DE102018213249A1

DE102018213249A1 - Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements

Info

Publication number: DE102018213249A1
Application number: DE102018213249.6A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Christian Karcher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2020-02-13
Also published as: WO2020030322A1

Abstract

Es wird ein Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Sensorsystem (110) umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad (114), wobei das Geberrad (114) ein Geberradprofil (116) aufweist. Das Sensorsystem (110) umfasst weiterhin mindestens einen Schaltungsträger (118), wobei der Schaltungsträger (118) mindestens eine Erregerspule (120) sowie mindestens zwei Empfangsspulen (122) trägt. Die Erregerspule (120) begrenzt mindestens einen Erregerbereich (124), wobei die zwei Empfangsspulen (122) in dem Erregerbereich (124) angeordnet sind. Ferner sind die Empfangsspulen (122) relativ zueinander um die Rotationsachse (112) verdreht angeordnet und umschließen jeweils die Rotationsachse (112). Die Empfangsspulen (122) weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen (126) und mindestens zwei zweiten Teilwindungen (128) auf, wobei die ersten Teilwindungen (126) und die zweiten Teilwindungen (128) gegenläufig orientiert sind.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 40-41, 63-74 und 120-129 beschrieben.
So wird in einer ersten bekannten Ausführungsform derartiger Sensoren üblicherweise ein Magnet über einen Magnetfeldsensor gedreht und durch die Messung des Magnetfeldvektors der Drehwinkel ermittelt. Sensoren dieses Typs reagieren in der Regel auch auf externe Magnetfelder, die beispielsweise durch einen Stromfluss von benachbart angeordneten Stromkabeln herrühren und sind demzufolge meist sehr störempfindlich.
Ein weiteres Sensorprinzip basiert insbesondere auf dem Wirbelstromeffekt. Hier wird in der Regel ein metallisches Target über Sensorspulen bewegt, die mit Wechselspannung beaufschlagt werden und in diesem Target einen Wirbelstrom induzieren. Dies führt üblicherweise zur Reduzierung der Spuleninduktivitäten und erlaubt über eine Verschaltung in einem Schwingkreis über eine Frequenzänderung auf den Drehwinkel zu schließen. Nachteilig kann hier insbesondere eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber Einbautoleranzen, insbesondere der Verkippung des Targets, sein sowie ein mögliches Locking der Frequenzen auf Störungen von außen, insbesondere auch als „Injection Locking“ bezeichnet, da üblicherweise mit Frequenzen im Bereich von einigen zehn MHz gearbeitet wird.
Weiterhin sind Drehwinkelsensoren auf Basis von gekoppelten Spulen bekannt, beispielsweise insbesondere aus EP 0 909 955 B1 . Eine Erregerspule auf einer Sensor-Leiterplatte wird in der Regel mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die eine Frequenz im Bereich einiger MHz, beispielweise 3.5 MHz, aufweist. Dadurch entsteht ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches üblicherweise in Empfangsspulen auf der Sensorleiterplatte koppelt und dort entsprechende Wechselspannungen induziert. Durch entsprechende Formung eines Targets wird die Kopplung zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen beispielsweise drehwinkelabhängig beeinflusst. Durch Demodulation des in den Empfangsspulen induzierten Signals mit dem Trägersignal, insbesondere dem Signal der Sendespule, kann in der Regel auf Betrag und Phase der Kopplung geschlossen werden. Der Betrag variiert üblicherweise kontinuierlich mit dem Drehwinkel. Die Phasenlage kann insbesondere 0° oder 180° betragen. Durch Multiplikation des Betrags mit dem Cosinus der Phase entsteht ein Sinus-/ Cosinus-System, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfangsspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich, aus dem über eine ArcTan Berechnung der Winkel ermittelt werden kann.
Bekannte Ausführungsformen dieser Spulen zeigt weiterhin beispielsweise die DE 10 2013 225 921 A1 . Die Empfangsspulen weisen im Wesentlichen sinusförmige Außenkonturen auf und sind auf einem Kreisringsegment angeordnet. Die Erregerspule weist im Wesentlichen spiralförmig umlaufende Wicklungen auf. Eine ähnliche Anordnung ist weiterhin beispielsweise auch in FR2964735A1 offenbart.
Trotz der Vorteile der Sensorsysteme zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So weisen die Spulenanordnungen des Standes der Technik, insbesondere beispielsweise Spulenanordnungen der Schriften DE102013225921A1 und FR2964735A1 eine Reihe von Nachteile beim Messen eines Drehwinkels auf. So sorgen insbesondere durch die segmentierte Realisierung des Sensors und der Erregerspule, insbesondere die radialen Leiterbahnen für Inhomogenitäten und/oder Erhöhungen im Erregermagnetfeld, die in der Regel zu Offsets in den Empfangsspulensignalen führen. So können beispielsweise auch dann Spannungen induziert werden, wenn kein Target vorhanden ist. Da vorhandene Offsets vor der Winkelberechnung subtrahiert werden müssen, bedeutet dies in der Regel ein Mehraufwand im übergeordneten System. Darüber hinaus schränken Signaloffsets den Nutzbereich von Analog-Digital-Wandlern im übergeordneten System üblicherweise ein, sodass die Auflösung des Drehwinkels begrenzt ist. Weitere Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements sind häufig die Anschlüsse der Empfangsspulen. Hier sind insbesondere häufig Flächen vorhanden, in denen in der Regel Spannungen induziert werden, die Signaloffsets verursachen. Zu diesem Effekt trägt häufig ebenso eine im Wesentlichen spiralförmig umlaufende Erregerspule bei. Durch den nicht konstanten Abstand der Windungen der Erregerspule zum Bereich der Empfangsspulen entstehen üblicherweise inhomogene Feldverteilungen, die beispielsweise zu Offsets in den Empfangsspulensignalen und eventuellen Winkelfehlern führen.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Sensors zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements mit einem verbesserten Design der Erreger- und/oder Empfangsspulen zur zumindest teilweisen Kompensation von Signaloffsets.
Offenbarung der Erfindung
In Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Unter einem „Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzliche eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche geeignet ist, die mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Messsignal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Rotationseigenschaft“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, ein Drehwinkel oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere einen Drehwinkel, oder um eine Drehzahl oder um eine Kombination beider Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einem „Drehwinkel“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Winkelposition einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder des Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden werden. Beispielsweise kann die Winkelposition als Winkel angegeben werden, welchen die rotationsfähige Vorrichtung mit der senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse bezüglich der Rotationsachse einschließt.
Das Sensorsystem kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Brennkraftmaschine oder einem Elektromotor, eingerichtet sein. Unter einem „rotierenden Element“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden werden, welches eine Rotationsachse aufweist und um diese rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle in einer Antriebsmaschine sein, beispielsweise eine Nockenwelle. Beispielsweise kann ein Drehwinkel einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Kombination beider Größen bestimmt werden. Ferner kann es sich bei dem rotierenden Element auch um ein rotierendes Element eines Elektromotors handeln, beispielsweise um einen Rotor.
Das Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad, wobei das Geberrad ein Geberradprofil aufweist. Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens einen Schaltungsträger, wobei der Schaltungsträger mindestens eine Erregerspule sowie mindestens zwei Empfangsspulen trägt. Die Erregerspule begrenzt mindestens einen Erregerbereich, wobei die zwei Empfangsspulen in dem Erregerbereich angeordnet sind. Ferner sind die Empfangsspulen relativ zueinander um die Rotationsachse verdreht angeordnet und umschließen jeweils die Rotationsachse. Die Empfangsspulen weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen und mindestens zwei zweiten Teilwindungen auf, wobei die ersten Teilwindungen und die zweiten Teilwindungen gegenläufig orientiert sind. Damit umfasst beispielsweise jede der Empfangsspulen n erste Teilwindungen und n zweite Teilwindungen, wobei n eine natürliche Zahl ist und einen Wert von 2 oder größer als 2 hat.
