用于确定旋转元件的至少一个旋转特性的传感器装置和方法与流程

本发明涉及一种用于确定旋转元件的至少一个旋转特性的传感器装置。

背景技术：

从现有技术已知大量传感器，所述传感器感测旋转元件的至少一个旋转特性。在此，旋转特性通常理解为至少部分地描述旋转元件的旋转的特性。在这里，例如可以是角速度、转速、角加速度、转动角度、角度位置或者能够描述旋转元件的连续或者不连续、均匀或者不均匀的旋转或转动的特征的其他特性。在konradreif(编者)：汽车中的传感器(sensorenimkraftfahrzeug)，2012年第2版，63-74页和120-129页中描述了这类传感器的例子。

例如可以借助于霍尔传感器确定内燃机的凸轮轴相对于具有所谓的相位传感器的曲轴的位置。典型地，在转动的轴上安装发送轮。当凸轮轴转动时，由霍尔传感器探测的齿部可以位于发送轮上。因此，在de102012213539a1中说明了一种用于确定内燃机的可调节的凸轮轴的相位位置的方法，该内燃机包括发送轮和凸轮轴调节器。参照由发送轮所引起的相位侧面中断(phasenflankeninterrupt)和取决于凸轮轴调节器的至少一个运行特征参数的模型确定凸轮轴的相位位置。

然而，这类方法不允许连续的位置感测。在360°的测量范围内的绝对角度感测是不可能的。分辨率同样由于所使用的发送轮的小直径而受到限制。通过小直径得出必须遵循的最小间隙尺寸。此外，绝对位置确定仅在动态的情况下、在发送轮转动时是可能的。因此，在电压供给装置接通时绝对位置值的瞬时可用性、即准确通电功能(true-power-on-funktion)是不存在的。尤其在内燃机的发动机启动时，不能准确获知位置。此外，这类方法具有相对于磁干扰场的高敏感性。

在us7,499,878b2中说明了一种感应式直线和旋转位置传感器。说明了一种具有励磁线圈和接收线圈的装置。励磁线圈通过励磁源激励并且产生磁流。接收线圈通过在励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合产生接收信号。

尽管通过这类传感器装置实现改进，但始终存在改进可能性。这类传感器装置可以具有复杂的结构。因此，传感器装置的简单的安装和拆卸尤其是不可能的。

技术实现要素：

因此，提出用于确定旋转元件的至少一个旋转特性的一种传感器装置和一种方法，所述传感器装置和方法至少在很大程度上避免已知的装置和方法的上述问题，尤其能够实现在360°的测量范围中对旋转元件的旋转特性、尤其是绝对角度的高分辨率的感测。

在本发明的第一方面，提出一种用于确定旋转元件的至少一个旋转特性的传感器装置。旋转特性一般可以理解为至少部分描述旋转元件的旋转的特性。在这里，例如可以是角速度、转速、角加速度、转动角度、角度位置或者能够描述旋转元件的连续或者不连续、均匀或者不均匀的旋转或转动的特征的其他特性。旋转特性例如可以是位置、尤其是角度位置。原则上，旋转元件可以理解为具有旋转轴线并且围绕该旋转轴线旋转的任意元件。旋转元件例如可以是在驱动机中的轴，例如凸轮轴。例如可以确定凸轮轴的角度位置。凸轮轴的角度位置可以理解为凸轮轴关于垂直于旋转轴线的轴线的转动角度。

传感器装置包括至少一个可与旋转元件连接的发送轮。旋转元件和发送轮具有旋转轴、尤其是共同的旋转轴。发送轮可以围绕旋转元件同轴地布置。发送轮可以具有圆柱形的基本形状。旋转轴可以是平行于圆柱的高度方向的对称轴。发送轮可以与旋转元件连接。发送轮可以例如通过至少一个固定元件固定在旋转元件上。发送轮可以同轴地固定在旋转元件上。在旋转元件的旋转运动过程中，发送轮可以与旋转元件共同旋转。发送轮的位置、尤其是角度位置可以相当于旋转元件的位置、尤其是角度位置。

