DE102009033242A1 - Drehmomentsensoranordnung mit Drehwinkel-Index-Erfassung - Google Patents

Drehmomentsensoranordnung mit Drehwinkel-Index-Erfassung Download PDF

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Henrik Antoni
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Abstract

Sensoranordnung, umfassend einen Drehmomentsensor (2) zur Messung des an eine erste Welle (1) angreifenden Drehmoments, wobei die Sensoranordnung eine Drehwinkel-Indexeinheit (3) aufweist, welche so ausgelegt ist, dass sie die Winkelstellung der ersten Welle (1) bezüglich eines definierten Drehwinkels und/oder definierten Drehwinkelbereichs erfassen und/oder identifizieren kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine funktional erweiterte Sensoranordnung auf Basis eines Drehmomentsensors vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
  • Der Drehmomentsensor und die Drehwinkel-Indexeinheit sind vorzugsweise in einer gemeinsamen Baugruppe integriert. Hierdurch können Herstellungskosten und Einbaukosten gesenkt werden. Die Sensorelemente und/oder elektronische Bauelemente des Drehmomentsensors und der Drehwinkel-Indexeinheit sind insbesondere auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und/oder auf einem gemeinsamen Chip.
  • Der Drehmomentsensor und die Drehwinkel-Indexeinheit sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie im Vergleich zueinander physikalisch unterschiedliche sensorische Erfassungsprinzipien nutzen. Der Drehmomentsensor nutzt insbesondere einen magnetischen Encoder und wenigstens ein Magnetfeldsensorelement und die Drehwinkel-Indexeinheit einen optischen Encoder und ein optisches Sensorelement.
  • Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt der ersten Welle umfasst, die beide mittels eines Torsionsstabes miteinander verbunden sind und gegeneinander verdrehbar ausgebildet und angeordnet sind, wobei auf dem ersten Wellenabschnitt ein magnetischer Encoder angeordnet ist und auf dem zweiten Wellenabschnitt zwei diesem Encoder zugeordnete Statorelemente mit jeweils abragenden Fingern angeordnet sind. Insbesondere umfassen dabei die Statorelemente jeweils ein weichmagnetisches Ringelement, welches bezüglich der ersten Welle axial abragende, besonders bevorzugt im Wesentlichen trapezförmig ausgebildete, Finger aufweist, wobei die Finger der beiden Statorelemente berührungslos ineinander greifen und wobei den Statorelementen gemeinsam wenigstens ein Magnetfeldsensorelement zugeordnet ist, mittels welchem direkt oder indirekt der relative Verdrehwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt erfasst wird, aus welchem auf das an der ersten Welle angreifende Drehmoment geschlossen wird. Solch ein Drehmomentsensor hat sich als relativ präzise und zuverlässig erwiesen. Diese Ausbildung trapezförmiger Finger hat sich als besonders geeignet für eine relativ präzise Leitung des magnetischen Feldes erwiesen.
  • Zweckmäßigerweise sind die beiden Wellenabschnitte jeweils in Form von auf der ersten Welle oder auf dem Torsionsstab befestigten Hülsen ausgebildet.
  • Alternativ vorzugsweise umfasst der Drehmomentsensor keinen Torsionsstab bzw. ist so ausgebildet, dass das Drehmoment an einer im Wesentlichen steifen Welle erfasst wird, wobei der Drehmomentsensor mindestens eines der folgenden Sensorelemente aufweist,
    • – Dehnungsmessstreifen,
    • – piezoelektrisches und/oder piezoresistives Sensorelement,
    • – magnetostriktives Sensorelement,
    • – Sensorelement basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen,
    wobei dieses mindestens eine Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle verbunden ist und/oder so ausgebildet und angeordnet ist, dass es ein an die erste Welle angreifendes Drehmoment erfassen kann. Das Sensorelement ist insbesondere auf einem Sensorträgermodul angeordnet, welches eine vereinfachte Montage auf der Welle ermöglicht, wobei dieses Sensorträgermodul in einer Ausnehmung der Welle angeordnet ist oder in Form einer Folie ausgebildet ist, welche auf der Welle angeordnet bzw. auf die Welle aufgebracht ist. Das Sensorträgermodul ist besonders bevorzugt so ausgebildet und in die Welle eingepasst und/oder mit dieser verbunden, dass das Sensorträgermodul durch das Drehmoment, welches an der Welle angreift, mit ausgelenkt wird und/oder eine in der Welle anliegende mechanische Spannung auf das Sensorträgermodul übertragen wird und dass das mindestens eine Sensorelement diese Auslenkung und/oder mechanische Spannung erfasst. Das Sensorträgermodul ist ganz besonders bevorzugt so ausgebildet, dass es seine elektrische Versorgungsenergie drahtlos erhält und Informationen drahtlos sendet bzw. überträgt. Dazu weist das Sensorträgermodul beispielsweise einen RFID-Chip(Radiofrequenz-Identifikation) auf.