Unter einem „Geberrad“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, beispielsweise eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Unter einem „Geberradprofil“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich die Gesamtheit von Profilelementen und von zwischen den Profilelementen angeordneten Zwischenräumen des Geberrads verstanden werden. Weiterhin kann unter dem Geberradprofil auch die Anordnung, beispielsweise die Reihenfolge, der Profilelemente verstanden werden. Unter einem „Profilelement“ des Geberrads kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden werden, welches als Bestandteil des Geberrads dazu beiträgt, bei Verbindung des Geberrads mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements das mindestens eine messbare Signal zu bewirken. Insbesondere kann es sich bei dem Profilelement um eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads handeln, insbesondere eine Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftörmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch. Das Profilelement kann jedoch eine beispielsweise kreisförmige Kontur des Geberrads auch unverändert lassen. Insbesondere kann das Profilelement durch elektrische, magnetische oder optische Eigenschaften zu der Entstehung des messbaren Signals beitragen. Beispielsweise kann ein Geberrad, insbesondere ein Geberrad mit kreisförmiger Kontur, eine Mehrzahl von Profilelementen aufweisen, welche derart angeordnet sein können, dass mindestens ein elektrisch leitfähiges Profilelement von mindestens einem elektrisch nicht leitfähigen Profilelement gefolgt wird. Insbesondere kann das mindestens eine Profilelement mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigem Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall. Weiterhin kann das Geberrad ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrisch leitfähigem Material; einem ferromagnetischen Material; einem Metall.
Unter einem „Schaltungsträger“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Substrat verstanden werden, welches eingerichtet ist, mindestens eine Schaltung ganz oder in Teilen, beispielsweise in Form von einer oder mehreren Spulen, Widerständen, Kondensatoren, Leiterbahnen oder anderen möglichen Bauteilen der Schaltung, zu tragen. Hierbei können die Schaltung und/oder die Bauteile der Schaltung insbesondere auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger jedoch auch einen Schichtaufbau aufweisen, insbesondere einen Schichtaufbau umfassend zwei oder mehr Ebenen, so dass beispielsweise verschiedene Schaltungen und/oder verschiedene Bauteile derselben Schaltung, insbesondere verschiedene Abschnitte einer Leiterbahn, in den verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers verlaufen können.
Unter einer „Erregerspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung umfassen. Die Erregerwindung kann insbesondere im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein. Weiterhin kann die Erregerspule mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei oder sogar mehr Erregerwindungen umfassen. Die Erregerwindungen können weiterhin im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet sein, wobei die Erregerwindungen jeweils mit mindestens einer benachbarten Erregerwindung mittels mindestens eines Verbindungsleiterstücks verbunden sind. Insbesondere kann das Verbindungsleiterstück quer zu einer Tangente an die kreisförmige Erregerwindung verlaufen und mit dieser einen Winkel β von 5° bis 75°, bevorzugt von 30° bis 60°, besonders bevorzugt von 40° bis 50° einschließen. Weiterhin kann ein Abstand d zwischen jeweils zwei benachbarten, kreisförmigen, konzentrisch angeordneten Erregerwindungen konstant sein. Insbesondere kann die Erregerspule mindestens eine Leiterbahn umfassen. Insbesondere kann die Erregerwindung von der Leiterbahn geformt sein. Insbesondere kann die Erregerspule mit einer Wechselspannung von 1 Mhz bis 10 Mhz, bevorzugt von 2 bis 5 Mhz, besonders bevorzugt von 3,5 Mhz, beaufschlagt oder beaufschlagbar sein.
Unter einer „Empfangsspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangsspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Insbesondere kann die Empfangsspule mindestens eine Leiterbahn umfassen.
Unter einem „Erregerbereich“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Gebiet, beispielsweise eine zweidimensionale Fläche oder ein dreidimensionaler Raum, verstanden werden, welches durch die Erregerspule, insbesondere durch eine Form oder eine Geometrie der Erregerspule, hervorgehoben, definiert oder definierbar ist. Beispielsweise kann die Erregerspule, insbesondere die Leiterbahn der Erregerspule, den Erregerbereich zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. So kann insbesondere die Leiterbahn der Erregerspule zumindest abschnittsweise kreisförmig ausgebildet sein und ihre Form einen kreisförmigen und/oder zylinderförmigen Erregerbereich abstecken. Insbesondere kann es sich bei dem Erregerbereich um einen kreisförmigen Ausschnitt des Schaltungsträgers handeln, wobei der kreisförmige Ausschnitt durch die äußere der konzentrisch um die Rotationsachse angeordneten kreisförmigen Erregerwindungen begrenzt sein kann. Insbesondere kann sich der Erregerbereich dadurch auszeichnen, dass er bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms an die Erregerspule derart von einem magnetischen Fluss durchsetzt ist, dass in einer in dem Erregerbereich angeordneten Empfangsspule aufgrund von induktiver Kopplung ein Signal induziert wird.
Die Empfangsspulen umschließen jeweils die Rotationsachse. Dies kann insbesondere zu einer Vermeidung oder einer Reduktion eines Offset-Signals in den Empfangsspulen beitragen. Unter dem Begriff „umschließen“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden werden, dass jede der Empfangsspulen die Rotationsachse im Wesentlichen vollständig umgibt. Hierbei kann jede Empfangsspule, insbesondere die Teilwindungen der Empfangsspule, derart um die Rotationsachse herum angeordnet sein, dass die Empfangsspule, insbesondere die Teilwindungen der Empfangsspule, in mindestens einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse den vollen Winkelbereich von 360° um die Rotationsachse abdeckt, beispielsweise in Form von mäandernden Schleifen. Alternativ kann die Empfangsspule dabei aber auch einen vernachlässigbar kleinen Abschnitt g eines Umfangs um die Rotationsachse, insbesondere einen Abschnitt g von 100 µm bis 800 µm, bevorzugt von 200 µm bis 400 µm, frei lassen. Der Abschnitt g kann gemeinsam mit einem radialen Abstand des Abschnitts g von der Rotationsachse insbesondere einen Öffnungswinkel δ eines Kreissegments bestimmen, welches nicht von der Empfangsspule abgedeckt ist, insbesondere kein Element, insbesondere keine der ersten Teilwindungen und keine der zweiten Teilwindungen, der Empfangsspule trägt. Unter einem „Offset-Signal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges, mit einem Offset behaftetes Signal handeln. Unter einem „Offset“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich insbesondere ein beliebiger Betrag verstanden werden, um den ein Signal, eine Zustandsgröße oder ein Messwert verändert, insbesondere verringert, vergrößert, verschoben oder versetzt ist, beispielsweise gegenüber einem Bezugspunkt, beispielsweise Null. Insbesondere kann es sich bei dem Offset um einen konstanten, additiven oder subtraktiven Betrag, handeln, welcher auf einem systematischen Fehler, beispielsweise einem systematischen Fehler einer Messvorrichtung beruht. Insbesondere kann eine Korrektur des Signals, der Zustandsgröße oder des Messwerts zu einer verbesserten, insbesondere genaueren, Bestimmung einer gewünschten Größe mit ihrem korrekten Wert beitragen.