传感器装置具有至少一个线圈组件。原则上，线圈组件可以理解为任意成形的装置，该装置具有至少一个线圈。线圈可以理解为设置成用于产生或检测磁场的构件。线圈组件包括至少一个励磁线圈和至少一个接收线圈。励磁线圈和接收线圈可以具有至少一个绕组。励磁线圈和接收线圈可以例如构型为例如由金属制成的导体轨线。励磁线圈可以理解为在激励时产生磁流的线圈。所述激励可以例如通过源、尤其是电流源实现。线圈组件可以具有带有至少一个绕组的励磁线圈。励磁线圈和接收线圈可以感应式地耦合。接收线圈可以理解为以下线圈，该线圈设置成用于根据在励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合产生取决于感应耦合的信号。感应耦合可以取决于发送轮的位置。发送轮可以由金属制造。发送轮可以在旋转运动过程中经过线圈组件的区域并且改变在励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合。接收线圈可以具有至少一个传感器线圈。在这里，接收线圈可以由一个线圈的两个部分匝组成，所述部分匝方向相反地取向。这意味着，在电流经过线圈时电流分别沿顺时针方向和逆着顺时针方向流过所述部分匝。线圈组件可以具有多个接收线圈，例如接收线圈系统、尤其是正弦/余弦系统或者多相系统。原则上也可以考虑其他线圈系统。传感器装置可以设置成用于形成正弦系统、余弦系统或者多相系统以便检测。

线圈组件布置在至少一个电路载体上。电路载体可以理解为设置成用于接收电子构件的装置。电路载体可以是平面的电路载体，例如印刷电路板、印制线路板、电路板或者印刷电路、尤其是printedcircuitboard(印刷电路板，pcb)。线圈组件例如可以被印刷在pcb上。

发送轮具有发送轮轮廓。发送轮可以具有圆柱形的基本形状。原则上，发送轮轮廓可以理解为发送轮的圆柱周面的任意成形的构型。圆柱周面例如可以具有至少一个突起部和/或至少一个凹槽。发送轮轮廓可以具有至少一个轮廓要素。轮廓要素例如可以是齿。轮廓要素可以是在发送轮的宽度上形成轮廓的迹道。在这里，发送轮的宽度可以理解为圆柱周面的高度。发送轮可以具有多个轮廓要素，这些轮廓要素尤其可以在发送轮的圆周上分布地布置。发送轮可以具有例如多个齿和/或至少一个形成轮廓的迹道。轮廓要素可以周期性地布置在发送轮的圆周上。轮廓要素可以等距地布置在圆周上。但是，原则上也可以考虑其他构型，例如轮廓要素非等距地布置的构型。

传感器装置设置成用于根据发送轮的位置确定在励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合的改变。传感器装置可以设置成用于由感应耦合的改变确定旋转元件的绝对位置。旋转元件的绝对位置的确定可以理解为相对于传感器装置的位置、尤其是角度位置的确定。感应耦合可以取决于发送轮的位置。发送轮可以在旋转运动过程中经过线圈组件的区域。这可能导致磁流的改变并且导致在励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合的改变。感应耦合可以根据发送轮轮廓而改变。例如感应耦合可以在轮廓要素的始端处和/或轮廓要素的末端处改变。接收线圈可以产生取决于感应耦合的信号。传感器装置可以设置成用于实现在接通电压供给时、例如在内燃机的发动机启动时旋转元件的绝对位置值的可用性、尤其是瞬时可用性(准确通电功能，true-power-on-funktion)。

传感器装置可以具有分析处理单元。分析处理单元可以具有至少一个分析处理电路，所述分析处理电路可以与线圈组件布置在共同的电路载体上或者可以与线圈组件分开地布置在另一电路载体上。分析处理单元可以包括数据处理装置。分析处理单元可以设置成用于接收接收线圈的信号并且确定发送轮的位置、尤其是角度位置。

电路载体与发送轮的旋转轴同轴地布置。“与发送轮的旋转轴同轴”可以理解为，电路载体在相对于凸轮轴的径向布置方面布置在一个围绕发送轮的圆柱周面上。电路载体至少部分圆形地围绕发送轮。“至少部分圆形地”可以理解为，电路载体不完全包围发送轮，而是覆盖发送轮的部分区域、尤其是圆弧段。电路载体例如可以具有张开角度。电路载体可以对应于张开角度覆盖发送轮的圆周的部分片断。传感器装置的绝对测量范围可以取决于电路载体的张开角度。这种布置尤其在传感器装置的安装和拆卸方面是有利的。原则上，也可以考虑其他构型，例如电路载体完全包围发送轮的构型。

