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Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Bei bekannten Lenkwinkelsensoren wird ein Zählrad zur Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen des Lenkrades berührungslos mittels Magnetfeldsensoren abgetastet. Ein derartiges System hat den Nachteil, dass bei ausgeschalteter Zündung ein Ruhestrom bereitgestellt werden muss, um ein Verdrehen des Lenkrades bei ausgeschalteter Zündung erkennen zu können. Bei dauerhafter Nichtbenutzung des Fahrzeuges führt dies zu einer unerwünschten Entleerung der Fahrzeugbatterie. Wird ein solcher Ruhestrom nicht bereitgestellt, kann der Lenkwinkel nicht mehr eindeutig bestimmt werden, wenn ein Verdrehen des Lenkrades bei ausgeschalteter Zündung oder abgeklemmter Batterie erfolgt.
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Eine Verbesserung bieten neue Lenkradwinkelmessungen mit zwei Winkelsensoren, die nach einem modifizierten Noniusprinzip arbeiten und den Nachteil der Ruhestrombereitstellung nicht mehr besitzen. Aus Kostengründen sind jedoch alternative Varianten von hohem Interesse.
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So offenbart die
DE 195 06 938 A1 beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Winkelmessung bei einem drehbaren Körper. Dabei wirkt der drehbare Körper umfangseitig mit wenigstens zwei weiteren drehbaren Körpern zusammen. Die weiteren drehbaren Körper sind beispielsweise als Zahnräder ausgeführt, deren Winkelposition mit Hilfe von zwei Sensoren ermittelt wird. Aus den so ermittelten Winkelpositionen der beiden zusätzlichen drehbaren Körper kann dann die Winkellage des drehbaren Körpers bestimmt werden. Damit eindeutige Aussagen möglich sind, ist es erforderlich, dass alle drei drehbaren Körper bzw. Zahnräder jeweils eine bestimmte Zähnezahl bzw. Übersetzung aufweisen. Das Verfahren und die Vorrichtung können beispielsweise zur Ermittlung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Das beschriebene Messprinzip lässt sich auf beliebige Winkelsensortypen wie beispielsweise optische, magnetische, kapazitive, induktive oder resistive Sensoren anwenden. Hierbei wirken die weiteren drehbaren Körper als Messwertgeber und die korrespondierenden Sensoren als Messwertaufnehmer.
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Aus der
DE 10 2012 202 639 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug bekannt. Das rotierende Bauteil ist an seinem Umfang mit einem Messwertgeber gekoppelt, welcher in Verbindung mit mindestens einem Sensor ein den Drehwinkel des rotierenden Bauteils repräsentierendes Signal erzeugt. Hierbei ist der Messwertgeber als Bewegungswandler ausgeführt, welcher die Rotation des rotierenden Bauteils in eine Translation des Messwertgebers umwandelt, wobei der mindestens eine Sensor den zurückgelegten Weg des Messwertgebers ermittelt, welcher den Drehwinkel des rotierenden Bauteils repräsentiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass zur Bestimmung eines Drehwinkels, wie beispielsweise eines Lenkwinkels eines Fahrzeuges, mit mindestens zwei Messwertgebern eine deutlich reduzierte Leiterplattenfläche erforderlich ist. Dabei sind die beiden Messwertgeber zur Ermittlung des Drehwinkels eines rotierenden Bauteils auf einer gemeinsamen Drehachse montiert und entweder beidseitig von einer Leiterplatte oder nur auf einer Seite der Leiterplatte angeordnet. Durch die Montage der beiden Messwertgeber auf einer Drehachse ist die projizierte Grundfläche auf der korrespondierenden Leiterplatte kleiner. Bei herkömmlichen Sensoranordnungen zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug, welche mindestens zwei Messwertgeber verwenden, sind die Messwertgeber jeweils auf einer eigenen Drehachse angeordnet, so dass eine deutlich größere Leiterplattenfläche erforderlich ist. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können beispielsweise zur Umsetzung des Nonius-Verfahrens oder zur redundanten Erfassung des Drehwinkels eingesetzt werden, für welche jeweils mindestens zwei Messwertgeber erforderlich sind. Des Weiteren ist es durch die Anordnung auf der gemeinsamen Drehachse grundsätzlich möglich, die für das Nonius-Verfahren interessante Winkeldifferenz zwischen den beiden Messwertgebern direkt zu messen. Zudem kann ein erster Messwertgeber die Winkelstellung des rotierenden Bauteils im Bereich einer 360°-Rotation erfassen und ein zweiter Messwertgeber kann als Rundenzähler fungieren, welcher eine Mehrfachumdrehung des rotierenden Bauteils detektiert.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug werden beispielsweise als Lenkwinkelsensor zur Bestimmung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs eingesetzt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug zur Verfügung. Hierbei ist ein erster Messwertgeber umfangseitig mit einem vorgegebenen ersten Übersetzungsverhältnis mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt und ein zweiter Messwertgeber ist umfangseitig mit einem vorgegebenen zweiten Übersetzungsverhältnis mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt. Die Messwertgeber erzeugen jeweils in Verbindung mit mindestens einem Messwertaufnehmer mindestens eine Information zur Ermittlung des aktuellen Drehwinkels des rotierenden Bauteils. Erfindungsgemäß sind die beiden Messwertgeber auf einer gemeinsamen Drehachse montiert.