Unter einer „Teilwindung“ einer Spule kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige, sich periodisch wiederholende Teilstruktur, insbesondere ein Abschnitt, der Spule verstanden werden, wobei die Teilstruktur mindestens eine Biegung, Windung, Schlaufe oder einen Mäander umfasst. Insbesondere kann durch eine periodische Wiederholung, Verschiebung und/oder Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels geeigneter Verdrehung, der ersten Teilwindungen und/oder der zweiten Teilwindungen die Empfangsspule oder eine Form der Empfangsspule im Wesentlichen erzeugbar sein. Beispielsweise kann durch die periodische Wiederholung, Verschiebung und/oder die anschließende Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels der geeigneten Verdrehung der Teilwindungen gegeneinander, die Empfangsspule oder die Form der Empfangsspule abgesehen von eventuell vorhandenen, weiter unten noch näher beschriebenen Anschlussleiterbahnen und/oder weiter unten ebenfalls noch näher beschriebenen Kompensationsstrukturen und/oder anderen, hier nicht erwähnten Elementen erzeugbar sein.
Unter dem Ausdruck „gegenläufig orientiert“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden werden, dass zwei gegenläufig orientierte Teilwindungen derselben Empfangsspule beispielsweise bei Anlegen einer Spannung oder eines Stroms an die Spule oder bei Induktion einer Spannung oder eines Stroms in der Spule in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in bezüglich der Rotationsache gegensätzlichen Umlaufrichtungen, von Strom durchflossen werden. So kann die Rotationsachse beispielsweise bei dem Anlegen oder der bei der Induktion des Stroms oder der Spannung von dem durch die ersten Teilwindungen der Empfangsspule fließenden Strom im Uhrzeigersinn umflossen werden und von dem durch die zweiten Teilwindungen derselben Empfangsspule fließenden Strom im Gegenuhrzeigersinn umflossen werden. Dementsprechend können die ersten Teilwindungen bezüglich der Rotationsachse als linksumlaufende Teilwindungen und die zweiten Teilwindungen als bezüglich der Rotationsachse rechtsumlaufende Teilwindungen ausgestaltet sein oder vice versa.
Insbesondere können die Empfangsspulen jeweils mindestens zwei Umkehrpunkte, insbesondere jeweils genau zwei Umkehrpunkte, aufweisen, wobei an den Umkehrpunkten jeweils eine der ersten Teilwindungen auf jeweils eine der zweiten Teilwindungen derselben Empfangsspule trifft, insbesondere jeweils eine der ersten Teilwindungen in jeweils eine der zweiten Teilwindungen übergeht. Insbesondere kann die Stromrichtung, insbesondere die Umlaufrichtung des Stroms bezüglich der Rotationsachse, sich in dem Umkehrpunkt abrupt ändern. So kann die Empfangsspule in dem Umkehrpunkt insbesondere einen Knick aufweisen. Insbesondere kann jeder Umkehrpunkt Bestandteil von genau einer Empfangsspule sein. Dementsprechend kann es sein, dass keine gemeinsamen Umkehrpunkte existieren, welche Bestandteil von mehr als einer Empfangsspule sind oder sich mehr als einer Empfangsspule zuordnen lassen. Die in dem Umkehrpunkt auf die zweite Teilwindung treffende erste Teilwindung kann in dem Umkehrpunkt mittels mindestens eines Vias mit der zweiten Teilwindung verbunden sein. Der Begriff Via, als gebräuchliches Akronym des englischen Ausdrucks „vertical interconnect access“, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezeichnung für eine elektrische Durchkontaktierungen zwischen den Ebenen des Schichtaufbaus des Schaltungsträgers verwendet. Wie bereits weiter oben beschrieben, können die zwei Umkehrpunkte der Empfangsspule einen Abstand g von 100 µm bis 800 µm, bevorzugt von 200 µm bis 400 µm, aufweisen. Der Abstand g kann sich hierbei insbesondere als Summe aus einem Abstand A zwischen den in den Umkehrpunkten aufeinandertreffenden ersten und zweiten Teilwindungen und einem Durchmesser D des Vias ergeben.
Weiterhin kann sich für jede der Empfangsspulen jede der ersten Teilwindungen jeweils mit mindestens einer der zweiten Teilwindungen derselben Empfangsspule mindestens einmal in mindestens einem Kreuzungspunkt kreuzen, wobei die sich kreuzenden ersten und zweiten Teilwindungen im Kreuzungspunkt in verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers verlaufen. Insbesondere kann jede der Empfangsspulen mindestens 2n-1 Kreuzungspunkte aufweisen, in denen sich jeweils eine erste und eine zweite Teilwindung kreuzen, wobei die erste und die zweite Teilwindung Bestandteil derselben Empfangsspule sind. Insbesondere kann jede der Empfangsspulen genau 2n-1 Kreuzungspunkte aufweisen, in denen sich jeweils eine erste und eine zweite Teilwindung kreuzen, wobei die erste und die zweite Teilwindung Bestandteil derselben Empfangsspule sind. Hierbei entspricht, wie weiter oben bereits erläutert, n der Anzahl der ersten Teilwindungen der Empfangsspule. Die Kreuzungspunkte der mindestens zwei Empfangsspulen können insbesondere auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit Radius r_m um die Rotationsachse angeordnet sein.
Auch die Umkehrpunkte können auf der Kreisbahn mit dem Radius r_m um die Rotationsachse angeordnet sein. Damit kann ein Öffnungswinkel δ des Kreissegments, welches insbesondere keine Teilwindung der Empfangsspule trägt, gegeben sein durch $δ = (A + D) / r_{m}$
Die Empfangsspulen können jeweils mindestens einen Empfangsbereich begrenzen. Insbesondere können die Empfangsbereiche der Empfangsspulen deckungsgleich sein. Unter einem „Empfangsbereich“ der Empfangsspule kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Gebiet, beispielsweise eine zweidimensionale Fläche oder ein dreidimensionaler Raum, verstanden werden, welches durch die Empfangsspule, insbesondere durch eine Form oder eine Geometrie der Empfangsspule, insbesondere der ersten Teilwindungen und/oder zweiten Teilwindungen, hervorgehoben, definiert oder definierbar ist. Beispielsweise kann die Empfangsspule, insbesondere die Leiterbahn der Empfangsspule, den Empfangsbereich zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. Die Empfangsbereiche der Empfangsspulen können jeweils ringförmig, insbesondere als ringförmiger Abschnitt des Schaltungsträgers, ausgestaltet sein. Die Empfangsbereiche können insbesondere konzentrisch um die Rotationsachse angeordnet sein. Insbesondere können die Empfangsbereiche der Empfangsspulen jeweils durch eine äußere Kreisbahn mit einem äußeren Radius r_a und eine innere Kreisbahn mit einem inneren Radius r_i begrenzt sein. Weiterhin kann es möglich sein, dass ein Zusammenhang zwischen den Radien r_i, r_a und r_m folgendermaßen beschrieben werden kann: $r_{m} = (r_{i} + r_{a}) / 2$
Ein Messbereich des Sensorsystems kann insbesondere mithilfe eines Öffnungswinkels α des Messbereichs beschrieben sein. Unter einem Messbereich des Sensorsystems kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Bereich verstanden werden, in dem das Sensorsystem die mindestens eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements eindeutig bestimmen kann. Insbesondere kann es sich bei der Rotationseigenschaft, wie bereits weiter oben beschrieben, um den Drehwinkel handeln. Bei dem Messbereich kann es sich daher insbesondere um einen Winkelbereich handeln, in dem dem rotierenden Element mittels des Sensorsystems ein Drehwinkel eindeutig zuordenbar ist. Hierbei kann sich der Öffnungswinkel α des Messbereichs des Sensorsystems aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen oder von zweiten Teilwindungen als 360°/n ergeben.
