DE102023212111A1

DE102023212111A1 - Angle sensor for detecting a position of a gear carrier and method for operating the same

Info

Publication number: DE102023212111A1
Application number: DE102023212111.5A
Authority: DE
Inventors: Paul Ahrenberg; Jonas Bauder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-12-04
Filing date: 2023-12-04
Publication date: 2025-06-05
Also published as: WO2025119762A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelsensor (100) zum Abgreifen einer Position eines Verzahnungsträgers (116), wobei der Winkelsensor (100) ein Nehmerzahnrad (102) und einen mit dem Nehmerzahnrad (102) gekoppelten induktiven Sensorgeber (104), sowie eine Auswerteeinheit (106) mit zumindest einer Sendespule (108) und zumindest einer Empfangsspule (110) aufweist, wobei das Nehmerzahnrad (102) mit dem Sensorgeber (104) drehbar im Winkelsensor (100) gelagert ist und das Nehmerzahnrad (102) dazu ausgebildet ist, in den Verzahnungsträger (116) einzugreifen, bei einer Positionsänderung des Verzahnungsträgers (116) an dem Verzahnungsträger (116) abzurollen und eine resultierende Winkelposition auf den Sensorgeber (104) zu übertragen, wobei die Auswerteeinheit (106) dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der Sendespule (108) Wirbelströme im Sensorgeber (104) zu induzieren, unter Verwendung der Empfangsspule (110) ein von der Winkelposition abhängiges, durch die Wirbelströme erzeugtes elektromagnetisches Gegenfeld zu empfangen und unter Verwendung des empfangenen Gegenfelds die Winkelposition zu bestimmen.

The present invention relates to an angle sensor (100) for detecting a position of a gear carrier (116), wherein the angle sensor (100) has a slave gear (102) and an inductive sensor transmitter (104) coupled to the slave gear (102), as well as an evaluation unit (106) with at least one transmitting coil (108) and at least one receiving coil (110), wherein the slave gear (102) with the sensor transmitter (104) is rotatably mounted in the angle sensor (100) and the slave gear (102) is designed to engage the gear carrier (116), to roll on the gear carrier (116) when the position of the gear carrier (116) changes, and to transmit a resulting angular position to the sensor transmitter (104), wherein the evaluation unit (106) is designed to use the transmitting coil (108) to induce eddy currents in the sensor transmitter (104), to receive an electromagnetic counter-field generated by the eddy currents, which counter-field is dependent on the angular position, using the receiving coil (110), and to determine the angular position using the received counter-field.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor zum Abgreifen einer Position eines Verzahnungsträgers, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Winkelsensors.The invention relates to an angle sensor for detecting a position of a gear carrier, as well as a method for operating such an angle sensor.

Stand der TechnikState of the art

Ein Winkelsensor kann einen drehbaren Geber und einen feststehenden Nehmer aufweisen. Der Geber wird fest mit einer drehbaren Komponente verbunden. Der Nehmer wird relativ zu der Komponente ortsfest angeordnet. Wenn sich die Komponente um einen Winkel dreht, wird der Geber mitgedreht und so um den Winkel relativ zum Nehmer verdreht. Wenn der Winkelsensor einen Defekt aufweist, kann eine Demontage der Komponente erforderlich sein, um den Geber zu tauschen.An angle sensor can have a rotatable encoder and a stationary receiver. The encoder is permanently connected to a rotatable component. The receiver is fixed relative to the component. When the component rotates through an angle, the encoder rotates with it and is thus rotated by the angle relative to the receiver. If the angle sensor is defective, it may be necessary to disassemble the component to replace the encoder.

Da der Geber starr mit der Komponente verbunden ist, folgt der Geber zusätzlich zu einer erwünschten Rotationsbewegung auch unerwünschten Bewegungen der Komponente, wie beispielsweise Taumelbewegungen, exzentrischen Bewegungen, axialen und radialen Bewegungen aufgrund von Toleranzen der Komponente und/oder elastischen Verformungen der Komponente.Since the encoder is rigidly connected to the component, in addition to a desired rotational movement, the encoder also follows undesired movements of the component, such as wobbling movements, eccentric movements, axial and radial movements due to tolerances of the component and/or elastic deformations of the component.

Die unerwünschten Bewegungen können eine Messgenauigkeit des Winkelsensors beeinflussen. Durch eine geeignete Positionierung von insbesondere redundanten Sensorelementen des Nehmers können die Auswirkungen der unerwünschten Bewegungen zumindest weitgehend kompensiert werden.The unwanted movements can affect the measurement accuracy of the angle sensor. By appropriately positioning the sensor elements, especially redundant ones, the effects of the unwanted movements can be at least largely compensated.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Winkelsensor zum Abgreifen einer Position eines Verzahnungsträgers, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Winkelsensors gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Against this background, the approach presented here proposes an angle sensor for detecting the position of a gear carrier, as well as a method for operating such an angle sensor according to the independent claims. Advantageous further developments and improvements of the approach presented here emerge from the description and are described in the dependent claims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Bei dem hier vorgestellten Ansatz dreht sich ein Geber eines Winkelsensors um eine eigene unabhängig gelagerte Achse und wird durch eine abzugreifende Komponente nur angetrieben. Der Geber ist also nicht direkt an der Komponente angeordnet, sondern abgesetzt von der Komponente angeordnet. Der Geber ist insbesondere seitlich versetzt zu der Komponente angeordnet und greift über eine insbesondere spielfreie Verzahnung an einer Abgriffstelle in die Komponente ein. Der Geber und sein Nehmer sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und können so vormontiert und kalibriert werden. Wenn der Winkelsensor verbaut wird, wird der Geber seitlich an die Komponente herangeschoben und an der Abgriffstelle mechanisch mit der Komponente gekoppelt.In the approach presented here, an encoder of an angle sensor rotates about its own independently mounted axis and is only driven by a component to be tapped. The encoder is therefore not arranged directly on the component, but rather arranged separately from it. The encoder is arranged laterally offset from the component and engages with the component at a tapping point via a particularly backlash-free gearing. The encoder and its slave are arranged in a common housing and can therefore be pre-assembled and calibrated. When the angle sensor is installed, the encoder is pushed laterally towards the component and mechanically coupled to the component at the tapping point.

Durch den hier vorgestellten Ansatz wird nur eine gewünschte rotatorische Komponente einer möglicherweise komplexen Bewegung der Komponente auf den Geber übertragen. Andere, nicht-rotatorische Komponenten der Bewegung werden durch die separate Lagerung des Gebers und die Verzahnung effektiv vom Geber abgehalten. Da sich der Geber somit wie gewünscht nur um seine Achse dreht und axial sowie radial geführt ist, kann der Nehmer in einem sehr geringen Abstand zum Geber angeordnet sein und eine hohe Erfassungsgenauigkeit erreicht werden.With the approach presented here, only a desired rotational component of a potentially complex component movement is transmitted to the encoder. Other, non-rotational components of the movement are effectively kept away from the encoder by the encoder's separate bearing and gearing. Since the encoder only rotates around its axis as desired and is guided axially and radially, the receiver can be positioned at a very short distance from the encoder, achieving high detection accuracy.