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass eine Hülse drehfest mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt werden kann, wobei die Hülse am Innenumfang Mitnahmemittel und am Außenumfang mindestens einen Hauptzahnkranz aufweist. Hierbei kann der erste Messwertgeber als erstes Zahnrad mit einem ersten Zahnkranz ausgeführt werden, und der zweite Messwertgeber kann als zweites Zahnrad mit einem zweiten Zahnkranz ausgeführt werden. Hierbei kämmt der mindestens eine Hauptzahnkranz den ersten Zahnkranz des ersten Messwertgebers und den zweiten Zahnkranz des zweiten Messwertgebers und versetzt die Messwertgeber in Rotation. Die beiden Zahnräder können gegenüber dem Hauptzahnrad trotz eines gleichen Achsabstands eine unterschiedliche Übersetzung aufweisen. Zu diesem Zweck können die beiden Zahnkränze der Zahnräder unterschiedliche Verzahnungsmoduln aufweisen und der Hauptzahnkranz ist entsprechend geteilt ausgeführt und weist zwei entsprechend ausgeführte Verzahnungen auf. Eine andere Möglichkeit besteht daran, dass der Hauptzahnkranz ebenfalls geteilt mit zwei Verzahnungen ausgeführt ist, welche den gleichen Verzahnungsmodul aber eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen. Bei dieser Ausführungsform weist der geteilte Hauptzahnkranz zwei unterschiedliche Durchmesser auf. Die beiden kleineren Zahnräder sind so verzahnt, dass sich der gleiche Achsabstand einstellt. Eine Kombination aus verschiedener Zahnanzahl und verschiedenem Modul ist ebenso möglich.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann jeder Messwertgeber mindestens einen metallischen Bereich aufweisen und der mindestens eine Messwertaufnehmer kann als Wirbelstromsensor mit mindestens einer Detektionsspule ausgeführt werden, welche auf mindestens einer Leiterplatte angeordnet ist und mit den metallischen Bereichen der Messwertgeber zusammenwirkt. Die mindestens eine Detektionsspule kann beispielsweise als Spiralspule oder als Sektorspule ausgeführt werden, welche jeweils als Flachspulen auf die Oberfläche der Leiterplatte angeordnet werden können. Bei der Ausnutzung des Wirbelstromeffekts beeinflusst die Überdeckung der mindestens einen Detektionsspule mit einem metallischen Objekt oder die Variation des Abstands der mindestens einen Detektionsspule zu einem metallischen Objekts die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule, welche auf geeignete Weise gemessen werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann mindestens einer der beiden Messwertgeber mit mindestens einem Messwertaufnehmer einen Drehwinkelsensor ausbilden, welcher einen Drehwinkel des korrespondierenden Messwertgebers erfasst. Ein solcher Drehwinkelsensor erfasst eine Winkelstellung des rotierenden korrespondierenden Messwertgebers im Bereich einer 360°-Rotation, wobei der axiale Abstand des Messwertgebers in Bezug auf die mindestens eine Detektionsspule des korrespondierenden Messwertaufnehmers konstant ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die mindestens eine Detektionsspule eines ersten Messwertaufnehmers auf einer ersten Oberfläche der Leiterplatte und die mindestens eine Detektionsspule eines zweiten Messwertaufnehmers kann auf einer zweiten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet werden. Hierbei ist die Leiterplatte zwischen den Messwertgebern angeordnet, so dass der mindestens eine metallische Bereich des ersten Messwertgebers der mindestens einen Detektionsspule des ersten Messwertaufnehmers zugewandt ist, und der mindestens eine metallische Bereich des zweiten Messwertgebers der mindestens einen Detektionsspule des zweiten Messwertaufnehmers zugewandt ist. Dadurch ist es möglich, beide Messwertgeber auf einer Welle ohne Gewinde mit einem konstanten Abstand zu der mindestens einen Detektionsspule des jeweiligen Messwertaufnehmers laufen zu lassen. In diesem Fall wird die Winkelstellung beider Messwertgeber detektiert und über das Nonius-Verfahren ausgewertet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann das erste Übersetzungsverhältnis gleich dem zweiten Übersetzungsverhältnis ausgeführt werden und mindestens einer der beiden Messwertgeber kann mit einem Gewindebolzen einen Bewegungswandler ausbilden, welcher die Rotation des rotierenden Bauteils in eine Rotation mit axialer Translation des korrespondierenden Messwertgebers umwandelt. Hierbei bildet der mindestens eine Messwertaufnehmer mit dem korrespondierenden Messwertgeber einen Abstandssensor aus, welcher den axialen Abstand des mindestens einen metallischen Bereichs des korrespondierenden Messwertgebers zu der mindestens einen Detektionsspule des mindestens einen Messwertaufnehmers ermittelt. In vorteilhafter Weise ermittelt der als Abstandssensor ausgeführte mindestens eine zweite Messwertaufnehmer einen zurückgelegten axialen Weg des zweiten Messwertgebers als Information zur Ermittlung der Umdrehungszahl des rotierenden Bauteils. Die Rotation des drehbaren Bauteils führt somit zu einer Variation des Abstands zwischen den Detektionsspulen und den metallischen Bereichen der Messwertgeber. Bei dieser Ausführungsform sind nicht unbedingt zwei Zahnräder erforderlich, um den Drehwinkel des rotierenden Bauteils durch die Umwandlung in eine Translationsbewegung über mehr als eine Umdrehung eineindeutig zu bestimmen. Der zweite Messwertgeber kann für die Realisierung einer Redundanz verwendet werden.