Die Empfangsspulen umschließen jeweils die Rotationsachse und sind relativ zueinander um die Rotationsachse verdreht angeordnet. Insbesondere können die Empfangsspulen um einen Winkel Φ relativ zueinander um die Rotationsachse verdreht angeordnet sein, wobei sich Φ aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen oder zweiten Teilwindungen und aus der Anzahl m der Empfangsspulen als Φ = 360°/ (2*n*m) ergeben kann. Die Empfangsspulen können weiterhin eine im Wesentlichen identische Form aufweisen. Die Empfangsspulen weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen und mindestens zwei zweiten Teilwindungen auf. Der Schaltungsträger trägt die Empfangsspulen. Der Schaltungsträger kann insbesondere einen Schichtaufbau mit mehreren Ebenen umfassen. Die ersten und zweiten Teilwindungen der Empfangsspulen können insbesondere jeweils mindestens einen ersten Abschnitt und jeweils mindestens einen zweiten Abschnitt aufweisen, wobei der erste Abschnitt in einer ersten Ebene des Schaltungsträgers verlaufen kann, wobei der zweite Abschnitt in einer zweiten Ebene des Schaltungsträgers verlaufen kann. Hierbei können die ersten Abschnitte der ersten Teilwindungen mit den sich anschließenden zweiten Abschnitten der ersten Teilwindung mittels Vias verbunden sein. Ebenso können die ersten Abschnitte der zweiten Teilwindungen mit den sich anschließenden zweiten Abschnitten der zweiten Teilwindung mittels Vias verbunden sein. Insbesondere kann jeder der die ersten Abschnitte mit den zweiten Abschnitten verbindenden Vias entweder auf der äußeren Kreisbahn mit dem Radius r_a oder auf der inneren Kreisbahn mit dem Radius r_i angeordnet sein. Weiterhin können die Empfangsspulen insbesondere als Planarspulen ausgebildet sein. Die Empfangsspulen können insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse sein. Weiterhin können die Empfangsspulen zumindest abschnittsweise sinusförmig geformt sein. Insbesondere kann sich die Form der Empfangsspule, insbesondere der ersten und zweiten Teilwindungen, aus einer Transformation von zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden Funktionen auf eine Ringbahn um die Rotationsachse als Zentrum ergeben, wobei bei der Transformation die Spiegelachse insbesondere auf eine Kreisbahn um die Rotationsachse mit Radius r_m transformiert werden kann. Bei den zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden Funktionen kann es sich beispielsweise um zwei gegeneinander verschobene, insbesondere um gegeneinander verschobene, sinusförmige Funktionen handeln. Auch andere Funktionen sind jedoch möglich. Insbesondere können die auf die Ringbahn transformierten Funktionen in Schnittpunkten mit der Kreisbahn mit Radius r_m stetig und differenzierbar sein.
Weiterhin kann ein Zentrum des Erregerbereichs, beispielsweise ein Schwerpunkt des Erregerbereichs, die Rotationsachse umfassen. Der Erregerbereich kann insbesondere kreisförmig ausgestaltet sein. Ferner kann der Erregerbereich konzentrisch um die Rotationsachse angeordnet sein.
Die Empfangsspulen können insbesondere jeweils mindestens eine, bevorzugt zwei, Anschlussleiterbahnen aufweisen. Die Anschlussleiterbahnen können jeweils insbesondere mit einer der ersten Teilwindungen oder mit einer der zweiten Teilwindungen der Empfangsspule elektrisch verbunden sein. Die Anschlussleiterbahnen können insbesondere aus dem Empfangsbereich und dem Erregerbereich herausgeführt sein, insbesondere parallel zueinander, und dabei einen Offset-Bereich erzeugen, welcher zu einer Spannungsinduktion und damit insbesondere zu einem Offset-Signal der Empfangsspulen beitragen kann.
Mindestens eine der mindestens zwei Empfangsspulen kann mindestens eine Kompensationsstruktur aufweisen, wobei die Kompensationsstruktur eingerichtet ist, um mindestens ein von der Empfangsspule, insbesondere von den Anschlussleiterbahnen der Empfangsspule, erzeugtes Offset-Signal zumindest teilweise zu kompensieren. Unter einer „Kompensationsstruktur“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Offset-Signal zumindest teilweise auszugleichen, aufzuheben oder abzuschwächen, beispielsweise indem das Offset-Signal durch eine Gegenwirkung zumindest teilweise aufgehoben oder abgeschwächt wird. Die Kompensationsstruktur kann mindestens zwei Kompensationsleiterbahnen aufweisen, welche sich insbesondere direkt an die Anschlussleiterbahnen anschließen können. Weiterhin können die Kompensationsleiterbahnen gemeinsam eine im Wesentlichen rechteckige Kompensationsfläche umspannen. Insbesondere kann eine Länge l_comp der rechteckigen Kompensationsfläche, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Tangente an die Erregerwindung verlaufen kann, 10 µm bis 800 µm, bevorzugt 50 µm bis 500 µm betragen. Weiterhin kann eine Breite w_comp der rechteckigen Kompensationsfläche, welche im Wesentlichen parallel zu der Tangente an die Erregerwindung verlaufen kann, 100 µm bis 8 mm, bevorzugt 300 µm bis 5 mm betragen. Ferner kann eine Größe der Kompensationsfläche im Wesentlichen einer Größe des von den Anschlussleiterbahnen umspannten Offset-Bereichs entsprechen. Weiterhin können die Kompensationsleiterbahnen zumindest abschnittsweise senkrecht zu den Anschlussleiterbahnen verlaufen.
Das Sensorsystem weist weiterhin ein Geberrad auf. Das Geberrad kann eine Vielzahl von Profilelementen umfassen. Insbesondere kann das Geberrad mindestens, insbesondere genau, 2n Profilelemente auf, so dass die Anzahl von Profilelementen mindestens, insbesondere genau, der Summe der Anzahl von den n ersten Teilwindungen und den n zweiten Teilwindungen einer der mindestens zwei Empfangsspulen entspricht. Insbesondere können sich die benachbarten Profilelemente in ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden. Beispielsweise können sich elektrisch leitfähige Profilelemente mit Aussparungen oder mit elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Profilelementen abwechseln. Weiterhin kann eine Summe von Öffnungswinkeln von zwei benachbarten Profilelementen 360°/n ergeben und damit gleich dem Öffnungswinkel des Messbereichs des Sensorsystems sein. Insbesondere können benachbarte Profilelemente denselben Öffnungswinkel γ aufweisen, wobei γ gleich dem halben Öffnungswinkel des Messbereichs des Sensorsystems sein kann. Insbesondere können die Öffnungswinkel von zwei, insbesondere jeweils zwei, benachbarten Profilelementen gleich groß sein. Insbesondere kann das Geberrad 2n Profilelemente aufweisen und die Öffnungswinkel γ der 2n Profilelemente können alle gleich groß sein und 360/(2n) betragen. Ferner kann das Geberrad rotationssymmetrisch sein. Ein Abstand des Geberrads von den Empfangsspulen und der Erregerspule kann bei Verbindung des Geberrads mit dem rotierenden Element 1 mm bis 30 mm, bevorzugt 2 mm bis 10 mm betragen. Das Geberrad ist mit dem rotierenden Element verbindbar. Insbesondere kann das Gerberrad mittels einer Schraubverbindung und/oder einer Klebverbindung mit dem rotierenden Element verbindbar sein. Weiterhin kann das Geberrad mithilfe eines Längspressverfahrens hergestellt sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines wie weiter oben bereits beschriebenen oder weiter unten noch näher beschriebenen Sensorsystems umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle der Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Die Verfahrensschritte sind:

a) Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung an die Erregerspule;
b) Aufnehmen mindestens zweier von der Erregerspule in den Empfangsspulen induzierten Signale; und
c) Auswerten der Signale der Empfangsspulen und Ermitteln der Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mittels der aufgenommenen Signale.