电路载体可以包括多个线圈组件。电路载体例如可以具有第一区域和第二区域，在所述第一区域上布置有第一线圈组件，在所述第二区域上布置有第二线圈组件。

电路载体可以柔性地构型。例如电路载体可以是平面的电路载体，该平面的电路载体柔性地、尤其可弯曲地构型。电路载体可以包括柔性材料。电路载体例如可以是柔性的印刷电路板。电路载体例如可以是刚柔结合印刷电路板(starrflex-leiterplatte)、尤其是弯曲的刚柔结合印刷电路板。

电路载体可以具有至少两个平坦的面，其中，所述平坦的面可以相互成一角度地布置。电路载体可以是刚性的电路载体。电路载体可以具有至少一个连接元件，例如材料减弱部和/或凹槽，所述材料减弱部和/或凹槽使平坦的面相互连接。

电路载体可以布置在注塑壳体中。为了机械稳定，电路载体，例如包括传感器电路板和分析处理单元，可以布置在注塑壳体中。

传感器装置可以具有至少两个发送轮。此外，传感器装置可以具有至少两个线圈组件，其中，第一线圈组件可以与第一发送轮同轴地布置，并且第二线圈组件可以与第二发送轮同轴地布置。例如两个线圈组件、例如第一线圈组件和第二线圈组件可以布置在共同的电路载体上。第一线圈组件可以包括多个接收线圈、例如第一接收线圈系统。第二线圈组件可以包括多个接收线圈、例如第二接收线圈系统。

第一发送轮和第二发送轮可以具有相互不同的发送轮轮廓。第一发送轮例如可以具有这样的发送轮轮廓：在该发送轮廓的情况下，轮廓要素以第一周期性布置在第一发送轮上。第二发送轮可以具有这样的发送轮轮廓：在该发送轮廓的情况下，轮廓要素以不同于第一周期性的第二周期性布置。第一发送轮和第二发送轮可以具有相同的发送轮轮廓并且彼此错开地布置。第一发送轮和第二发送轮可以相互连接，例如第一发送轮和第二发送轮可以一件式地构型。分析处理和位置确定可以借助于游标(游尺)方法进行，在该游标(游尺)方法中尤其进行由多个信号内插得到测量值、尤其是位置值。因此，传感器装置的测量范围可以通过使用两个发送轮或者说两个周期性不同的发送轮轮廓和两个线圈组件来扩大到360°的测量范围。

在本发明的另一个方面，提出一种用于确定旋转元件的至少一个旋转特性的方法。在方法的定义和实施方式方面，可以参阅以上对在本发明的第一方面中所提出的传感器装置的实施方案。在所述方法中使用根据本发明的传感器装置。该传感器装置包括至少一个可与旋转元件连接的发送轮。旋转元件和发送轮具有旋转轴。传感器装置具有至少一个线圈组件。线圈组件包括至少一个励磁线圈和至少一个接收线圈。线圈组件布置在至少一个电路载体上。发送轮具有发送轮轮廓。在所述方法中，根据发送轮的位置确定励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合的改变。电路载体与发送轮的旋转轴同轴地布置。电路载体至少部分圆形地围绕发送轮。由感应耦合的改变可以确定旋转元件的绝对位置。所述方法可以实现在接通电压供给时的绝对位置值的瞬时可用性(准确通电功能)。

附图说明

从下面对优选实施例的说明得出本发明的其他可选择的细节和特征，所述优选实施例在附图中示意性地示出。

附图示出：

图1根据本发明的传感器装置的实施例的示意性视图；

图2根据本发明的线圈组件的示意性视图；

图3a和3b根据本发明的电路载体的各示意性视图；

图4a和4b具有发送轮轮廓的根据本发明的发送轮的实施例的示意性视图(图4a)和发送轮轮廓的另一实施例(图4b)的示意性视图；

图5a至5c以俯视图(图5a)、前视图(图5b)和立体示图(图5c)示出具有第一发送轮和第二发送轮的、根据本发明的传感器装置的实施例；和

图6a和6b电路载体的各实施方式，在该电路载体上布置有第一线圈组件和第二线圈组件。

具体实施方式

图1示出用于确定旋转元件112的至少一个旋转特性的、根据本发明的传感器装置110的实施例的示意性视图。传感器装置110例如可以设置成用于确定旋转元件112的角度位置。旋转元件112可以具有旋转轴114，该旋转轴在图1中进入到图像平面中地走向。旋转元件112例如可以是在驱动机中的轴、例如凸轮轴。例如可以确定凸轮轴的角度位置。