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Es ist aber auch möglich, einen der auf einer Drehachse angeordneten Messwertgeber als Teil eines Abstandssensors mit variablem Abstand zur mindestens einen Detektionsspule des korrespondierenden Messwertaufnehmers auszuführen, und den anderen Messwertgeber als Teil eines Drehwinkelsensors mit konstantem Abstand zur mindestens einen Detektionsspule des korrespondierenden Messwertaufnehmers auszuführen. Bei dieser Ausführungsform wird zusätzlich zur Abstandsmessung des ersten Messwertgebers, die Winkelstellung des zweiten Messwertgebers detektiert. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die Winkelmessung des zweiten Messwertgebers ohne Gewindebolzen innerhalb einer 360°-Rotation durch eine entsprechende Gestaltung der Detektionsspulen des Messwertaufnehmers sehr genau erfolgen kann und die Unterscheidung von Mehrfachumdrehungen durch die Messung des Abstands des ersten Messwertgebers mit Gewindebolzen erfolgt. Bei entsprechender Gewindesteigung können ca. 10 Umdrehungen unterschieden werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können die Messwertgeber derselben Oberfläche der Leiterplatte zugewandt angeordnet werden, wobei der erste Messwertgeber einen kleineren Abstand zur Oberfläche der Leiterplatte als der zweite Messwertgeber aufweist. Durch diese besonders vorteilhafte Anordnung der beiden Messwertgeber ergeben sich große Montagevorteile.
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Der mindestens eine metallische Bereich des ersten Messwertgebers und die mindestens eine Detektionsspule eines ersten Messwertaufnehmers können beispielsweise einen ersten Drehwinkelsensor ausbilden, und der mindestens eine metallische Bereich des zweiten Messwertgebers und die mindestens eine Detektionsspule eines zweiten Messwertaufnehmers können einen zweiten Drehwinkelsensor ausbilden. Hierbei kann der mindestens eine metallische Bereich und die mindestens eine Detektionsspule des ersten Drehwinkelsensors näher an der Drehachse als der mindestens eine metallische Bereich und die mindestens eine Detektionsspule des zweiten Drehwinkelsensors angeordnet werden. Durch die getrennte räumliche Anordnung der Detektionsspulen der Messwertaufnehmer und der metallischen Bereiche der Messwertgeber erfolgt die Beeinflussung der Detektionsspulen der Messwertaufnehmer durch die metallischen Bereiche der Messwertgeber individuell. Daher kann durch diesen Aufbau mit zwei Messwertgebern auf einer Leiterplattenseite die Winkelstellung der beiden Messwertgeber individuell gemessen werden.
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Alternativ kann der mindestens eine metallische Bereich des ersten Messwertgebers mit der mindestens einen Detektionsspule eines einzigen Messwertaufnehmers einen ersten Drehwinkelsensor ausbilden, und der mindestens eine metallische Bereich des zweiten Messgebers kann mit der mindestens einen Detektionsspule des einzigen Messwertaufnehmers einen zweiten Drehwinkelsensor ausbilden. Zur individuellen Ermittlung der Drehstellung der einzelnen Messwertgeber kann der mindestens eine metallische Bereich des ersten Messwertgebers dünner als der mindestens eine metallische Bereich des zweiten Messwertgebers ausgeführt werden. Hierbei kann die mindestens eine Detektionsspule des Messwertaufnehmers nacheinander mit verschiedenen Frequenzen angeregt und ausgewertet werden, wobei zur Ermittlung der Drehstellung des ersten Messwertgebers die mindestens eine Detektionsspule mit einer höheren Frequenz angeregt ist als zur Ermittlung der Drehstellung des zweiten Messwertgebers. Durch die dünnere Ausführung der Metallisierung des näher an der Leiterplatte angeordneten ersten Messwertgebers kann durch die Erregung der mindestens einen Detektionsspule mit einer niedrigeren Frequenz, von beispielsweise ca. 2MHz, der dünnere metallische Bereich des ersten Messwertgebers durchdrungen werden und selektiv die Winkelstellung des zweiten Messwertgebers mit dem dickeren metallischen Bereich erfasst werden. Durch den anschließenden Betrieb der mindestens einen Detektionsspule bei einer höheren Frequenz, von beispielsweise ca. 50MHz, kann die Winkelstellung des ersten Messwertgebers gemessen werden. Da der zweite Messwertgeber mit dem dickeren metallischen Bereich auch bei höheren Frequenzen Einfluss auf die mindestens eine Detektionsspule hat, ist zu erwarten, dass die Winkelstellung des zweiten Messwertgebers die Messung der Winkelstellung des ersten Messwertgebers beeinflusst. Da aber, wie zuvor beschrieben ist, die Winkelstellung des zweiten Messwertgebers ungestört vom ersten Messwertgeber bestimmt werden kann, kann der Einfluss auf die Messung des ersten Messwertgebers mathematisch korrigiert werden.