Das Auswerten der Signale in Schritt c) kann insbesondere ein Demodulieren der induzierten, aufgenommenen Signale der Empfangsspulen mit einem Signal der Erregerspule umfassen. Weiterhin kann das Auswerten ein Bestimmen von Betrag und Phase einer Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfangsspulen umfassen. Hierbei kann der Betrag kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Ferner kann Schritt c) ein Multiplizieren des Betrags mit dem Cosinus der Phase umfassen. Weiter kann Schritt c) ein Bestimmen des Drehwinkels umfassen, insbesondere mithilfe der Anwendung der Arkustangens-Funktion.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere kann es möglich sein, dass die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren kostengünstig sind, insbesondere, da sie auf einem kostengünstigen Sensorprinzip beruhen können, beispielsweise da kein teurer Magnet benötig wird. Weiterhin kann es möglich sein, dass eventuell in der Umgebung vorhandene Magnetfelder, beispielsweise in Folge von hohen Strömen innerhalb von Kabeln, welche in der Nähe des Sensorsystems angeordnet sein können, keinen Einfluss auf die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren haben. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren auf einem einfachen Messprinzip beruhen können. Ferner kann es vorteilhaft sein, dass eine einfache Rücktransformation mit Sinus- und Cosinussignalen möglich sein kann, insbesondere mithilfe des Arcustangens bei einem Sensorsystem mit zwei Empfangsspulen, insbesondere einem Zweiphasensystem. Weiterhin kann es möglich sein, dass eine Sensorplatine zwei unabhängige, insbesondere komplett getrennte, Sensorsysteme als redundante Systeme umfassen kann, insbesondere zur Erhöhung der Verfügbarkeit und/oder der funktionalen Sicherheit. Weiterhin kann es möglich sein, dass die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren toleranzrobust sein können, so dass insbesondere bei einem Einbau größere mechanische Toleranzen zugelassen werden können als bei vergleichbaren Vorrichtungen des Standes der Technik. Dies kann insbesondere zu einem gegenüber dem Stand der Technik geringeren Preis des Sensorsystems beitragen. Weiterhin kann es möglich sein, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Vorrichtungen und Verfahren zur Kompensation des Offsets-Signals nicht mit im Vergleich zum Stand der Technik höheren Kosten verbunden sind, insbesondere da es möglich ist, dass lediglich ein Leiterplattendesign angepasst werden muss.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen dargestellt, welche in den nachfolgenden Zeichnungen schematisch gezeigt sind.
Es zeigen:

1A und 1B zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufende Funktionen (1A) und Übersichtsansicht einer Empfangsspule (1B);
2 weitere Übersichtsansicht der Empfangsspule mit Vias;
3A und 3B zwei Umkehrpunkte der Empfangsspule in einer Übersichtsansicht (3A) und in einer Detailansicht (3B);
4 zwei gegeneinander verdreht angeordnete Empfangsspulen;
5A und 5B einer Erregerspule in einer Übersichtsansicht (5A) und in einer Detailansicht (5B);
6 eine Kompensationsstruktur der Empfangsspule;
7 ein Geberrad; und
8 ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements.

Ausführungsformen der Erfindung
Das Sensorsystem 110 zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse 112 rotierenden Elements umfasst mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad 114, wobei das Geberrad 114 ein Geberradprofil 116 aufweist. Das Sensorsystem 110 umfasst weiterhin mindestens einen Schaltungsträger 118, wobei der Schaltungsträger 118 mindestens eine Erregerspule 120 sowie mindestens zwei Empfangsspulen 122 trägt. Die Erregerspule 120 begrenzt mindestens einen Erregerbereich 124, wobei die zwei Empfangsspulen 122 in dem Erregerbereich 124 angeordnet sind. Ferner sind die Empfangsspulen relativ zueinander um die Rotationsachse 112 verdreht angeordnet und umschließen jeweils die Rotationsachse 112. Die Empfangsspulen 122 weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen 126 und mindestens zwei zweiten Teilwindungen 128 auf, wobei die ersten Teilwindungen 126 und die zweiten Teilwindungen 128 gegenläufig orientiert sind.
Die 1B und 2 zeigen jeweils eine Übersichtsansicht der einen der mindestens zwei Empfangsspulen 122 des Sensorsystems 110. Jede der Empfangsspulen 122 umfasst beispielsweise n erste Teilwindungen 126 und n zweite Teilwindungen 128, wobei n eine natürlich Zahl ist und einen Wert von 2 oder größer als 2 hat. Die Empfangsspule 122 kann, wie in den 1B und 2 gezeigt, insbesondere 4 erste Teilwindungen und 4 zweite Teilwindungen umfassen. Insbesondere kann die Empfangsspule 122 mindestens eine Leiterbahn 130 umfassen.
Die Empfangsspulen 122 umschließen jeweils die Rotationsachse 112. Dies kann insbesondere zu einer Vermeidung oder einer Reduktion eines Offset-Signals in den Empfangsspulen 122 beitragen. Hierbei kann jede Empfangsspule 122, insbesondere die ersten Teilwindungen 126 und die zweiten Teilwindungen 128 der Empfangsspule 122, derart um die Rotationsachse 112 herum angeordnet sein, dass die Empfangsspule 122, insbesondere die Teilwindungen 126, 128 der Empfangsspule 122, in mindestens einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse 112 einen Winkelbereich von 360° um die Rotationsachse 112 vollständig oder, wie in den Detailansichten in den 3A und 3B zu sehen, fast vollständig abdeckt, beispielsweise in Form von mäandernden Schleifen. Insbesondere kann die Empfangsspule 122 dabei einen Abschnitt g eines Umfangs um die Rotationsachse 112, insbesondere einen Abschnitt g von 100 µm bis 800 µm, bevorzugt von 200 µm bis 400 µm, frei lassen. Der Abschnitt g kann gemeinsam mit einem radialen Abstand des Abschnitts g von der Rotationsachse 122 insbesondere einen Öffnungswinkel δ eines Kreissegments bestimmen, welches nicht von der Empfangsspule 122 abgedeckt ist, insbesondere kein Element, insbesondere keine der ersten Teilwindungen und keine der zweiten Teilwindungen, der Empfangsspule trägt, wie in 3A dargestellt.
Die in den 1B, 2 und 4 dargestellten Empfangsspulen 122 weisen jeweils 4 erste Teilwindungen 126 und 4 zweite Teilwindungen 128 auf. Insbesondere kann durch eine periodische Wiederholung, Verschiebung und/oder Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels geeigneter Verdrehung, der ersten Teilwindungen 126 und/oder der zweiten Teilwindungen 128 die Empfangsspule 122 oder eine Form der Empfangsspule 122 im Wesentlichen erzeugbar sein. Beispielsweise kann durch die periodische Wiederholung, Verschiebung und die anschließende Aneinanderreihung in geeigneter Weise, beispielsweise mittels der geeigneten Verdrehung der Teilwindungen 126, 128 gegeneinander, die Empfangsspule 122 oder die Form der Empfangsspule abgesehen von eventuell vorhandenen, weiter unten noch näher beschriebenen Anschlussleiterbahnen 132 und/oder weiter unten ebenfalls noch näher beschriebenen Kompensationsstrukturen 134 und/oder anderen, hier nicht erwähnten Elementen erzeugbar sein, wie insbesondere aus den Übersichtsansichten der Empfangsspule 122 in den 1B und 2 hervorgeht.
1B veranschaulicht des Weiteren einen Messbereich 135 des Sensorsystems 110. Ein Messbereich des Sensorsystems kann insbesondere mithilfe eines Öffnungswinkels α des Messbereichs beschrieben sein. Hierbei kann sich der Öffnungswinkel α des Messbereichs des Sensorsystems aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen oder von zweiten Teilwindungen als 360°/n ergeben, wie in 1B zu sehen.