Zusätzlich kann der Winkelsensor mit wenig Aufwand ausgetauscht werden, falls ein Defekt auftritt. Dazu ist keine Demontage der Komponente erforderlich, wodurch ein Zeitaufwand für den Tausch minimiert werden kann.Additionally, the angle sensor can be easily replaced if a defect occurs. No disassembly of the component is required, thus minimizing the time required for replacement.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Winkelsensor zum Abgreifen einer Position eines Verzahnungsträgers vorgestellt, wobei der Winkelsensor ein Nehmerzahnrad und einen mit dem Nehmerzahnrad gekoppelten induktiven Sensorgeber, sowie eine Auswerteeinheit mit zumindest einer Sendespule und zumindest einer Empfangsspule aufweist, wobei das Nehmerzahnrad mit dem Sensorgeber drehbar im Winkelsensor gelagert ist und das Nehmerzahnrad dazu ausgebildet ist, an einer Abgriffstelle insbesondere spielfrei in den Verzahnungsträger einzugreifen, bei einer Positionsänderung des Verzahnungsträgers an dem Verzahnungsträger abzurollen und eine resultierende Winkelposition auf den Sensorgeber zu übertragen, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der Sendespule Wirbelströme im Sensorgeber zu induzieren, unter Verwendung der Empfangsspule ein von der Winkelposition abhängiges, durch die Wirbelströme erzeugtes elektromagnetisches Gegenfeld zu empfangen und unter Verwendung des empfangenen Gegenfelds die Winkelposition zu bestimmen.According to a first aspect of the invention, an angle sensor for sensing a position of a gear carrier is presented, wherein the angle sensor has a slave gear and an inductive sensor transmitter coupled to the slave gear, as well as an evaluation unit with at least one transmitting coil and at least one receiving coil, wherein the slave gear with the sensor transmitter is rotatably mounted in the angle sensor and the slave gear is designed to engage in the gear carrier at a tapping point, in particular without play, to roll on the gear carrier when the position of the gear carrier changes, and to transmit a resulting angular position to the sensor transmitter, wherein the evaluation unit is designed to induce eddy currents in the sensor transmitter using the transmitting coil, to receive an electromagnetic opposing field generated by the eddy currents, which is dependent on the angular position, using the receiving coil, and to determine the angular position using the received opposing field.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Winkelsensors gemäß dem ersten Aspekt vorgestellt, wobei die Auswerteeinheit die zumindest eine Sendespule mit Wechselstrom bestromt, um im Sensorgeber Wirbelströme zu induzieren und unter Verwendung der zumindest einen Empfangsspule ein Wechselspannungssignal, welches ein resultierendes, von der Winkelposition abhängiges Gegenfeld der Wirbelströme repräsentiert, empfängt und auswertet, um die Winkelposition zu bestimmen.According to a second aspect of the invention, a method for operating an angle sensor according to the first aspect is presented, wherein the evaluation unit supplies the at least one transmitting coil with alternating current in order to induce eddy currents in the sensor transmitter and to generate an alternating voltage using the at least one receiving coil voltage signal, which represents a resulting counter field of the eddy currents that depends on the angular position, is received and evaluated in order to determine the angular position.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.Ideas for embodiments of the present invention may be considered, among other things, to be based on the thoughts and findings described below.

Ein Winkelsensor kann beispielsweise in einer Lenkung eines Fahrzeugs verwendet werden, um einen Lenkwinkel an einer Lenksäule der Lenkung oder einen Spurwinkel an einem Lenkhebel zu messen. Der hier vorgestellte Winkelsensor ist ein indirekt messender Sensor, bei dem eine zu erfassende Drehbewegung eines Bauteils über eine mechanische Kopplung in den Sensor übertragen wird. Der Sensor selbst ist dabei seitlich versetzt zu dem Bauteil angeordnet. Aufgrund der indirekten Messung kann der Winkelsensor ebenso als Linearsensor verwendet werden, da sowohl eine Rotation beziehungsweise Drehbewegung als auch eine Translation beziehungsweise Linearbewegung durch die mechanische Kopplung übertragen werden können. Somit kann der Winkelsensor beispielsweise auch an einer Zahnstange der Lenkung angeordnet werden.An angle sensor can be used, for example, in a vehicle's steering system to measure a steering angle on a steering column or a toe angle on a steering lever. The angle sensor presented here is an indirect measuring sensor in which the rotational movement of a component to be detected is transmitted to the sensor via a mechanical coupling. The sensor itself is arranged laterally offset from the component. Due to the indirect measurement, the angle sensor can also be used as a linear sensor, since both a rotational or rotary movement and a translational or linear movement can be transmitted via the mechanical coupling. This means that the angle sensor can also be arranged, for example, on a steering rack.

Ein Verzahnungsträger kann ein bewegliches Bauteil mit einer passenden Verzahnung sein. Der Verzahnungsträger kann dabei auch lediglich in einem Messbereich verzahnt sein. Der Verzahnungsträger kann eine relativ zum Winkelsensor bewegliche Zahnstange sein. Eine Winkelposition beziehungsweise Winkelstellung kann über einen Rollradius des Nehmerzahnrads eine Linearposition der Abgriffstelle auf der Zahnstange abbilden. Alternativ kann der Verzahnungsträger ein auf einer Welle angeordnetes Ritzel sein. Die Winkelposition kann über ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Ritzel und dem Nehmerzahnrad eine Winkelposition der Welle abbilden.A gear carrier can be a movable component with matching gearing. The gear carrier can also be geared only in one measuring range. The gear carrier can be a rack that is movable relative to the angle sensor. An angular position can represent a linear position of the tapping point on the rack via a rolling radius of the slave gear. Alternatively, the gear carrier can be a pinion arranged on a shaft. The angular position can represent an angular position of the shaft via a transmission ratio between the pinion and the slave gear.

Ein Nehmerzahnrad kann anteilig aus einem Gehäuse des Winkelsensors hervorstehen, um sich mit dem Verzahnungsträger verzahnen zu können. Ebenso kann das Nehmerzahnrad vollständig im Gehäuse angeordnet sein und das Gehäuse eine Aussparung für den Verzahnungsträger aufweisen. Ein Berührungspunkt zwischen dem Verzahnungsträger und dem Nehmerzahnrad kann als Abgriffstelle bezeichnet werden. An der Abgriffstelle kann ein Abstand zwischen dem Verzahnungsträger und dem Nehmerzahnrad minimal sein.A slave gear can partially protrude from a housing of the angle sensor to mesh with the gear carrier. The slave gear can also be completely housed within the housing, and the housing can have a recess for the gear carrier. A contact point between the gear carrier and the slave gear can be referred to as a tapping point. At the tapping point, the distance between the gear carrier and the slave gear can be minimal.