传感器装置110包括至少一个可与旋转元件112连接的发送轮116。旋转元件112和发送轮116具有旋转轴、例如共同的旋转轴114。发送轮116可以围绕旋转元件112同轴地布置。发送轮116可以具有圆柱形的基本形状。发送轮116可以与旋转元件112连接。在旋转元件112的旋转运动过程中，发送轮116可以与旋转元件112共同旋转，使得发送轮116的位置、尤其是角度位置相当于旋转元件112的位置、尤其是角度位置。

传感器装置110具有至少一个线圈组件118。图2示出根据本发明的线圈组件118的示意性视图。线圈组件118包括至少一个励磁线圈120和至少一个接收线圈122。励磁线圈120和接收线圈122可以具有至少一个绕组。励磁线圈120和/或接收线圈122可以例如构型为例如由金属制成的导体轨线。励磁线圈120可以在例如通过源、尤其是电流源激励时产生磁流。励磁线圈120和接收线圈122可以感应式地耦合。接收线圈122可以根据在励磁线圈和接收线圈之间的感应耦合产生取决于感应耦合的信号。所述感应耦合可以取决于发送轮116的位置。发送轮116可以由金属制造。发送轮116的运动在图2中由箭头124标出。发送轮116可以在旋转运动过程中经过线圈组件118的区域并且改变在励磁线圈120和接收线圈122之间的感应耦合。接收线圈可以具有至少一个传感器线圈126。在图2中示出一实施方式，在该实施方式中，接收线圈122包括传感器线圈126。该传感器线圈可以由一个线圈的两个部分匝组成，所述两个部分匝方向相反地取向。在电流经过传感器线圈126时，电流分别沿顺时针方向和逆着顺时针方向流过所述部分匝。线圈组件118可以具有多个接收线圈122，其中，传感器装置110可以设置成用于形成正弦系统、余弦系统或者多相系统以便检测。线圈组件118布置在至少一个电路载体128上。电路载体可以涉及平面的电路载体，例如是印刷电路板、印制线路板、电路板或者印刷电路、尤其printedcircuitboard(印刷电路板，pcb)。线圈组件118例如可以被印刷在pcb上。

电路载体128与发送轮116的旋转轴114同轴地布置。如在图1中所示，电路载体128在相对于凸轮轴的径向布置方面可以布置在以半径r围绕发送轮116的圆柱周面上。电路载体128至少部分圆形地围绕发送轮116。电路载体128可以覆盖发送轮116的部分区域、尤其一个圆弧段。电路载体128例如可以具有张开角度α。电路载体128可以对应于张开角度α覆盖发送轮116的圆周的部分片断。传感器装置110的绝对测量范围可以取决于电路载体128的张开角度α。

电路载体128可以包括多个线圈组件118。图3a和3b各示出根据本发明的电路载体128的示意性视图。

图3a示出一实施例，在该实施例中，电路载体128柔性地构型。例如电路载体128可以是平面的电路载体，该平面的电路载体柔性地、尤其可弯曲地构型。电路载体128可以包括柔性材料。电路载体128例如可以是柔性的印刷电路板。电路载体128例如可以是刚柔结合印刷电路板、尤其弯曲的刚柔结合印刷电路板。

图3b示出一实施例，在该实施例中，电路载体128具有至少两个平坦的面，这些平坦的面可以相互成一角度地布置。电路载体128可以是刚性的电路载体。电路载体128可以具有至少一个连接元件130，例如材料减弱部和/或凹槽，所述材料减弱部和/或凹槽设置成用于使平坦的面相互连接。电路载体128例如可以具有第一区域132和第二区域136，第一线圈组件134布置在所述第一区域上，第二线圈组件138布置在所述第二区域上。