Die n ersten Teilwindungen 126 und die n zweiten Teilwindungen 128 der einen der mindestens zwei Erregerspulen 122 sind gegenläufig orientiert. Auch die n ersten Teilwindungen 126 und die n zweiten Teilwindungen 128 der weiteren der mindestens zwei Erregerspulen 122 sind gegenläufig orientiert. So kann die Rotationsachse 112, beispielsweise bei Anlegen des Stroms oder der Spannung an die Empfangsspule 122 oder bei Induktion des Stroms oder der Spannung in der Empfangsspule 122, von dem durch die ersten Teilwindungen 126 der Empfangsspule 122 fließenden Strom im Uhrzeigersinn umflossen werden und von dem durch die zweiten Teilwindungen 128 derselben Empfangsspule 122 fließenden Strom im Gegenuhrzeigersinn umflossen werden. Dementsprechend können die ersten Teilwindungen 126 bezüglich der Rotationsachse 112 als linksumlaufende Teilwindungen und die zweiten Teilwindungen 128 als bezüglich der Rotationsachse 112 rechtsumlaufende Teilwindungen ausgestaltet sein oder vice versa.
Wie in den 3A, 3B und 4 dargestellt, können die Empfangsspulen 122 jeweils mindestens zwei Umkehrpunkte 136, insbesondere jeweils genau zwei Umkehrpunkte 136, aufweisen, wobei an den Umkehrpunkten 136 jeweils eine der ersten Teilwindungen 126 auf jeweils eine der zweiten Teilwindungen trifft 128, insbesondere jeweils eine der ersten Teilwindungen 126 in jeweils eine der zweiten Teilwindungen 128 übergeht. Insbesondere kann die Stromrichtung, insbesondere die Umlaufrichtung des Stroms bezüglich der Rotationsachse 112, sich in dem Umkehrpunkt 136 abrupt ändern. Insbesondere kann jeder Umkehrpunkt 136 Bestandteil von genau einer Empfangsspule 122 sein, wie beispielsweise in 4 zu sehen. Dementsprechend kann es sein, dass keine gemeinsamen Umkehrpunkte 136 existieren, welche Bestandteil von mehr als einer Empfangsspule 122 sind oder sich mehr als einer Empfangsspule 122 zuordnen lassen. Die in dem Umkehrpunkt 136 auf die zweite Teilwindung 128 treffende erste Teilwindung 126 kann in dem Umkehrpunkt 136 mittels mindestens eines Vias 138 mit der zweiten Teilwindung 128 verbunden sein, wie in den 3A, 3B und 4 dargestellt. Insbesondere können die zwei Umkehrpunkte 136 der Empfangsspule 122 den bereits weiter oben beschriebenen Abstand g von 100 µm bis 800 µm, bevorzugt von 200 µm bis 400 µm, aufweisen. Der Abstand g kann sich hierbei insbesondere als Summe aus einem Abstand A zwischen den in den Umkehrpunkten 136 aufeinandertreffenden ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128 und einem Durchmesser D des Vias 138 ergeben, wie in 3A zu sehen.
3B zeigt eine Detailansicht von den zwei Umkehrpunkten 136 der Empfangsspule 122. Insbesondere können die Leiterbahnen 130 der Empfangsspule 122 punktsymmetrisch zu einem Punkt P verlaufen, wie in 3B zu sehen. Insbesondere kann sich der Punkt P ergeben als Schnittpunkt aus einer Geraden 172, welche die Rotationsachse 112 schneidet und jeweils identisch große Abstände zu den Vias 138 der Umkehrpunkte 136 aufweist, und einer gedachten Verbindungslinie 174, welche die beiden Vias 138 verbindet.
Weiterhin kann sich für jede der Empfangsspulen 122 jede der ersten Teilwindungen 126 jeweils mit mindestens einer der zweiten Teilwindungen 128 mindestens einmal in mindestens einem Kreuzungspunkt 140 kreuzen, wobei die sich kreuzenden ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128 im Kreuzungspunkt 140 in verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers 118 verlaufen. Insbesondere kann jede der Empfangsspulen 122 mindestens 2n-1 Kreuzungspunkte 140 aufweisen, in denen sich jeweils eine erste 126 und eine zweite Teilwindung 128 kreuzen, wobei die erste 126 und die zweite Teilwindung 128 Bestandteil derselben Empfangsspule 122 sind. Insbesondere kann jede der Empfangsspulen 122 genau 2n-1 Kreuzungspunkte 140 aufweisen, in denen sich jeweils eine erste 126 und eine zweite Teilwindung 128 kreuzen, wobei die erste 126 und die zweite Teilwindung 128 Bestandteil derselben Empfangsspule 122 sind. Hierbei entspricht, wie weiter oben bereits erläutert, n der Anzahl der ersten Teilwindungen 126 der Empfangsspule 122. Die Kreuzungspunkte 140 der mindestens zwei Empfangsspulen 122 können insbesondere auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit Radius r_m um die Rotationsachse 112 angeordnet sein, wie beispielsweise in 3A veranschaulicht.
Auch die Umkehrpunkte 136 können auf der Kreisbahn mit dem Radius r_m um die Rotationsachse 112 angeordnet sein, wie ebenfalls beispielsweise in 3A zu sehen. Damit kann ein Öffnungswinkel δ des Kreissegments, welches insbesondere keine der Teilwindungen 126, 128 der Empfangsspule 122 trägt, gegeben sein durch $δ = (A + D) / r_{m}$
Die Empfangsspulen 122 können jeweils mindestens einen Empfangsbereich 142 begrenzen. Insbesondere können die Empfangsbereiche 142 der Empfangsspulen 122 deckungsgleich sein. Beispielsweise kann die Empfangsspule 122, insbesondere die Leiterbahn 130 der Empfangsspule 122, den Empfangsbereich 142 zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. Die Empfangsbereiche 142 der Empfangsspulen 122 können jeweils ringförmig, insbesondere als ringförmiger Abschnitt des Schaltungsträgers, ausgestaltet sein. Die Empfangsbereiche 142 können insbesondere konzentrisch um die Rotationsachse 112 angeordnet sein. Insbesondere können die Empfangsbereiche 142 der Empfangsspulen 122 jeweils durch eine äußere Kreisbahn mit einem äußeren Radius r_a und eine innere Kreisbahn mit einem inneren Radius r_i begrenzt sein, wie in den 1B und 2 dargestellt. Weiterhin kann es möglich sein, dass ein Zusammenhang zwischen den Radien r_i, r_a und r_m folgendermaßen beschrieben werden kann: $r_{m} = (r_{i} + r_{a}) / 2$
Die Empfangsspulen 122 umschließen jeweils die Rotationsachse 112 und sind relativ zueinander um die Rotationsachse 122 verdreht angeordnet. Insbesondere können die Empfangsspulen 122 um einen Winkel Φ relativ zueinander um die Rotationsachse 112 verdreht angeordnet sein, wobei sich Φ aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen 126 oder zweiten Teilwindungen 128 und aus der Anzahl m der Empfangsspulen 122 als Φ = 360°/ (2*n*m) ergeben kann. 4 zeigt zwei um den Winkel Φ gegeneinander verdrehte Empfangsspulen 122.