Ein Sensorgeber beziehungsweise Geber kann drehbare Scheibe sein. Der Sensorgeber kann aus einem elektrisch leitenden und insbesondere nicht ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder nicht ferromagnetischem Stahl bestehen. Durch ein von zumindest einer Sendespule emittiertes elektromagnetisches Wechselfeld werden im Sensorgeber Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme emittieren selbst ein dem elektromagnetischen Wechselfeld entgegengerichtetes elektromagnetisch wechselndes Gegenfeld. Der Sensorgeber kann beispielsweise durch Schlitze oder Ausschnitte in Segmente strukturiert sein. Durch die Segmentierung beziehungsweise Struktur werden die Wirbelströme inhomogen induziert. Eine Inhomogenität der Wirbelströme ist dabei auf eine Winkelposition des Sensorgebers referenziert und rotiert mit dem Sensorgeber. Das Gegenfeld kann in zumindest eine Empfangsspule einkoppeln und dort ein Spannungssignal erzeugen. Die Empfangsspule kann eine Richtcharakteristik aufweisen. Durch die Inhomogenität und die Richtcharakteristik koppelt das Spannungssignal je nach Winkelposition mal stärker, mal schwächer in die Empfangsspule ein.A sensor encoder or encoder can be a rotatable disk. The sensor encoder can be made of an electrically conductive and, in particular, non-ferromagnetic material, such as aluminum, copper, or non-ferromagnetic steel. An alternating electromagnetic field emitted by at least one transmitting coil induces eddy currents in the sensor encoder. The eddy currents themselves emit an alternating electromagnetic counterfield directed opposite to the alternating electromagnetic field. The sensor encoder can be structured into segments, for example, by slots or cutouts. The segmentation or structure induces the eddy currents inhomogeneously. An inhomogeneity of the eddy currents is referenced to an angular position of the sensor encoder and rotates with the sensor encoder. The counterfield can couple into at least one receiving coil and generate a voltage signal there. The receiving coil can have a directional characteristic. Due to the inhomogeneity and the directional characteristic, the voltage signal couples into the receiving coil sometimes more strongly, sometimes less strongly, depending on the angular position.

Der Winkelsensor kann zumindest ein Satellitenrad und einen Satellitenradsensor aufweisen. Der Satellitenradsensor kann ein Positionssensor für das Satellitenrad sein. Das Satellitenrad kann drehbar im Winkelsensor gelagert sein und in das Nehmerzahnrad insbesondere spielfrei eingreifen. Die Winkelposition des Nehmerzahnrads kann über eine Satellitenübersetzung des Satellitenrads in eine Satellitenwinkelposition des Satellitenrads übertragen werden. Der Satellitenradsensor kann dazu ausgebildet sein, die Satellitenwinkelposition zu erfassen. Die Auswerteeinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, unter Verwendung der Satellitenwinkelposition ganze Umdrehungen des Nehmerzahnrads zu bestimmen. Ein Satellitenrad kann seitlich versetzt zu dem Nehmerzahnrad angeordnet sein. Das Satellitenrad kann ebenso ein Zahnrad sein. Das Satellitenrad kann insbesondere kleiner als das Nehmerzahnrad sein. Das Satellitenrad kann sich somit schneller drehen als das Nehmerzahnrad. Unter Verwendung der Satellitenwinkelposition kann eine Noniuskalkulation ausgeführt werden. Für die Noniuskalkulation kann über eine Mehrzahl an Umdrehungen des Nehmerzahnrads eine eindeutige Kombination aus der Winkelposition des Nehmerzahnrads und der Satellitenwinkelposition des Satellitenrads vorliegen. Dadurch kann der Winkelsensor als Absolutwinkelsensor verwendet werden, der nach einer Unterbrechung der Energieversorgung direkt eine absolute Winkelposition signalisieren kann.The angle sensor can have at least one satellite wheel and one satellite wheel sensor. The satellite wheel sensor can be a position sensor for the satellite wheel. The satellite wheel can be rotatably mounted in the angle sensor and engage with the slave gear, in particular without play. The angular position of the slave gear can be transferred into a satellite angular position of the satellite wheel via a satellite transmission of the satellite wheel. The satellite wheel sensor can be designed to detect the satellite angular position. The evaluation unit can further be designed to determine complete revolutions of the slave gear using the satellite angular position. A satellite wheel can be arranged laterally offset from the slave gear. The satellite wheel can also be a gear. The satellite wheel can in particular be smaller than the slave gear. The satellite wheel can thus rotate faster than the slave gear. A vernier calculation can be carried out using the satellite angular position. For the vernier calculation, a unique combination of the angular position of the slave gear and the angular position of the satellite gear can be obtained over a number of revolutions of the slave gear. This allows the angle sensor to be used as an absolute angle sensor, which can directly signal an absolute angular position after a power interruption.

Der Winkelsensor kann ein das Nehmerzahnrad, den Sensorgeber und die Auswerteeinheit umschließendes steckbares Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse kann in einen Steckplatz, beispielsweise eines Lenkgetriebes einsteckbar sein und in eingestecktem Zustand so positioniert sein, dass das Nehmerzahnrad an der Abgriffstelle in den Verzahnungsträger eingreift. Durch ein steckbares Gehäuse kann der Winkelsensor schnell austauschbar sein. Das Gehäuse kann eine Verdrehsicherung aufweisen, damit der Winkelsensor nur bestimmungsgemäß in den Steckplatz eingesteckt werden kann. Durch die Steckbarkeit kann der Winkelsensor beispielsweise mit Standardwerkzeug oder sogar werkzeuglos getauscht werden.The angle sensor can have a pluggable housing enclosing the slave gear, the sensor transmitter, and the evaluation unit. The housing can be pluggable into a slot, for example, of a steering gear, and can be positioned in such a way that the slave gear at the tapping point engages in the The angle sensor engages the gear carrier. A pluggable housing allows for quick replacement. The housing can be equipped with an anti-twist device to ensure that the angle sensor can only be inserted into the slot as intended. The pluggable design allows the angle sensor to be replaced, for example, with standard tools or even without tools.

Das Nehmerzahnrad mit dem Sensorgeber kann radial und axial spielfrei gelagert sein. Das Nehmerzahnrad kann mit einer nichtmagnetischen Lagerung gelagert sein. Die Lagerung kann Verkippungen des Nehmerzahnrads und damit auch des Sensorgebers verhindern. Die Lagerung des Nehmerzahnrads kann überdimensioniert sein. Form- und Lagetoleranzen des Verzahnungsträgers können durch die Verzahnung zwischen dem Nehmerzahnrad und dem Verzahnungsträger kompensiert werden.The slave gear with the sensor encoder can be mounted with radial and axial play-free support. The slave gear can be mounted with a non-magnetic bearing. This support can prevent tilting of the slave gear and thus also of the sensor encoder. The bearing of the slave gear can be oversized. Form and position tolerances of the gear carrier can be compensated by the toothing between the slave gear and the gear carrier.

Der Sensorgeber kann in einen Grundkörper des Nehmerzahnrads integriert sein. Durch eine Integration der beiden Funktionsbestandteile in ein gemeinsames Bauteil kann Bauraum gespart werden. Die Verzahnung des Nehmerzahnrads kann also an einem Umfang des Sensorgebers angeordnet sein.The sensor transmitter can be integrated into the base body of the slave gear. By integrating the two functional components into a single component, installation space can be saved. The teeth of the slave gear can therefore be arranged on the circumference of the sensor transmitter.