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Alternativ kann der mindestens eine metallische Bereich des ersten Messwertgebers und der mindestens eine metallische Bereich des zweiten Messgebers mit der mindestens einen Detektionsspule von nur einem Messwertaufnehmer zusammenwirken, so dass direkt eine Winkeldifferenz der Drehstellung des ersten Messwertgebers und der Drehstellung des zweiten Messwertgebers ermittelt werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der einzige Messwertaufnehmer mehrere als Sektorspulen ausgeführte Detektionsspulen aufweisen, welche gleichzeitig oder in einer vorgegebenen Reihenfolge angeregt und ausgewertet werden können. Dadurch kann die Lage der metallischen Bereiche bzw. die Lage der Fronten der metallischen der Messwertgeber genauer bestimmt werden. Zudem können die als Sektorspulen ausgeführten Detektionsspulen überlappend in verschiedenen Ebenen der Leiterplatte angeordnet werden. Damit kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass eine Front eines Metallbereichs der Messwertgeber genau zwischen zwei Detektionsspulen zu liegen kommt und somit eventuell nicht detektiert werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Drehwinkelsensor für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 1 oder 2.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen ersten Messwertgeber für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 4.
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6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen zweiten Messwertgeber für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 4.
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7 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Messwertaufnehmer für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 4.
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8 zeigt eine Draufsicht einer ersten Winkeldifferenzstellung der Messwertgeber der erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus 4 bei 0°.
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9 zeigt eine Draufsicht einer Winkeldifferenzstellung der Messwertgeber der erfindungsgemäßen Sensoranordnung aus 4 bei 180°.
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10 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Differenzwinkelsensor für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 4.
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11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil in einem Fahrzeug.
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12 zeigt ein Kennliniendiagramm zur Darstellung des Noniusprinzips über den Drehwinkel des rotierenden Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 11 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, 1C, 1D zur Erfassung von Drehwinkeln ⌷ an einem rotierenden Bauteil 10 in einem Fahrzeug jeweils einen ersten Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, welcher umfangseitig mit einem vorgegebenen ersten Übersetzungsverhältnis mit dem rotierenden Bauteil 10 gekoppelt ist, und einen zweiter Messwertgeber 40, 40A, 40B, 40C, 40D, welcher umfangseitig mit einem vorgegebenen zweiten Übersetzungsverhältnis mit dem rotierenden Bauteil 10 gekoppelt ist. Hierbei erzeugen die Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D jeweils in Verbindung mit mindestens einem Messwertaufnehmer 30, 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 50, 50A, 50B, 50E mindestens eine Information zur Ermittlung des aktuellen Drehwinkels ⌷ des rotierenden Bauteils 10. Erfindungsgemäß sind die beiden Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D auf einer gemeinsame Drehachse DA montiert.
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Wie aus 1 bis 11 weiter ersichtlich ist, ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, 1C, 1D jeweils eine Hülse 10A drehfest mit dem rotierenden Bauteil 10 gekoppelt. Zu diesem Zweck weist die Hülse 10A am Innenumfang Mitnahmemittel 16 auf. Der erste Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D ist als erstes Zahnrad 22 mit einem ersten Zahnkranz 24 ausgeführt, und der zweite Messwertgeber 40, 40A, 40B, 40C ist als zweites Zahnrad 42 mit einem zweiten Zahnkranz 44 ausgeführt. Zur Kopplung mit dem ersten und zweiten Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D weist die Hülse 10A am Außenumfang mindestens einen Hauptzahnkranz 18 auf, welcher den ersten Zahnkranz 24 des ersten Messwertgebers 20, 20A, 20B, 20C, 20D und den zweiten Zahnkranz 44 des zweiten Messwertgebers 40, 40A, 40B, 40C kämmt und die Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D in Rotation versetzt. Der mindestens eine Hauptzahnkranz 18 ist an einem scheibenförmigen Grundkörper 17 angeordnet, welcher einstückig mit der Hülse 10A ausgebildet ist.