Die Empfangsspulen 122 können weiterhin eine im Wesentlichen identische Form aufweisen. Die Empfangsspulen 122 weisen jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen 126 und mindestens zwei zweiten Teilwindungen 128 auf. 4 zeigt zwei gegeneinander verdrehte Empfangsspulen 122 für den möglichen Fall n = 4. Der Schaltungsträger 118 trägt die Empfangsspulen 122, wie in 4 zu sehen. Der Schaltungsträger 118 kann insbesondere einen Schichtaufbau mit mehreren Ebenen umfassen. Die ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128 der Empfangsspulen 122 können insbesondere jeweils mindestens einen ersten Abschnitt 144 und jeweils mindestens einen zweiten Abschnitt 146 aufweisen, wobei der erste Abschnitt 144 in einer ersten Ebene des Schaltungsträgers 118 verlaufen kann, wobei der zweite Abschnitt 146 in einer zweiten Ebene des Schaltungsträgers 118 verlaufen kann. Hierbei können die ersten Abschnitte 144 der ersten Teilwindungen 126 mit den sich anschließenden zweiten Abschnitten 146 der ersten Teilwindung126 mittels Vias 138 verbunden sein. Ebenso können die ersten Abschnitte 144 der zweiten Teilwindungen 128 mit den sich anschließenden zweiten Abschnitten 146 der zweiten Teilwindung 128 mittels Vias 138 verbunden sein. Insbesondere kann jeder der die ersten Abschnitte 144 mit den zweiten Abschnitten 146 verbindenden Vias 138 entweder auf der äußeren Kreisbahn mit dem Radius r_a oder auf der inneren Kreisbahn mit dem Radius r_i angeordnet sein, wie beispielsweise in den 2 und 4 zu sehen. Weiterhin können die Empfangsspulen 122 insbesondere als Planarspulen ausgebildet sein. Die Empfangsspulen 122 können insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse 112 sein.
Weiterhin können die Empfangsspulen 122 zumindest abschnittsweise sinusförmig geformt sein. Insbesondere kann sich die Form der Empfangsspule 122, insbesondere der ersten 126 und zweiten Teilwindungen 128, aus einer Transformation von zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden Funktionen auf eine Ringbahn um die Rotationsachse 112 als Zentrum ergeben, wobei bei der Transformation die Spiegelachse insbesondere auf eine Kreisbahn um die Rotationsachse mit Radius r_m transformiert werden kann. Die 1A und 1B veranschaulichen in Zusammenschau beispielhaft eine solche Transformation. Bei den zwei zueinander spiegelsymmetrisch verlaufenden Funktionen 148 kann es sich beispielsweise um zwei gegeneinander verschobene, insbesondere um gegeneinander verschobene, sinusförmige Funktionen 148 handeln. Auch andere Funktionen 148 sind jedoch möglich.
Insbesondere können die auf die Ringbahn transformierten Funktionen 148 in Schnittpunkten mit der Kreisbahn mit Radius r_m stetig und differenzierbar sein.
Die Empfangsspulen 122 können insbesondere jeweils mindestens eine, bevorzugt zwei, Anschlussleiterbahnen 132 aufweisen, wie in 6 dargestellt. Die Anschlussleiterbahnen 132 können jeweils insbesondere mit einer der ersten Teilwindungen 126 und/oder mit einer der zweiten Teilwindungen 128 der Empfangsspule 122 elektrisch verbunden sein. Die Anschlussleiterbahnen 132 können insbesondere aus dem Empfangsbereich 142 und dem Erregerbereich 124 herausgeführt sein, insbesondere parallel zueinander, und dabei einen Offset-Bereich 152 erzeugen, welcher zu einer Spannungsinduktion und damit insbesondere zu einem Offset-Signal der Empfangsspulen 122 beitragen kann. Mindestens eine der mindestens zwei Empfangsspulen 122 kann daher mindestens eine Kompensationsstruktur 134 aufweisen, wobei die Kompensationsstruktur 134 eingerichtet ist, um mindestens ein von der Empfangsspule 122, insbesondere von den Anschlussleiterbahnen 132 der Empfangsspule 122, erzeugtes Offset-Signal zumindest teilweise zu kompensieren. Die Kompensationsstruktur 134 kann mindestens zwei Kompensationsleiterbahnen 154 aufweisen, welche sich insbesondere direkt an die Anschlussleiterbahnen 132 anschließen, insbesondere in diese übergehen, können. Weiterhin können die Kompensationsleiterbahnen 154 gemeinsam eine im Wesentlichen rechteckige Kompensationsfläche 156 umspannen. Insbesondere kann eine Länge l_comp der rechteckigen Kompensationsfläche 156, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Tangente an eine Erregerwindung 158 verlaufen kann, 10 µm bis 800 µm, bevorzugt 50 µm bis 500 µm betragen. Weiterhin kann eine Breite w_comp der rechteckigen Kompensationsfläche 156, welche im Wesentlichen parallel zu der Tangente an die Erregerwindung 158 verlaufen kann, 100 µm bis 8 mm, bevorzugt 300 µm bis 5 mm betragen. Ferner kann eine Größe der Kompensationsfläche 158 im Wesentlichen einer Größe des von den Anschlussleiterbahnen 132 umspannten Offset-Bereichs 152 entsprechen. Weiterhin können die Kompensationsleiterbahnen 154 zumindest abschnittsweise senkrecht zu den Anschlussleiterbahnen 132 verlaufen.
Das Sensorsystem weist mindestens eine Erregerspule 120 auf. Die 5A und 5B zeigen die Erregerspule 120 in einer Übersichtsansicht (5A) und in einer Detailansicht (5B). Die Erregerspule 120 kann mindestens eine Erregerwindung 158 umfassen. Die Erregerwindung 158 kann insbesondere im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein. Weiterhin kann die Erregerspule 120 mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei oder sogar mehr Erregerwindungen 158 umfassen. Die Erregerwindungen 158 können weiterhin im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse 112 angeordnet sein, wobei die Erregerwindungen 158 jeweils mit mindestens einer benachbarten Erregerwindung 158 mittels mindestens eines Verbindungsleiterstücks 160 verbunden sind. Insbesondere kann das Verbindungsleiterstück 160 quer zu einer Tangente an die kreisförmige Erregerwindung 158 verlaufen und mit dieser einen Winkel β von 5° bis 75°, bevorzugt von 30° bis 60°, besonders bevorzugt von 40° bis 50° einschließen. Weiterhin kann ein Abstand d zwischen jeweils zwei benachbarten, kreisförmigen, konzentrisch angeordneten Erregerwindungen konstant sein, wie in 5B gezeigt. Insbesondere kann die Erregerspule 120 mindestens eine Leiterbahn 162 umfassen. Insbesondere kann die Erregerwindung 158 von der Leiterbahn 162 geformt sein. Insbesondere kann die Erregerspule 120 mit einer Wechselspannung von 1 Mhz bis 10 Mhz, bevorzugt von 2 bis 5 Mhz, besonders bevorzugt von 3,5 Mhz, beaufschlagt oder beaufschlagbar sein.
Beispielsweise kann die Erregerspule 120, insbesondere die Leiterbahn 162 der Erregerspule 120, den Erregerbereich 124 zumindest teilweise begrenzen, abgrenzen oder abstecken. So kann insbesondere die Leiterbahn 162 der Erregerspule 120 zumindest abschnittsweise kreisförmig ausgebildet sein und einen kreisförmigen und/oder zylinderförmigen Erregerbereich 124 abstecken. Insbesondere kann es sich bei dem Erregerbereich 124 um einen kreisförmigen Ausschnitt des Schaltungsträgers 118 handeln, wobei der kreisförmige Ausschnitt durch die äußere der konzentrisch um die Rotationsachse 112 angeordneten kreisförmigen Erregerwindungen 158 begrenzt sein kann. Insbesondere kann sich der Erregerbereich 124 dadurch auszeichnen, dass er bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms an die Erregerspule 120 derart von einem magnetischen Fluss durchsetzt ist, dass in einer in dem Erregerbereich 124 angeordneten Empfangsspule 120 aufgrund von induktiver Kopplung ein Signal induziert wird.