Der Winkelsensor kann ein weiteres Nehmerzahnrad und einen weiteren mit dem weiteren Nehmerzahnrad gekoppelten Sensorgeber aufweisen. Das weitere Nehmerzahnrad kann mit dem weiteren Sensorgeber ebenso drehbar im Winkelsensor gelagert sein. Das weitere Nehmerzahnrad mit dem weiteren Sensorgeber kann unabhängig von dem anderen Nehmerzahnrad und dem anderen Sensorgeber drehbar sein. Das weitere Nehmerzahnrad kann dazu ausgebildet sein, an einer weiteren Abgriffstelle insbesondere spielfrei in einen weiteren Verzahnungsträger einzugreifen, bei einer Positionsänderung des weiteren Verzahnungsträgers an dem weiteren Verzahnungsträger abzurollen und eine resultierende weitere Winkelposition auf den weiteren Sensorgeber zu übertragen. Die Auswerteeinheit kann zwischen dem Sensorgeber und dem weiteren Sensorgeber angeordnet sein und zumindest eine weitere Sendespule und zumindest eine weitere Empfangsspule aufweisen. Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, unter Verwendung der weiteren Sendespule Wirbelströme im weiteren Sensorgeber zu induzieren, unter Verwendung der weiteren Empfangsspule ein von der weiteren Winkelposition abhängiges, durch die Wirbelströme erzeugtes weiteres elektromagnetisches Gegenfeld zu empfangen und unter Verwendung des empfangenen weiteren Gegenfelds eine weitere Winkelposition des weiteren Nehmerzahnrads zu bestimmen. Die Auswerteelektronik kann ferner dazu ausgebildet sein, unter Verwendung der Winkelposition und der weiteren Winkelposition eine Winkeldifferenz zwischen der Winkelposition und der weiteren Winkelposition zu bestimmen. Der Winkelsensor mit zwei unabhängigen Nehmerzahnrädern und zwei Sensorgebern kann als Differenzwinkelsensor bezeichnet werden.The angle sensor can have a further slave gear and a further sensor transmitter coupled to the further slave gear. The further slave gear can be rotatably mounted in the angle sensor together with the further sensor transmitter. The further slave gear with the further sensor transmitter can be rotatable independently of the other slave gear and the other sensor transmitter. The further slave gear can be designed to engage, in particular without play, in a further gear carrier at a further tapping point, to roll on the further gear carrier when the position of the further gear carrier changes, and to transmit a resulting further angular position to the further sensor transmitter. The evaluation unit can be arranged between the sensor transmitter and the further sensor transmitter and can have at least one further transmitting coil and at least one further receiving coil. The evaluation unit can be configured to induce eddy currents in the additional sensor transmitter using the additional transmitting coil, to receive a further electromagnetic counterfield generated by the eddy currents, dependent on the additional angular position, using the additional receiving coil, and to determine a further angular position of the additional slave gear using the received additional counterfield. The evaluation electronics can further be configured to determine an angular difference between the angular position and the additional angular position using the angular position and the additional angular position. The angle sensor with two independent slave gears and two sensor transmitters can be referred to as a differential angle sensor.

Der Verzahnungsträger kann ein an einem Ausgangsschaft einer Lenkung eines Fahrzeugs angeordnetes Ausgangsritzel sein. Der weitere Verzahnungsträger kann ein an einem Eingangsschaft der Lenkung angeordnetes Eingangsritzel sein. Der Eingangsschaft und der Ausgangsschaft können durch eine Torsionsfeder miteinander gekoppelt sein. Die Auswerteeinheit kann dazu ausgebildet sein, aus der Winkeldifferenz und einer Federrate der Torsionsfeder ein an der Torsionsfeder angreifendes Torsionsmoment zu bestimmen. Der Winkelsensor kann somit als Drehmoment-Winkelsensor bezeichnet werden. Unter Verwendung des Drehmoment-Winkelsensors kann beispielsweise gleichzeitig ein Lenkwinkel und ein Lenkmoment gemessen werden.The gear carrier can be an output pinion arranged on an output shaft of a vehicle's steering system. The further gear carrier can be an input pinion arranged on an input shaft of the steering system. The input shaft and the output shaft can be coupled to one another by a torsion spring. The evaluation unit can be configured to determine a torsional moment acting on the torsion spring from the angle difference and a spring rate of the torsion spring. The angle sensor can thus be referred to as a torque-angle sensor. Using the torque-angle sensor, for example, a steering angle and a steering torque can be measured simultaneously.

Die Sensorgeber können unterschiedlich viele Segmente aufweisen. Unterschiedliche viele Segmente ermöglichen eine Noniuskalkulation. Durch unterschiedlich viele Segmente kann für jede Winkelposition eine eindeutige Kombination aus Eingangswinkelposition und Ausgangswinkelposition gemessen werden. Damit kann der Winkelsensor über eine volle Umdrehung eindeutig unterscheidbar die Winkelpositionen als Absolutwert erfassen beziehungsweise sind, entsprechend der Kombination und Anzahl der Segmente der Sensorgeber, Teilsegmente einer Umdrehung eindeutig unterscheidbar.The sensor encoders can have different numbers of segments. Different numbers of segments enable vernier calculations. By using different numbers of segments, a unique combination of input and output angle positions can be measured for each angular position. This allows the angle sensor to clearly distinguish the angular positions as absolute values over a full revolution, or, depending on the combination and number of segments in the sensor encoders, to clearly distinguish sub-segments of a revolution.

Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale des Steuergeräts und des Verfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.It should be noted that some of the possible features and advantages of the invention are described herein with reference to different embodiments. A person skilled in the art will recognize that the features of the control device and the method can be combined, adapted, or interchanged as appropriate to achieve further embodiments of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
3 zeigt eine räumliche Darstellung eines Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, wherein neither the drawings nor the description are to be construed as limiting the invention.

1 shows a sectional view of an angle sensor according to an embodiment;
2 shows a cross-sectional view of an angle sensor according to an embodiment; and
3 shows a spatial representation of an angle sensor according to an embodiment.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Merkmale.The figures are merely schematic and not to scale. Like reference numerals denote like or equivalent features.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Winkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Winkelsensor 100 weist ein drehbar im Winkelsensor 100 gelagertes Nehmerzahnrad 102 mit einem drehfest mit dem Nehmerzahnrad 102 gekoppelten induktiven Sensorgeber 104, sowie eine Auswerteeinheit 106 mit zumindest einer Sendespule 108, zumindest einer Empfangsspule 110 und einer Signalverarbeitungseinrichtung 112 auf. 1 shows a sectional view of an angle sensor 100 according to an exemplary embodiment. The angle sensor 100 has a slave gear 102 rotatably mounted in the angle sensor 100, with an inductive sensor transmitter 104 rotationally coupled to the slave gear 102, as well as an evaluation unit 106 with at least one transmitting coil 108, at least one receiving coil 110, and a signal processing device 112.