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Die beiden Zahnräder 22, 42 weisen gegenüber dem Hauptzahnkranz 18 der Hülse 10A trotz gleichem Achsabstand eine unterschiedliche Übersetzung auf. Zu diesem Zweck kann ein unterschiedliches Modul der Verzahnung verwendet werden. Daher ist die Verzahnung des Hauptzahnkranzes 18 etwa mittig in eine ersten Verzahnung 18.1 und eine zweite Verzahnung 18.2 geteilt, welche unterschiedliche Moduln aufweisen. Eine andere Möglichkeit besteht daran, dass der Hauptzahnkranz 18 mittig geteilt ist und bei gleichem Modul eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweist. Bei dieser Lösung würden sich für die beiden Verzahnungen 18.1, 18.2 unterschiedliche der Durchmesser ergeben. Die beiden kleineren Zahnräder 22, 42 sind so verzahnt, dass sich der gleiche Achsabstand einstellt. Eine Kombination aus verschiedener Zahnanzahl und verschiedenem Modul ist ebenso möglich.
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In den dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1, 1A, 1B, 1C, 1D ist der mindestens eine Messwertaufnehmer 30, 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 50, 50A, 50B, 50E als Wirbelstromsensor mit einer vorgegebenen Anzahl von Detektionsspulen 66 ausgeführt, welche auf mindestens einer Leiterplatte 60 angeordnet sind und mit metallischen Bereichen 26, 46 der Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D zusammenwirken. Die mindestens eine Detektionsspule 66 kann als Spiralspule 66B oder als Sektorspule 66A ausgeführt werden. So erzeugen die Detektionsspulen 66 entsprechende Magnetfelder, welche durch die Bewegung bzw. durch die Lage der beiden Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D beeinflusst werden, so dass eine nicht dargestellte Auswerte- und Steuereinheit die Beeinflussung der Magnetfelder und die Veränderung der Induktivität der Detektionsspulen 66 auswerten kann. Die Auswerte- und Steuereinheit kann die Detektionsspulen des mindestens einen Messwertaufnehmers 30, 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 50, 50A, 50B, 50E gleichzeitig oder in einer vorgegebenen Reihenfolge auswerten. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Detektionsspulen 66 als direkt auf der Leiterplatte 60, 60A, 60B, 60C, 60D angeordnete planare Spulen ausgeführt. Denkbar sind jedoch auch andere Herstellungsplattformen wie beispielsweise Silizium. Die Sensorwirkung basiert auf dem Wirbelstromeffekt. Konkret beeinflusst die Überdeckung der mindestens einen Detektionsspule 66 mit einem metallischen Bereich 26, 46 des jeweiligen Messwertgebers 20, 20A, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D bzw. ein Abstand der mindestens einen Detektionsspule 66 zu einem metallischen Bereich 26, 46 des jeweiligen Messwertgebers 20B die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule 66, welche auf geeignete Weise gemessen wird.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 sind die metallischen Bereiche 26, 46 der Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D als Einlegeteilte ausgeführt, welche in den Grundkörper der Messwertgeber 20, 20A, 20B, 20C, 20D, 40, 40A, 40B, 40C, 40D eingebracht sind. Bei einer Ausführung als Abstandssensor können die korrespondierenden Messwertgeber 20, 30 vollständig aus einem metallischen Material hergestellt werden.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, sind die beiden Messwertgeber 20A, 20B, 40A, 40B auf einer gemeinsamen Drehachse DA beidseitig von der Leiterplatte 60A, 60B angeordnet. Die beiden Messwertgeber 20A, 40A sind drehbeweglich an einem gemeinsamen Stehbolzen 2A, 2B gelagert, welcher durch die Leiterplatte 60A, 60B verläuft. Auf einer ersten Oberfläche 62 (hier Oberseite) der Leiterplatte 60A, 60B ist die mindestens eine Detektionsspule 66 eines ersten Messwertaufnehmers 30A, 30B angeordnet. Auf einer zweiten Oberfläche 64 (hier Unterseite) der Leiterplatte 60A, 60B ist die mindestens eine Detektionsspule 66 eines zweiten Messwertaufnehmers 50A, 50B angeordnet. Die Detektionsspulen 66 des ersten und zweiten Messwertaufnehmers 30A, 30B, 50A, 50B können durch eine nicht dargestellte in der Leiterplatte 60A, 60B vergrabene Schirmebene elektrisch voneinander getrennt werden. Die Leiterplatte 60A, 60B ist so zwischen den Messwertgebern 20A, 20B, 40A, 40B angeordnet, dass der mindestens eine metallische Bereich 26 des ersten Messwertgebers 20A, 20B der mindestens einen Detektionsspule 66 des ersten Messwertaufnehmers 30A, 30B zugewandt ist, und der mindestens eine metallische Bereich 46 des zweiten Messwertgebers 40A, 40B ist der mindestens einen Detektionsspule 66 des zweiten Messwertaufnehmers 50A, 50B zugewandt ist.