Das Sensorsystem 110 weist weiterhin ein Geberrad 114 mit Geberradprofil 116 auf. 7 zeigt das Geberrad 114. Das Geberradprofil 116 kann insbesondere eine Vielzahl an Profilelementen 164 umfassen. Insbesondere kann das Geberrad 114 mindestens, insbesondere genau, 2n Profilelemente 164 aufweisen, so dass die Anzahl von Profilelementen 164 mindestens, insbesondere genau, der Summe der Anzahl von den n ersten Teilwindungen 126 und den n zweiten Teilwindungen 128 einer der mindestens zwei Empfangsspulen 122 entspricht. Insbesondere können sich die benachbarten Profilelemente 164 in ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden. Beispielsweise können sich elektrisch leitfähige Profilelemente 164 mit Aussparungen oder mit elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Profilelementen 164 abwechseln, wie in 7 zu sehen. Weiterhin kann eine Summe von Öffnungswinkeln von zwei benachbarten Profilelementen 164 360°/n ergeben und damit gleich dem Öffnungswinkel α des Messbereichs 135 des Sensorsystems 110 sein. 7 stellt ein solches Geberrad 114 für den möglichen Fall n = 3 dar. Insbesondere können benachbarte Profilelemente 164 denselben Öffnungswinkel γ aufweisen, wobei γ gleich dem halben Öffnungswinkel α des Messbereichs 135 des Sensorsystems 110 sein kann. Insbesondere können die Öffnungswinkel von zwei, insbesondere jeweils zwei, benachbarten Profilelementen 164 gleich groß sein. Insbesondere kann das Geberrad 114 2n Profilelemente 164 aufweisen und die Öffnungswinkel γ der 2n Profilelemente 164 können alle gleich groß sein und 360/(2n) betragen. Ferner kann das Geberrad 114 rotationssymmetrisch sein. Ein Abstand des Geberrads 114 von den Empfangsspulen 122 und der Erregerspule 120 kann bei Verbindung des Geberrads 114 mit dem rotierenden Element 1 mm bis 30 mm, bevorzugt 2 mm bis 10 mm betragen. Das Geberrad 114 ist mit dem rotierenden Element verbindbar. Insbesondere kann das Gerberrad 114 mittels einer Schraubverbindung und/oder einer Klebverbindung mit dem rotierenden Element verbindbar sein. Weiterhin kann das Geberrad 114 mithilfe eines Längspressverfahrens hergestellt sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines wie weiter oben bereits beschriebenen oder weiter unten noch näher beschriebenen Sensorsystems umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle der Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Die Verfahrensschritte sind: in Schritt a) ein Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung an die Erregerspule (Verfahrensschritt 166), in Schritt b) Aufnehmen von mindestens zwei von der Erregerspule in den mindestens zwei Empfangsspulen erzeugten Signalen (Verfahrensschritt 168) und in Schritt c) ein Auswerten der Signale der Empfangsspulen und Ermitteln der Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mittels der aufgenommenen Signale (Verfahrensschritt 170). 8 zeigt das Verfahren
Das Auswerten der Signale in Schritt c) kann insbesondere ein Demodulieren der induzierten, aufgenommenen Signale der Empfangsspulen (122) mit einem Signal der Erregerspule (120) umfassen. Weiterhin kann das Auswerten ein Bestimmen von Betrag und Phase einer Kopplung zwischen der Erregerspule (120) und den Empfangsspulen (122) umfassen. Hierbei kann der Betrag kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Ferner kann Schritt c) ein Multiplizieren des Betrags mit dem Cosinus der Phase umfassen. Weiter kann Schritt c) ein Bestimmen des Drehwinkels umfassen, insbesondere mithilfe der Anwendung der Arkustangens-Funktion.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0909955 B1 [0004]
DE 102013225921 A1 [0005, 0006]
FR 2964735 A1 [0005, 0006]

Claims

Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements, wobei das Sensorsystem (110), mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad (114) umfasst, wobei das Geberrad (114) eine Geberradprofil (116) aufweist, wobei das Sensorsystem (110) mindestens einen Schaltungsträger (118) umfasst, wobei der Schaltungsträger (118) mindestens eine Erregerspule (120) sowie mindestens zwei Empfangsspulen (122) trägt, wobei die Erregerspule (120) mindestens einen Erregerbereich (124) begrenzt, wobei die zwei Empfangsspulen (122) in dem Erregerbereich (124) angeordnet sind, wobei die Empfangsspulen (122) relativ zueinander um die Rotationsachse (112) verdreht angeordnet sind, wobei die Empfangsspulen (122) jeweils die Rotationsachse (112) umschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen (122) jeweils eine gleiche Anzahl n von mindestens zwei ersten Teilwindungen (126) und mindestens zwei zweiten Teilwindungen (128) aufweisen, wobei die ersten Teilwindungen (126) und die zweiten Teilwindungen (128) gegenläufig orientiert sind.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Empfangsspulen (122) jeweils mindestens zwei Umkehrpunkte (136) aufweisen, wobei an den Umkehrpunkten (136) jeweils eine der ersten Teilwindungen (126) auf jeweils eine der zweiten Teilwindungen (128) derselben Empfangsspule (122) trifft.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Umkehrpunkt (136) Bestandteil von genau einer Empfangsspule (122) ist.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich für jede der Empfangsspulen (122) jede der ersten Teilwindungen (126) der Empfangsspule (122) jeweils mit mindestens einer der zweiten Teilwindungen (128) derselben Empfangsspule (122) mindestens einmal in mindestens einem Kreuzungspunkt (140) kreuzt, wobei die sich kreuzenden ersten (126) und zweiten Teilwindungen (128) in dem Kreuzungspunkt (140) in verschiedenen Ebenen des Schaltungsträgers (118) verlaufen.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kreuzungspunkte (140) der mindestens zwei Empfangsspulen (122) auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit Radius r_m um die Rotationsachse (112) angeordnet sind.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangsspulen (122) jeweils mindestens einen Empfangsbereich (142) begrenzen, wobei die Empfangsbereiche (142) deckungsgleich sind.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Empfangsbereiche (124) der Empfangsspulen (122) jeweils ringförmig ausgestaltet sind, wobei die Empfangsbereiche (142) konzentrisch um die Rotationsachse (112) angeordnet sind.
Sensorsystem (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der mindestens zwei Empfangsspulen (122) mindestens eine Kompensationsstruktur (134) aufweist, wobei die Kompensationsstruktur (134) eingerichtet ist, um mindestens ein von der Empfangsspule (122) erzeugtes Offset-Signal zumindest teilweise zu kompensieren, wobei die Kompensationsstruktur (134) außerhalb des Empfangsbereichs (142) und außerhalb des Erregerbereichs (124) angeordnet ist.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein Öffnungswinkel α eines Messbereichs (135) des Sensorsystems (110) aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen (126) oder von zweiten Teilwindungen (128) als 360°/n ergibt.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangsspulen (122) um einen Winkel Φ relativ zueinander um die Rotationsachse (112) verdreht angeordnet sind, wobei sich Φ aus der Anzahl n von ersten Teilwindungen (126) oder zweiten Teilwindungen (128) und aus der Anzahl m von Empfangsspulen (124) als 360°/ (2*n*m) ergibt.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, die Erregerspule (120) mindestens eine Erregerwindung (158) umfasst, wobei die Erregerwindungen (158) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Erregerwindungen (158) jeweils mit mindestens einer benachbarten Erregerwindung (158) mittels mindestens eines Verbindungsleiterstücks (160) verbunden sind.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Geberrad (114) eine Vielzahl von Profilelementen (164) umfasst, wobei die Vielzahl der Profilelemente (164) mindestens der Summe 2n der Anzahl n von den ersten Teilwindungen (126) und der Anzahl n von den zweiten Teilwindungen (128) einer der mindestens zwei Empfangsspulen (122) entspricht.
Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Summe von Öffnungswinkeln von zwei benachbarten Profilelementen 360°/n ergibt.
Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements, wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines Sensorsystems(110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Aufnehmen von mindestens zwei von der Erregerspule (120) in den mindestens zwei Empfangsspulen (122) erzeugten Signalen; und b) Auswerten der Signale und Ermitteln der Rotationseigenschaft mittels der Signale.