Der Winkelsensor 100 ist in einem Gehäuse 114 angeordnet. An einer Seite des Winkelsensors 100 weist das Gehäuse 114 eine Aussparung auf, durch die ein Verzahnungsträger 116 in das Gehäuse 114 ragt. Das Nehmerzahnrad 102 ist mit dem Verzahnungsträger 116 verzahnt. Dabei weisen das Nehmerzahnrad 102 und der Verzahnungsträger 116 zueinander passende Verzahnungen auf, sodass das Nehmerzahnrad 102 gedreht wird, wenn sich der Verzahnungsträger 116 relativ zum Winkelsensor 100 bewegt. Wenn das Nehmerzahnrad 102 gedreht wird, wird auch der Sensorgeber 104 in eine andere Winkelposition gedreht. Die Auswerteeinheit 106 erfasst die Winkelposition indem unter Verwendung der zumindest einen Sendespule 108 und einem Wechselstromsignal Wirbelströme im Sensorgeber 104 induziert werden und ein durch die Wirbelströme verursachtes Gegenfeld unter Verwendung der zumindest einen Empfangsspule 110 empfangen und in der Signalverarbeitungseinrichtung 112 ausgewertet wird. Das Gegenfeld bildet dabei die Winkelposition des Sensorgebers 104 ab. Eine in der Empfangsspule 110 induzierte Wechselspannung ändert sich bei einer Drehung des Sensorgebers 104, also einer Änderung der Winkelposition.The angle sensor 100 is arranged in a housing 114. On one side of the angle sensor 100, the housing 114 has a recess through which a gear carrier 116 protrudes into the housing 114. The slave gear 102 is toothed with the gear carrier 116. The slave gear 102 and the gear carrier 116 have matching teeth, so that the slave gear 102 is rotated when the gear carrier 116 moves relative to the angle sensor 100. When the slave gear 102 is rotated, the sensor transmitter 104 is also rotated to a different angular position. The evaluation unit 106 detects the angular position by inducing eddy currents in the sensor transmitter 104 using the at least one transmitting coil 108 and an alternating current signal. A counter-field caused by the eddy currents is received using the at least one receiving coil 110 and evaluated in the signal processing device 112. The counter-field represents the angular position of the sensor transmitter 104. An alternating voltage induced in the receiving coil 110 changes when the sensor transmitter 104 rotates, i.e., when the angular position changes.

Das Gehäuse 114 weist an einer Außenseite einen Kabelausgang 118 zum elektrischen Kontaktieren des Winkelsensors 100 auf. Der Kabelausgang 118 kann beispielsweise als Steckverbinder oder Kabelschwanz ausgeführt sein. The housing 114 has a cable outlet 118 on its outer side for electrically contacting the angle sensor 100. The cable outlet 118 can be designed, for example, as a connector or a cable tail.

Hier ist der Verzahnungsträger 116 ein drehfest mit einer Welle 120 gekoppeltes Ritzel, also auch ein Zahnrad. Der Verzahnungsträger 116 kann jedoch ebenso eine Zahnstange sein.Here, the gear carrier 116 is a pinion, i.e., also a gear, that is non-rotatably coupled to a shaft 120. However, the gear carrier 116 can also be a rack.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Winkelsensor 100 ein Satellitenrad 122 und einen Satellitenradsensor 124 auf. Der Satellitenradsensor 124 ist Bestandteil der Auswerteeinheit 106. Das Satellitenrad 122 ist hier ein Zahnrad und kämmt hier mit dem Nehmerzahnrad 102. Das Satellitenrad 122 kann jedoch auch mit einem anderen Teil des drehbaren Bauteils aus Nehmerzahnrad 102 und Sensorgeber 104 kämmen oder daran abrollen.In one embodiment, the angle sensor 100 has a satellite wheel 122 and a satellite wheel sensor 124. The satellite wheel sensor 124 is part of the evaluation unit 106. The satellite wheel 122 is a gear here and meshes with the slave gear 102. However, the satellite wheel 122 can also mesh with or roll on another part of the rotatable component consisting of the slave gear 102 and the sensor transmitter 104.

Das Satellitenrad 122 weist einen wesentlich geringeren Radius als das Nehmerzahnrad 102 auf. Dadurch wird die Drehbewegung des Nehmerzahnrads 122 auf eine höhere Drehzahl übersetzt. Der Satellitenradsensor 124 erfasst eine Stellung des Satellitenrads 122. Unter Verwendung der Stellung des Satellitenrads 122 und der Winkelposition des Nehmerzahnrads 102 können identische Winkelpositionen des Nehmerzahnrads 102 über mehrere Umdrehungen des Nehmerzahnrads 102 eindeutig unterschieden werden, Die Winkelposition also über die mehreren Umdrehungen des Nehmerzahnrads 102 hinweg eindeutig erfasst werden.The satellite gear 122 has a significantly smaller radius than the slave gear 102. This translates the rotational movement of the slave gear 122 to a higher speed. The satellite gear sensor 124 detects a position of the satellite gear 122. Using the position of the satellite gear 122 and the angular position of the slave gear 102, identical angular positions of the slave gear 102 can be clearly distinguished over several revolutions of the slave gear 102. The angular position can therefore be clearly detected over the several revolutions of the slave gear 102.

Das Nehmerzahnrad 102 weist ebenfalls einen kleineren Radius auf als das Ritzel. Dadurch wird eine Drehbewegung des Ritzels mit einem resultierenden Übersetzungsverhältnis verstärkt. Durch die Übersetzung weist der Winkelsensor 100 eine erhöhte Auflösung auf oder kann zum Erreichen der gleichen Auflösung einfacher gestaltet sein.The slave gear 102 also has a smaller radius than the pinion. This amplifies the rotational movement of the pinion with a resulting gear ratio. Due to the gear ratio, the angle sensor 100 has an increased resolution or can be designed more simply to achieve the same resolution.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 114 steckbar und in ein Lenkungsgehäuse 126 eines Fahrzeugs eingesteckt. Dabei ist die Welle 120 eine Lenksäule des Fahrzeugs und der Winkelsensor 100 ist ein Lenkwinkelsensor des Fahrzeugs. Durch das steckbare Gehäuse 114 kann der komplette Winkelsensor 100 einfach und schnell getauscht werden, falls ein Defekt vorliegen sollte. Dabei ist ein Tausch der Lenkung unnötig.In one embodiment, the housing 114 is pluggable and inserted into a steering housing 126 of a vehicle. The shaft 120 is a steering column of the vehicle, and the angle sensor 100 is a steering angle sensor of the vehicle. The pluggable housing 114 allows the entire angle sensor 100 to be easily and quickly replaced in the event of a defect. Replacing the steering is unnecessary.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Winkelsensor 100 ein weiteres Nehmerzahnrad 100 und einen weiteren Sensorgeber 104 auf. Das weitere Nehmerzahnrad 102 kämmt mit einem weiteren Verzahnungsträger 116. Die Auswerteeinheit 106 weist zumindest eine weitere Sendespule 108 und zumindest eine weitere Empfangsspule 110 auf. Beide Nehmerzahnräder 102 und Sensorgeber 104 sind drehbar im Gehäuse 114 gelagert. Die Nehmerzahnräder 102 und Sensorgeber 104 sind koaxial zueinander angeordnet. Die Auswerteeinheit 106 ist auf einer Leiterplatte zwischen den Sensorgebern 104 angeordnet. Die Sendespulen 108 und die Empfangsspulen 110 sind jeweils auf beiden Seiten der Leiterplatte angeordnet.In one embodiment, the angle sensor 100 has a further slave gear 102 and a further sensor transmitter 104. The further slave gear 102 meshes with a further gear carrier 116. The evaluation unit 106 has at least one further transmitting coil 108 and at least one further receiving coil 110. Both slave gears 102 and sensor transmitter 104 are rotatably mounted in the housing 114. The slave gears 102 and sensor transmitter 104 are arranged coaxially to one another. The evaluation unit 106 is arranged on a circuit board between the sensor transmitters 104. The transmitting coils 108 and the receiving coils 110 are each arranged on both sides of the circuit board.