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, bilden im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1A der erste Messwertgeber 20A mit dem ersten Messwertaufnehmer 30A und der zweite Messwertgeber 40A mit dem zweiten Messwertaufnehmer 50A jeweils einen Drehwinkelsensor 3A, 3B aus, welcher einen Drehwinkel ⌷1, ⌷2 des korrespondierenden Messwertgebers 20A, 40A individuell erfasst. Bei dieser Ausführungsform ist der axiale Abstand zwischen den Messwertgebern 20A, 40A und den korrespondierenden Messwertaufnehmern 30A, 50A konstant. Aus den erfassten Drehwinkewinkeln ⌷1, ⌷2 der Messwertgeber 20A, 40A kann dann über ein Nonius-Verfahren der Drehwinkel Ψ des rotierenden Bauteils 10 auch bei Mehrfachumdrehungen eindeutig bestimmt werden, wie aus dem Kennliniendiagramm gemäß 12 ersichtlich ist.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, bildet im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1B der erste Messwertgeber 20B mit dem ersten Messwertaufnehmer 30B einen Abstandssensor 5 aus, welcher den axialen Abstand zwischen dem ersten Messwertgeber 20B und dem ersten Messwertaufnehmer 30B ermittelt. Der zweite Messwertgeber 40B bildet mit dem zweiten Messwertaufnehmer 50B einen Drehwinkelsensor 3A aus, welcher einen Drehwinkel des korrespondierenden Messwertgebers 40B erfasst. Bei dieser Ausführungsform ist der axiale Abstand zwischen dem ersten Messwertgeber 20B und dem korrespondierenden ersten Messwertaufnehmer 30A von der Anzahl der Umdrehungen des rotierenden Bauteils 10 abhängig, und der axiale Abstand zwischen dem zweiten Messwertgeber 40B und dem korrespondierenden zweiten Messwertaufnehmer 50B ist hingegen konstant. Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel bildet der erste Messwertgeber 20B mit einem Gewindebolzen 2B einen Bewegungswandler 7 aus, welcher die Rotation 12A des rotierenden Bauteils 10 in eine Rotation 12B mit axialer Translation 14 des korrespondierenden Messwertgebers 20B umwandelt. Der aus dem ersten Messwertaufnehmer 30B mit dem korrespondierenden ersten Messwertgeber 20B ausgebildete Abstandssensor 5 erfasst den axialen Abstand des mindestens einen metallischen Bereichs 26 des ersten Messwertgebers 20B zu der mindestens einen Detektionsspule 66 des ersten Messwertaufnehmers 30B und erzeugt aus dem zurückgelegten axialen Weg 14 des ersten Messwertgebers 20B eine Information zur Ermittlung der Umdrehungszahl des rotierenden Bauteils 10. Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind das erste Übersetzungsverhältnis und das zweite Übersetzungsverhältnis gleich ausgeführt. Der zweite Messwertgeber 40B ist auf einem gewindefreien Bereich des Gewindebolzens 2B angeordnet und führt nur eine Drehbewegung um die gemeinsame Drehachse DA aus.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch der zweite Messwertgeber 40B mit dem zweiten Messwertaufnehmer 50B einen Abstandssensor 5 ausbilden, welcher den axialen Abstand zwischen dem zweiten Messwertgeber 40B und dem zweiten Messwertaufnehmer 50B ermittelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel können beide Messwertgeber 20B, 40B mit dem Gewindebolzen 2B einen Bewegungswandler 7 ausbilden. Die Drehung der Messwertgeber 20B. 40B führt somit zu einer Variation des Abstands zwischen den Detektionsspulen 66 und den metallischen Bereichen 26, 26 der Messwertgeber. In diesem Fall sind nicht unbedingt zwei Messwertgeber 20B, 40B erforderlich, um den Drehwinkel des rotierenden Bauteils 10 über mehr als eine Umdrehung eineindeutig zu bestimmen, der zusätzliche Abstandssensor 5 kann aber kann für die Realisierung einer Redundanz verwendet werden.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, umfassen die Messwertaufnehmer 30A, 50A, 50B der Drehwinkelsensoren 3A, 3B jeweils drei als Sektorspulen 66A ausgeführte kreisförmig angeordnete Detektionsspulen 66, welche gleichmäßig verteilt im Überlappungsbereich mit den Messwertgebern 20A, 40A, 40B angeordnet sind. Die korrespondierenden Messwertgeber 20A, 40A, 40B umfassen jeweils zwei metallische Bereiche 26, 46. Dadurch kann die Winkelmessung sehr genau durchgeführt werden. Die Anzahl und Geometrie der Detektionsspulen 66 für den jeweiligen Drehwinkelsensor 3A, 3B können vielseitig sein. Weitere Variationen insbesondere in Bezug auf die Anzahl der Detektionsspulen 66 sind aber durchaus denkbar. Gleiches gilt für die Anzahl und Geometrie der metallischen Bereiche 26, 46 im rotierenden Messwertgeber 20A, 40A, 40B.