电路载体128可以布置在注塑壳体中。为了机械稳定，电路载体，例如包括传感器电路板和分析处理单元，可以布置在注塑壳体中。

发送轮116具有发送轮轮廓140。图4a示出具有发送轮轮廓140的、根据本发明的发送轮116的示意性视图。在图4b中示出发送轮轮廓140的另一实施例。发送轮116可以具有圆柱形的基本形状。发送轮116的圆柱周面可以具有至少一个突起部和/或至少一个凹槽。发送轮轮廓140可以具有至少一个轮廓要素142。轮廓要素142例如可以是齿。轮廓要素142可以是在发送轮116的宽度上形成轮廓的迹道。发送轮116可以具有多个轮廓要素142，所述轮廓要素尤其可以在发送轮116的圆周上分布地布置。发送轮116例如可以具有多个齿和/或至少一个形成轮廓的迹道。轮廓要素142可以周期性地布置在发送轮116的圆周上。轮廓要素142可以等距地布置在圆周上。

传感器装置110设置成用于根据发送轮160的位置确定在励磁线圈120和接收线圈122之间的感应耦合的变化。传感器装置110可以设置成用于由感应耦合的变化确定旋转元件112的绝对位置。感应耦合可以取决于发送轮116的位置。发送轮116可以在相对运动过程中经过线圈组件118的区域。这可能导致磁流的改变并且导致在励磁线圈120和接收线圈122之间的感应耦合的改变。感应耦合可以根据发送轮轮廓140改变。感应耦合例如可以在轮廓要素142的始端处和/或轮廓要素142的末端处改变。接收线圈122可以产生取决于感应耦合的信号。传感器装置110的这类构型能够实现在接通电压供给时绝对位置值的可用性(准确通电功能)。

传感器装置110可以具有分析处理单元。分析处理单元可以具有至少一个分析处理电路，该分析处理电路可以与线圈组件118布置在共同的电路载体128上或者可以与线圈组件118分开地布置在另一电路载体128上。分析处理单元可以包括数据处理装置。分析处理单元可以设置成用于接收接收线圈122的信号并且确定发送轮116的位置、尤其是角度位置。

传感器装置110可以具有至少两个发送轮116。传感器装置110例如可以具有第一发送轮144和第二发送轮146。图5a示出第一发送轮144和第二发送轮146的布置的俯视图，其中，旋转轴114进入到附图平面中地示出。图5b示出相应的发送轮轮廓140的前视图。图5c示出该实施例的立体示图。第一发送轮144和第二发送轮146可以具有相互不同的发送轮轮廓。第一发送轮例如可以具有这样的发送轮轮廓：在该发送轮廓的情况下，轮廓要素以第一周期性布置在第一发送轮上。第二发送轮可以具有这样的发送轮轮廓：在该发送轮廓的情况下，轮廓要素以不同于第一周期性的第二周期性布置。第一发送轮144和第二发送轮146可以具有相同的发送轮轮廓并且彼此错开地布置。第一发送轮144和第二发送轮146可以相互连接，例如第一发送轮144和第二发送轮146可以一件式地构型。此外，传感器装置110可以具有至少两个线圈组件118。两个线圈组件例如可以布置在共同的电路载体128上。第一线圈组件148例如可以与第一发送轮144同轴地布置并且第二线圈组件150可以与第二发送轮146同轴地布置。图6a和6b分别示出电路载体128的实施方式，在该电路载体上布置有第一线圈组件148和第二线圈组件150。图6a示出一实施方式，在该实施方式中，第一线圈组件148和第二线圈组件150分别包括励磁线圈120和具有传感器线圈126的接收线圈122。图6b示出一实施方式，在该实施方式中，第一线圈组件148和第二线圈组件150具有共同的励磁线圈120。第一线圈组件148可以包括多个接收线圈122，例如第一接收线圈系统152、尤其是正弦系统/余弦系统。第二线圈组件150可以包括多个接收线圈122，例如第二接收线圈系统154、尤其是正弦系统/余弦系统。分析处理和位置确定可以借助于游标(游尺)方法进行，在该游标(游尺)方法中尤其进行由多个信号内插得到测量值、尤其是位置值。因此，传感器装置110的测量范围可以通过使用两个发送轮116或者说两个周期性不同的发送轮轮廓140和两个线圈组件118来扩大到360°的测量范围。