In einem Ausführungsbeispiel kämmt das eine Nehmerzahnrad 102 mit einem Ritzel auf einer Ausgangswelle der Lenkung. Das weitere Nehmerzahnrad 102 kämmt mit einem Ritzel auf einer Eingangswelle der Lenkung. Die Eingangswelle und die Ausgangswelle sind über eine Torsionsfeder 128 miteinander verbunden. Wenn ein Drehmoment auf die Lenkung ausgeübt wird, verdreht sich die Torsionsfeder 128, wobei ein Torsionswinkel der Torsionsfeder 128 proportional zu dem Drehmoment ist. Der Torsionswinkel wird von dem Winkelsensor 100 als Unterschied der Winkelposition zwischen dem einen Nehmerzahnrad 102 und dem anderen Nehmerzahnrad 102 erfasst. Der Winkelsensor 100 ist also ein Winkel-Drehmomentsensor der Lenkung.In one embodiment, one slave gear 102 meshes with a pinion on an output shaft of the steering system. The other slave gear 102 meshes with a pinion on an input shaft of the steering system. The input shaft and the The output shafts are connected to each other via a torsion spring 128. When a torque is applied to the steering, the torsion spring 128 twists, with a torsion angle of the torsion spring 128 being proportional to the torque. The torsion angle is detected by the angle sensor 100 as the difference in angular position between one slave gear 102 and the other slave gear 102. The angle sensor 100 is therefore an angular torque sensor of the steering.

2 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Winkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Winkelsensor 100 entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Winkelsensor. Hier ist der Lenkwinkelsensor 100 rechtwinklig zu einer Schnittebene in 1 geschnitten dargestellt. Das Nehmerzahnrad 102 kämmt mit dem Verzahnungsträger 116 an einer Abgriffstelle 200. Die Verzahnung des Nehmerzahnrads 102 und/oder des Verzahnungsträgers 116 ist spielfrei ausgeführt. Beispielsweise können zumindest zwei Teilverzahnungen des Nehmerzahnrads 102 und/oder des Verzahnungsträgers 116 gegeneinander federnd verspannt sein. So kann ein Wechselspiel eliminiert werden. 2 shows a cross-sectional view of an angle sensor 100 according to an embodiment. The angle sensor 100 essentially corresponds to the 1 Here, the steering angle sensor 100 is perpendicular to a cutting plane in 1 Shown in section. The slave gear 102 meshes with the gear carrier 116 at a tapping point 200. The teeth of the slave gear 102 and/or the gear carrier 116 are designed to be backlash-free. For example, at least two partial toothings of the slave gear 102 and/or the gear carrier 116 can be resiliently clamped against one another. This eliminates backlash.

Das Satellitenrad 122 ist schräg versetzt zum Nehmerzahnrad 102 angeordnet. So kann ein Bauraum im Gehäuse 114 optimiert werden. Die Leiterplatte mit der Auswerteeinheit 106 erstreckt sich hier auch über den Bereich des Satellitenrads 122. Der Satellitenradsensor ist so ebenso auf der Leiterplatte integriert.The satellite gear 122 is arranged at an angle to the slave gear 102. This allows for optimized installation space in the housing 114. The circuit board with the evaluation unit 106 also extends over the area of the satellite gear 122. The satellite gear sensor is thus also integrated on the circuit board.

3 zeigt eine räumliche Darstellung eines Winkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Winkelsensor 100 entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in 1. Der Winkelsensor 100 ist dabei einmal als Explosionsdarstellung und einmal in zusammengebautem Zustand dargestellt. Im Gegensatz dazu weist der Winkelsensor 100 eine Satellitengetriebestufe 300 auf. 3 shows a spatial representation of an angle sensor 100 according to an embodiment. The angle sensor 100 essentially corresponds to the representation in 1 The angle sensor 100 is shown once as an exploded view and once in an assembled state. In contrast, the angle sensor 100 has a satellite gear stage 300.

Das Satellitenrad 122 greift dabei in ein eigenes Ritzel 302 ein. Das Satellitenrad 122 kann so feiner verzahnt sein als das Nehmerzahnrad 102. Das Satellitenrad 122 kann dadurch einen geringen Durchmesser aufweisen.The satellite gear 122 engages with its own pinion 302. The satellite gear 122 can thus have a finer tooth pitch than the slave gear 102. The satellite gear 122 can therefore have a smaller diameter.

Das Nehmerzahnrad 102 und der Sensorgeber 104 sind hier auf einem groß dimensionierten Gleitlager 304 gelagert. Das Gleitlager 304 verhindert Verkippungen des Nehmerzahnrads 102 und des Sensorgebers 104, wodurch die Auswerteinheit 106 in geringem Abstand zum Sensorgeber 104 angeordnet sein kann.The slave gear 102 and the sensor transmitter 104 are mounted here on a large-dimensioned plain bearing 304. The plain bearing 304 prevents tilting of the slave gear 102 and the sensor transmitter 104, whereby the evaluation unit 106 can be arranged at a short distance from the sensor transmitter 104.

Das Gehäuse 114 ist steckbar ausgeführt und kann über Verschraubungen in einem Steckplatz gesichert werden.The housing 114 is designed to be pluggable and can be secured in a slot using screw connections.

Nachfolgend werden mögliche Ausgestaltungen der Erfindung nochmals zusammengefasst bzw. mit einer geringfügig anderen Wortwahl dargestellt.In the following, possible embodiments of the invention are summarized again or presented with slightly different wording.

Es wird ein servicefähiger induktiver Drehmoment-Winkel-Sensor mit im Feld tauschbarer Hardware/Elektronik vorgestellt.A serviceable inductive torque-angle sensor with field-replaceable hardware/electronics is presented.

Aktuelle Sensorelektroniken in der elektrischen Lenkung können nicht als Einzelkomponente über den Produktlebenszyklus ausgetauscht werden. Bei Sensordefekten wird dann die Sensorelektronik im Verbund mit dem kompletten Lenksystem ausgetauscht. Dadurch können erhebliche Kosten entstehen. Durch eine tauschbare Sensorelektronik kann die Lebensdauer des Lenkungssystems erhöht werden. Durch planbare Serviceabstände können Kosten minimiert werden. Ebenso kann ein Wartungsprogramm erweitert werden.Current sensor electronics in electric steering systems cannot be replaced as individual components over the product life cycle. In the event of sensor failure, the sensor electronics are replaced along with the entire steering system. This can result in significant costs. Replaceable sensor electronics can extend the service life of the steering system. Plannable service intervals can minimize costs. A maintenance program can also be expanded.

In aktuellen induktiven Sensoren ist der maximale Drehstab Torsionswinkel für die Drehmomentmessung üblicherweise begrenzt auf ± 4° bis 7°. Der Sensor soll diesen Verdrehwinkelbereich so hoch wie möglich auflösen, um eine optimale Sensorperformance zu erreichen. Durch die hier beschriebene Anordnung ist es möglich, den zu messenden Verdrehwinkel zu skalieren und somit die Auflösung und Genauigkeit des Sensors zu erhöhen.In current inductive sensors, the maximum torsion angle for torque measurement is typically limited to ± 4° to 7°. The sensor should have the highest possible resolution within this torsion angle range to achieve optimal sensor performance. The arrangement described here makes it possible to scale the torsion angle to be measured, thus increasing the resolution and accuracy of the sensor.