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Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, sind die beiden als Zahnräder 22, 42 ausgeführten Messwertgeber 20C, 40C im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1C drehbeweglich an einem Stehbolzen 2A gelagert und laufen auf einer gemeinsamen Drehachse DA. Zudem sind beide Messwertgeber 20C, 40C auf einer Seite der Leiterplatte 60C angeordnet, auf welcher die mindestens eine Detektionsspule 66 eines gemeinsamen Messwertaufnehmers 30C angeordnet sind. Dadurch ergeben sich große Montagevorteile.
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Im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1C können die Drehwinkel ⌷1, ⌷2 des korrespondierenden Messwertgebers 20C, 40C entweder individuell gemessen werden oder es kann direkt die Winkeldifferenz zwischen den Messwertgebern 20C, 40C gemessen werden. Die individuelle Messung der Drehwinkel ⌷1, ⌷2 des korrespondierenden Messwertgebers 20C, 40C erfordert eine Unterscheidbarkeit der metallischen Bereiche 26, 46 der beiden Messwertgeber 20C, 40C. Eine Möglichkeit der Separierung der metallischen Bereiche 26, 46 kann über die Dicke des metallischen Bereichs 26, 46 erfolgen. Wenn der mindestens eine metallische Bereich 26 des ersten Messwertgebers 20C, welcher näher an der Leiterplatte 60C angeordnet ist, dünner als mindestens eine metallische Bereich 46 des zweiten Messwertgebers 40C ausgeführt ist, welcher weiter entfernt von der Leiterplatte 60C angeordnet, kann durch Erregung der mindestens einen Detektionsspule 66 mit einer niedrigeren Frequenz, von beispielsweise ca. 2MHz, der dünnere metallische Bereich 26 durchdrungen werden und selektiv der dickere metallische Bereich 46 bzw. die Winkelstellung des zweiten Messwertgebers 40C erfasst werden. Durch die anschließende Anregung der mindestens einen Detektionsspule 66 mit einer höheren Frequenz, von beispielsweise ca. 50MHz, kann die Stellung des ersten Messwertgebers 20C gemessen werden. Da der dickere metallische Bereich 46 des zweiten Messwertgebers 40C auch bei höheren Frequenzen Einfluss auf die mindestens eine Detektionsspule 66 hat, ist zu erwarten, dass die Stellung des zweiten Messwertgebers 40C die Messung der Stellung des ersten Messwertgebers 20C beeinflusst. Da, wie oben ausgeführt ist, die Stellung des zweiten Messwertgebers 40C ungestört vom ersten Messwertgeber 20C bestimmt werden kann, kann der Einfluss auf die Messung des ersten Messwertgebers 20C mathematisch korrigiert werden.
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Bei der direkten Erfassung der Winkeldifferenz zwischen den Messwertgebern 20C, 40C wird die effektive wirksame Metallfläche der metallischen Bereiche 26, 46 ermittelt, welcher die mindestens eine Detektionsspule 66 des gemeinsamen Messwertaufnehmers 30C überdeckt und dadurch die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule 66 beeinflusst.
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Wie aus 5 und 6 ersichtlich ist, können die beiden Messwertgeber 20C, 40C jeweils mit einem halbkreisförmigen metallischen Bereich 26, 46 ausgeführt werden. Als Detektionsspule 66 für den gemeinsamen Messwertaufnehmer 30C kann eine einfache Spiralspule 66B nach 7 verwendet werden. 8 und 9 zeigen jeweils die effektiv wirksame Metallfläche bei zwei Winkeldifferenzstellungen (Extrempositionen) der beiden Messwertgeber 20C, 40C, wobei 8 eine Winkeldifferenz von 0° und 9 eine Winkeldifferenz von 180° zeigt. Die Winkeldifferenz entsteht durch das unterschiedliche Übersetzungsverhältnis der beiden Messwertgeber 20C, 40C. Im Fall eines ersten Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Hauptzahnkranz 18 und dem ersten Zahnkranz 24 des ersten Messwertgebers 20C von 42:26 und eines zweiten Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Hauptzahnkranz 18 und dem zweiten Zahnkranz 44 des zweiten Messwertgebers 40C von 42:28 stellt sich erst nach 4,3 Umdrehungen (1560°) des Hauptzahnkranzes 18 zwischen den beiden Messwertgebern 20C, 40C eine Winkeldifferenz von 180° ein (α1 = 1560°·42/26 = 2520°; α2 = 1560°·42/28 = 2340°; α1 – α2 = 180°), wie aus 12 ersichtlich ist. Somit erlaubt das dargestellte dritte Ausführungsbeispiel die Absolutwinkelbestimmung des rotierenden Bauteils 10 inklusive der Erkennung von Mehrfachumdrehungen.
