profilelement (134) und mindestens einen Zwischenraum (146) zwischen zwei Profilelementen (134) des Geberrads (116) abdeckt.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem (110) eingerichtet ist, eine induktiven Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule (126) und der Empfängerspule (128) zu erfassen, wobei das Sensorsystem (110) weiterhin eingerichtet ist, ein elektrisches Messsignal des induktiven Phasengebers (114) zu erfassen.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorsystem (110) eingerichtet ist, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades (116) bewirkte induktive Kopplung und/oder die Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule (126) und der Empfängerspule (128) zu erfassen, wobei das Sensorsystem (110) weiterhin eingerichtet ist, ein durch die Bewegung des Geberrads (116) bewirktes elektrisches Messsignal des induktiven Phasengebers (114) zu erfassen.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorsystem (110) eingerichtet ist, aus der durch die Bewegung und/oder durch die Position des Geberrads (116) bewirkten induktiven Kopplung und/oder bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule (126) und der Empfängerspule (128) eine Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen, wobei das Sensorsystem (110) weiterhin eingerichtet ist, mithilfe von mindestens einem durch die Bewegung des Geberrads (116) bewirkten elektrischen Messsignals des induktiven Phasengebers (114) eine Winkelposition und/oder eine Drehzahl des rotierenden Elements zu bestimmen.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorsystem (110) eingerichtet ist, eine Verfügbarkeit der Winkelposition des rotierenden Elements bei einem Einschalten einer Spannungsversorgung zu ermöglichen.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem (110) eingerichtet ist, aus mindestens zwei elektrischen Messsignalen des induktiven Phasengebers (114) eine Winkelbeschleunigung zu bestimmen.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfängerspule (128) aus mindestens zwei Teilwindungen (140) einer Spule besteht, wobei die aufeinanderfolgenden Teilwindungen (140) gegenläufig orientiert sind.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Geberradprofil (118) mindestens ein Profilelement (134) aufweist.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem (110) mindestens zwei Geberräder (116) aufweist.
Sensorelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zwei Geberräder (116) unterschiedliche Geberradprofile (118) aufweisen.
Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements, wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines mit dem rotierenden Element verbindbaren Geberrads (116) umfasst, wobei das Geberrad (116) zumindest teilweise magnetisch ist und ein Geberradprofil (118) aufweist, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: - eine Aufnahme mindestens eines induktiven Signals mittels mindestens eines ersten induktiven Positionssensor (112), wobei der erste induktive Positionssensor (112) eine erste Spulenanordnung (124) aufweist, umfassend mindestens eine Erregerspule (126) und eine Empfängerspule (128); und - eine Aufnahme mindestens eines induktiven Phasengebersignals mittels mindestens eines induktiven Phasengebers (114), wobei der induktive Phasengeber (114) mindestens eine zweite Spulenanordnung (130) aufweist, umfassend mindestens eine Phasengeberspule (132).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren eine Bestimmung einer Winkelposition des rotierenden Elements mithilfe einer erfassten, von einer Position und/oder einer Bewegung des Geberrads (116) abhängigen induktiven Kopplung und/oder Änderung der induktiven Kopplung in der ersten Spulenanordnung (124) umfasst, wobei das Verfahren weiterhin eine Bestimmung der Winkelposition und/oder einer Drehzahl des rotierenden Elements mithilfe von mindestens einem durch die Bewegung des Geberrads (116) bewirkten induktiven Phasengebersignals umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren weiterhin eine Bestimmung einer Winkelbeschleunigung mithilfe von mindestens zwei durch die Bewegung des Geberrads (116) bewirkten induktiven Phasengebersignalen umfasst.