In bekannten Umsetzungen eines induktives Drehmomentsensors wird die Sensorperformance stark durch die im Betrieb auftretenden Positionstoleranzen (axial/radial/Verkippung) der induktiven Rotoren zur korrespondierenden Elektronik (Spulen) beeinflusst. Eine deutliche Verbesserung wird bei dem hier vorgestellten Ansatz erreicht, indem die Rotoren und Elektronik in einer geschlossenen Einheit optimal zueinander gelagert werden und durch die Entkopplung zur Lenkwelle über das Getriebe ein Großteil der auftretenden axialen und radialen Störbewegungen reduziert oder eliminiert werden kann.In known implementations of an inductive torque sensor, the sensor performance is strongly influenced by the positional tolerances (axial/radial/tilt) of the inductive rotors and the corresponding electronics (coils) that occur during operation. A significant improvement is achieved with the approach presented here by optimally mounting the rotors and electronics in a closed unit. By decoupling the rotors from the steering shaft via the gearbox, a large portion of the occurring axial and radial disturbances can be reduced or eliminated.

Dies wird in der beschriebenen Anordnung durch den Einsatz eines spielfreien Getriebes mit entsprechender Übersetzung und Entkoppelung von Sensoreinheit- /Lenkwelle/-Torsionsstab und Messort erreicht. Dadurch wird der Verdrehwinkelbereich auf Messortseite entsprechend der Übersetzung um ein Vielfaches erhöht.
Die Spielfreiheit des Getriebes ist für die Sensor Genauigkeit eine der Schlüsseleigenschaften und kann durch z.B. geschlitzte/vorgespannte Zahngeometrie, angefederte Doppel-Zahnrad Designs oder andere Verzahnungsarten und Zahnraddesigns erreicht werden, die das Spiel minimieren beziehungsweise eliminieren.In the described arrangement, this is achieved by using a backlash-free gearbox with the appropriate gear ratio and decoupling of the sensor unit/steering shaft/torsion bar from the measuring point. This increases the angle of rotation at the measuring point side several times over, depending on the gear ratio.
The backlash-free nature of the gear is one of the key properties for the sensor accuracy and can be achieved by e.g. slotted/preloaded tooth geometry, spring-loaded double gear designs or other toothing types and gear designs which minimize or eliminate the game.

Der hier vorgestellte induktive Drehmoment-Winkel-Sensor ist servicefähig. Die Tauschbarkeit der Sensorelektronik gewährleistet die Funktion des Gesamtsystems der Lenkung mit einem geringeren Zeitaufwand der Reparatur sowie geringeren Kosten für den Endkunden. Null km Ausfälle der Lenkung könnten auch günstiger behoben werden als die gesamte Lenkung zu tauschen. Der Austausch nur der defekten Komponente einer Lenkung verbessert die Nachhaltigkeit.The inductive torque-angle sensor presented here is serviceable. The replaceability of the sensor electronics ensures the functionality of the entire steering system, reducing repair time and costs for the end customer. Zero-mileage steering failures can also be repaired more cost-effectively than replacing the entire steering system. Replacing only the defective component of a steering system improves sustainability.

Durch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes kann die Auflösung und Genauigkeit der Drehmomentmessung verbessert werden. Demnach werden aus den maximalen ± 4° bis 7° am Torsionsstab ein Vielfaches an Verdrehwinkel auf der Sensorseite. Um die erhöhte Genauigkeit zu erreichen, können spielfreie Verzahnungsgeometrien eingesetzt werden, um eine minimale Hysterese zu gewährleisten.The gear ratio of the gearbox can improve the resolution and accuracy of the torque measurement. Thus, the maximum ± 4° to 7° on the torsion bar results in a multiple of this angle of rotation on the sensor side. To achieve this increased accuracy, backlash-free gear geometries can be used to ensure minimal hysteresis.

Der grundlegende Aufbau des Sensors sieht vor, den Ort der Drehstab-Torsion und Lenkwellen-Rotation von der Sensoreinheit auf ein externes Sensormodul zu verlagern. Zur Übertragung von Ritzel zu Messort ist ein Getriebe mit spielfreien Zahnrädern vorgesehen. Hier wird zusätzlich durch ein Übersetzungsverhälts z.B. 1:2 die Drehstab-Torsion und Lenkwellen-Rotation des Ritzels auf der Sensormodul Seite vergrößert, was zu einer erhöhten Auflösung und Genauigkeit führt.The basic design of the sensor involves shifting the location of the torsion bar torsion and steering shaft rotation from the sensor unit to an external sensor module. A gearbox with backlash-free gears is used to transmit the signal from the pinion to the measurement location. Here, a gear ratio of 1:2, for example, amplifies the torsion bar torsion and steering shaft rotation of the pinion on the sensor module side, resulting in increased resolution and accuracy.

Der Sensor ist ein Modul, welches radial von außen steckbar im Lenkungsgehäuse „angebracht“ werden kann Dieses Sensormodul/Elektronik ist dadurch austauschbar. Das Sensormodul ist derart gelagert, dass es in die Zahnräder des Ritzels spielfrei eingreifen kann.The sensor is a module that can be radially plugged into the steering housing from the outside. This sensor module/electronics is therefore replaceable. The sensor module is mounted in such a way that it can mesh with the pinion gears without any play.

Bei dem vorgestellten Sensormodul sind die Getriebe Zahnräder am Input Schaft sowie am Output Schaft angebracht. Sensorseitige Zahnräder des Getriebes sind je auf einer internen Welle gelagert. Jedes Zahnrad des Getriebes trägt jeweils einen induktiven Rotor bzw. hat diesen direkt integriert. Die induktiven Rotoren der Eingangs-/Ausgangswelle haben z.B. eine 9/6 oder 8/3 Flügel Anordnung. Am Zahnrad der Ausgangswelle ist in einem Ausführungsbeispiel ein Satellitenrad im Eingriff, mit dem eine TPO (True power on) Lenkwinkelinformation über eine Nonius Kalkulation realisiert werden kann.In the sensor module presented here, the transmission gears are attached to the input shaft and the output shaft. The sensor-side gears of the transmission are each mounted on an internal shaft. Each gear of the transmission carries an inductive rotor or has one directly integrated. The inductive rotors of the input/output shafts have, for example, a 9/6 or 8/3 vane arrangement. In one embodiment, a satellite gear meshes with the gear of the output shaft, which can be used to generate TPO (True Power On) steering angle information using a vernier scale.