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Ein inhärenter Nachteil des dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1C mit der als Spiralspule 66B ausgeführten Detektionsspule 66 betrifft die Winkelauflösung. Die Maßverkörperung des Differenzwinkelsensors wird durch die Änderung der Induktivität der als Spiralspule 66B ausgeführten Detektionsspule 66 gebildet. Praktisch ist nur mit einer relativen Veränderung der Induktivität von 30% zwischen einer Vollüberdeckung der Spiralspule 66B durch die metallischen Bereiche 26, 46 der beiden Messwertgeber 20C, 40C und keiner Überdeckung auszugehen. Da eine Überdeckung der Spiralspule 66B von 50% das Minimum darstellt, gilt es bei einer gewünschten Winkelauflösung des Drehwinkels Ψ des rotierenden Bauteils 10 von 0,1°, 15300 Winkelpositionen zu erkennen. Dies ist bei einer relativen Induktivitätsänderung von 15% technisch anspruchsvoll.
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Bei der Verwendung eines in 10 dargestellten gemeinsamen Messwertaufnehmers 30D mit sechs als Sektorspulen 66A ausgeführten kreisförmig angeordneten Detektionsspulen 66 kann dieser Nachteil überwunden werden. Als Messwertgeber 20C, 40C werden die in 5 und 6 dargestellten Messwertgeber 20C, 40C verwendet, welche jeweils einen halbkreisförmigen metallischen Bereich 26, 46 aufweisen. 10 zeigt die effektiv wirksame Metallfläche der beiden metallischen Bereiche 26, 46 bei einer Winkeldifferenz zwischen den beiden Messwertgebern 20C, 40C von ca. 45°. Die auf den gemeinsamen Messwertaufnehmer 30D projizierte Fläche kann anhand der nicht überdeckten, voll überdeckten und teilüberdeckten Sektorspulen 66A bestimmt werden. Somit ist die Information über die Mehrfachumdrehung des rotierenden Bauteils 10 immer noch vorhanden. Die deutlichen kleineren Sektorspulen 66A könne im Zusatz jedoch genauer die Lage der Fronten 26.1, 46.1 der metallischen Bereich 26, 46 erkennen. Bei einer Drehung des Hauptzahnkranzes 18 bzw. des rotierenden Bauteils 10 um 0,1°, bewegt sich die Front 26.1 des metallischen Bereichs 26 des ersten Messwertgebers 20C um 0,1°·(42/26) = 0,16° und die Front 46.1 des metallischen Bereichs 46 des zweiten Messwertgebers 40C bewegt sich um 0,1°·(42/28) = 1,5°. Da jede Sektorspule 66A ca. 60° des Kreissegments einnimmt, führt eine Änderung der Überdeckung um ca. 1,5° bereits zu einer relativen Änderung der Induktivität um (30%·(1,5/60)) = 0,78%. Dieser Wert ist viel höher als im Fall der Spiralspule 66B nach 7. Dort beträgt die relative Änderung der Induktivität (30%/15300) = 0,00196%.
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Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 können die sechs oder mehr Detektionsspulen 66 auch zum Teil ineinander verschachtelt ausgeführt werden. Damit kann verhindert werden, dass die Front 26.1, 46.1 des metallischen Bereichs 26, 46 genau zwischen zwei Detektionsspulen 66 zu liegen kommt und somit eventuell nicht detektiert werden kann. Dazu kann der Winkel der Detektionsspulen 66 beispielsweise von 60° auf 70° vergrößert werden. Die Durchdringung kann durch Verwendung von mehreren Leiterplattenebenen verhindert werden.
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Wie aus 11 weiter ersichtlich ist, sind die beiden Messwertgeber 20D, 40D im dargestellten vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1D analog zum dritten Ausführungsbeispiel auf einer Seite der Leiterplatte 60E angeordnet. Im dargestellten vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1D kann die Winkelstellung der beiden Messwertgeber 20D, 40D individuell gemessen werden. Dazu gibt es einen inneren Messwertaufnehmer 30E mit mindestens einer Detektionsspule 66, welche nur von einem metallischen Bereich 26 des ersten Messwertgebers 20D überdeckt wird. Hierbei ist der metallische Bereich 26 des ersten Messwertgebers 20D ebenfalls im inneren Bereich, d.h. nahe am Stehlbolzen 2A, angeordnet. Des Weiteren gibt es einen äußeren Messwertaufnehmer 50E mit mindestens einer Detektionsspule 66, welche nur von einem metallischen Bereich 46 des zweiten Messwertgebers 40D überdeckt wird. Hierbei ist der metallische Bereich 46 des zweiten Messwertgebers 40D ebenfalls im äußeren Bereich, d.h. weiter entfernt vom am Stehlbolzen 2A, angeordnet. Die Beeinflussung der Detektionsspulen 66 durch die metallischen Bereiche 26, 46 der beiden Messwertgeber 20D, 40D erfolgt somit individuell.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung werden vorzugsweise als Lenkwinkelsensor zur Bestimmung des Lenkwinkels eines Fahrzeugs eingesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19506938 A1 [0004]
- DE 102012202639 A1 [0005]