Ein Gehäuse trägt die gesamten Komponenten des Sensors. In der Mitte des Sensors befindet sich die kompakte Leiterplatte des Sensors. Auf ihr sind auf beiden Seiten Sender- und Empfängerspulen angebracht, sowie alle elektrischen Bauteile, darunter auch die induktiv ASICs, deren äußere Beschaltung und der Winkelbaustein. Die Herstellung der Leiterplatte kann durch dieses Design vereinfacht werden. Die Leiterplatte ist elektrisch verbunden mit dem Sensorkabel. Durch das Einschieben in das Lenkungsgehäuse ist die Elektronik zusätzlich vor EMV geschützt, was die gesamte Technik robuster gegenüber Einstrahlung gestaltet.A housing carries all the sensor components. The sensor's compact circuit board is located in the center of the sensor. The transmitter and receiver coils are mounted on both sides of this board, as well as all electrical components, including the inductive ASICs, their external circuitry, and the angle module. This design simplifies circuit board production. The circuit board is electrically connected to the sensor cable. By inserting it into the steering housing, the electronics are additionally protected against EMC, making the entire technology more robust against radiation.

Jeweils über und unter der PCBA sind die Rotoren angeordnet. Diese sind jeweils in/an dem Zahnrad eingebettet/angebracht. Um kein Spiel in der Achse zu haben sind die Zahnräder auf einer nicht magnetischen Führung angebunden. Die Zahnräder können sich unterschiedlich zueinander Drehen, axial und radial sind sie fixiert/limitiert und das Spiel ist minimiert. Auch das Satellitenrad ist mit einer Welle rotationsbeweglich im Sensor verbaut. Auch dieses Zahnrad ist radial und axial fixiert.The rotors are arranged above and below the PCBA. These are embedded in/attached to the gear. To prevent any play in the axis, the gears are mounted on a non-magnetic guide. The gears can rotate differently relative to each other; they are fixed/limited axially and radially, and play is minimized. The satellite gear is also installed in the sensor via a shaft that allows rotation. This gear is also fixed radially and axially.

Durch diesen Aufbau kann der Abstand zwischen PCB und Rotor bewegungsunabhängig gewährleistet werden und deshalb Messtoleranzen verkleinert werden. Ebenso kann der Abstand zwischen Satellitenzahnrad und Induktivrotor-Zahnrad sehr genau gewährleistet werden. Alternativ kann das Übersetzungsverhältnis auch 1:1 gewählt werden.This design allows the clearance between the PCB and the rotor to be maintained independently of movement, thus reducing measurement tolerances. Likewise, the clearance between the satellite gear and the inductive rotor gear can be maintained with great precision. Alternatively, a 1:1 gear ratio can also be selected.

Der hier vorgestellte Sensor kann beispielsweise bei elektronischen Lenkungen von KFZ und NFZ, wie Bau und Landmaschinen, sowie zur Drehmomentmessung aller Art bei Fahrzeugen, in der Industrie (Fertigung) und/oder am Fahrrad verwendet werden. Der Sensor kann ebenso zur Winkelmessung aller Art, bei Fahrzeugen, im Verkehr, in der Industrie (Fertigung), am Fahrrad und/oder im Konsumbereich verwendet werden. Der Sensor kann ebenso zur linearen Wegmessung aller Art verwendet werden.The sensor presented here can be used, for example, in electronic steering systems of cars and commercial vehicles, as well as in construction and agricultural machinery, as well as for all types of torque measurement in vehicles, in industry (manufacturing), and/or on bicycles. The sensor can also be used for all types of angle measurement in vehicles, in traffic, in industry (manufacturing), on bicycles, and/or in the consumer sector. The sensor can also be used for all types of linear displacement measurement.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.Finally, it should be noted that terms such as "comprising," "having," etc., do not exclude other elements or steps, and terms such as "a" or "an" do not exclude a plurality. Reference signs in the claims are not to be considered limiting.

Claims

Angle sensor (100) for detecting a position of a gear carrier (116), wherein the angle sensor (100) has a slave gear (102) and an inductive sensor transmitter (104) coupled to the slave gear (102), as well as an evaluation unit (106) with at least one transmitting coil (108) and at least one receiving coil (110), wherein the slave gear (102) with the sensor transmitter (104) is rotatably mounted in the angle sensor (100) and the slave gear (102) is designed to is to engage in the toothed carrier (116), to roll on the toothed carrier (116) when the position of the toothed carrier (116) changes, and to transmit a resulting angular position to the sensor transmitter (104), wherein the evaluation unit (106) is designed to induce eddy currents in the sensor transmitter (104) using the transmitting coil (108), to receive an electromagnetic opposing field generated by the eddy currents, which is dependent on the angular position, using the receiving coil (110), and to determine the angular position using the received opposing field.

Angle sensor (100) according to Claim 1 , with at least one satellite wheel (122) and a satellite wheel sensor (124), wherein the satellite wheel (122) is rotatably mounted in the angle sensor (100) and engages with the slave gear (102), wherein the angular position of the slave gear (102) is transmitted via a satellite transmission into a satellite angular position of the satellite wheel (122), wherein the satellite wheel sensor (124) is designed to detect the satellite angular position and the evaluation unit (106) is further designed to determine complete revolutions of the slave gear (102) using the satellite angular position.

Angle sensor (100) according to one of the preceding claims, with a pluggable housing (114) enclosing the slave gear (102), the sensor transmitter (104) and the evaluation unit (106), wherein the housing (114) can be plugged into a slot and positions the slave gear (102) in the plugged-in state such that it engages in the gear carrier (116).

Angle sensor (100) according to one of the preceding claims, in which the slave gear (102) is mounted with the sensor transmitter (104) radially and axially without play.

Angle sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the sensor transmitter (104) is integrated into a base body of the slave gear (102).

Angle sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the toothed carrier (116) is a toothed rack movable relative to the angle sensor (100).

Angle sensor (100) according to one of the Claims 1 until 5 , in which the toothed carrier (116) is a pinion arranged on a shaft (120).

Angle sensor (100) according to one of the preceding claims, with a further slave gear (102) and a further sensor transmitter (104) coupled to the further slave gear (102), wherein the further slave gear (102) is rotatably mounted in the angle sensor (100) with the further sensor transmitter (104), wherein the further slave gear (102) is designed to engage in a further toothed carrier (116), to roll on the further toothed carrier (116) in the event of a position change of the further toothed carrier (116) and to transmit a resulting further angular position to the further sensor transmitter (104), wherein the evaluation unit (106) is arranged between the sensor transmitter (104) and the further sensor transmitter (104) and has at least one further transmitting coil (108) and at least one further receiving coil (110), wherein the evaluation unit (106) is designed to, using the further transmitting coil (108) to induce eddy currents in the further sensor transmitter (104), using the further receiving coil (110) to receive a further electromagnetic counterfield generated by the eddy currents and dependent on the further angular position, and using the received further counterfield to determine a further angular position of the further slave gear (102).

Angle sensor (100) according to Claim 7 and 8 , in which the toothed carrier (116) is an output pinion arranged on an output shaft of a steering system of a vehicle, and the further toothed carrier (102) is an input pinion arranged on an input shaft of the steering system, the input shaft and the output shaft being coupled to one another by a torsion spring (128).

Angle sensor (100) according to one of the Claims 8 until 9 , in which the sensor transmitters (104) have different numbers of segments.

Method for operating an angle sensor (100) according to one of the Claims 1 until 10 , wherein the evaluation unit (106) supplies the at least one transmitting coil (108) with alternating current in order to induce eddy currents in the sensor transmitter (104) and, using the at least one receiving coil (110), receives and evaluates an alternating voltage signal which represents a resulting opposing field of the eddy currents which is dependent on the angular position in order to determine the angular position.