  • Die Drehwinkel-Indexeinheit weist vorzugsweise ein Index-Encoderelement und ein, diesem zugeordnetes, Index-Sensorelement auf, wobei das Index-Encoderelement oder das Index-Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle verbunden ist und sich mit dieser dreht und das korrespondierende Index-Sensorelement oder das Index-Encoderelement ortsfest, berührungslos zur ersten Welle angeordnet ist. Das Index-Encoderelement ist insbesondere magnetisch oder optisch erfassbar und/oder elektrisch leitfähig ausgebildet, wobei das Index-Sensorelement mindestens ein Magnetfeldsensorelement und/oder eine Spule oder ein optisches Sensorelement umfasst. Das Index-Encoderelement ist besonders bevorzugt als magnetisch und/oder elektrisch leitfähige Scheibe oder Scheibensegment ausgebildet, welches im Wesentlichen senkrecht zur Achse der ersten Welle angeordnet ist. Alternativ ist das Index-Encoderelement besonders bevorzugt als Fahne bzw. Fahnenelement oder Finger oder Stanzung andere Codierung in einem Körper ausbildet, wobei dieser Körper selber und/oder die Indexcodierung magnetisch oder optisch erfassbar ausgebildet ist. Alternativ vorzugsweise ist das Index-Encoderelement als magnetisch leitfähige Lochscheibe oder Scheibe mit wenigstens einer Ausnehmung ausgebildet.
  • Unter dem Begriff Index-Sensorelement wird vorzugsweise der Ausdruck erstes Sensorelement und/oder der Ausdruck erstes Magnetfeldsensorelement verstanden.
  • Unter einem Magnetfeldsensorelement wird ein magneto elektrisches Wandlerelement, vorzugsweise ein Hallelement oder ein magnetoresistives Sensorelement, verstanden. Solch ein Magnetfeldsensorelement weist insbesondere eine integrierte, elektronische Signalverarbeitungsschaltung auf.
  • Das Index-Encoderelement ist bevorzugt mittels eines Trägerelements auf der ersten Welle oder einem der Wellenabschnitte des Drehmomentsensors befestigt. Insbesondere ist dieses Trägerelement im Wesentlichen ringförmig ausgebildet.
  • Unter einem Index-Encoderelement wird vorzugsweise ein Indexsegment verstanden, insbesondere hinsichtlich einer Erfassung dieses Indexsegmentes bezüglich eines relativen Verdrehwinkels zwischen dem Indexsegment und dem Index-Sensorelement bzw. Magnetfeldsensorelement.
  • Die Erfassung oder Nicht-Erfassung des Index-Encoderelements durch das Index-Sensorelement ermöglicht vorzugsweise die Feststellung, ob der jeweils zu einem definierten Zeitpunkt anliegende, relative Verdrehwinkel zwischen der ersten Welle und einem ortsfesten Referenzpunkt bzw. dem Index-Sensorelement innerhalb eines definierten Indexbereiches bzw. eines definierten Überlappungsbereiches liegt.
  • Es ist zweckmäßig, dass das Index-Encoderelement als magnetischer Encoder ausgebildet ist und die Drehwinkel-Indexeinheit zwei magnetisch leitfähige Leitbleche aufweist, welche das durch das Index-Encoderelement erzeugte oder modulierte Magnetfeld dem Index-Sensorelement zuführen und dass das Index-Sensorelement dadurch das Index- Encoderelement, insbesondere innerhalb eines definierten Überlappungsbereichs, bezüglich der erfassbaren Länge des Index-Encoderelements und der Länge der Leitbleche bezogen auf die jeweilige Umfangslinie, erfassen kann. Die Leitbleche ermöglichen die Verwendung eines relativ schwachen Magneten als Indexelement, wodurch anderen Sensormodule der Sensoranordnung die nach einem magnetischen Wirkprinzip arbeiten, wie beispielsweise ein optionales, weiter unten beschriebenes Drehmomentsensormodul, in möglichst geringem Umfang gestört werden.
  • Es ist bevorzugt, dass das Index-Encoderelement auf einem magnetischen Encoder eines Drehwinkelsensormoduls angeordnet ist und insbesondere direkt oder indirekt in der einen oder in den mehreren magnetischen Spuren dieses Encoders codiert ist. Alternativ vorzugsweise weist die Sensoranordnung kein Drehwinkelsensormodul mit diesem Encoder auf.
  • Die Sensoranordnung weist vorzugsweise einen Drehmomentsensor auf, welcher zumindest einen alternierend magnetisierten zweiten Encoder umfasst, dem zwei Statorelemente mit axial abragenden, ineinandergreifenden Fingern zugeordnet sind, wobei die Statorelemente das magnetische Feld des zweiten Encoders, insbesondere mittels zweier zusätzlicher Sammelbleche, an ein zweites Magnetfeldsensorelement zur Erfassung des zwischen den Wellenabschnitten bzw. des an der Welle anliegenden bzw. wirksamen Drehmoments leiten.
  • Das Index-Encoderelement ist bevorzugt auf einem Kragen eines der Statorelemente des Drehmomentsensors und oder einem Kragen eines zusätzlichen Encoders angeordnet. Hierdurch lässt sich das Index-Encoderelement relativ einfach und kostengünstig auf der ersten Welle und/oder einem der Wellenabschnitt befestigen.
  • Es ist zweckmäßig, dass die Drehwinkel-Indexeinheit ein erstes Sensorelement, insbesondere ein erstes Magnetfeldsensorelement, umfasst und der Drehmomentsensor ein zweites Magnetfeldsensorelement. Das erste zweite Magnetfeldsensorelement sowie wenigstens eine Signalverarbeitungsschaltung sind zweckmäßigerweise auf einer gemeinsamen Platine angeordnet.
  • Es ist bevorzugt, dass die Leitbleche der Drehwinkel-Indexeinheit bezüglich einer zur ersten Welle senkrechten Fläche unterschiedliche große Flächen aufweisen, wobei insbesondere das zum Drehmomentsensor benachbarte Leitblech eine größere Fläche aufweist als das andere Leitblech, wodurch eine Schirmung des Drehmomentsensors gegenüber dem Magnetfeld des magnetischen Index-Encoderelements erzielt wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die Statorelemente des Drehmomentsensors mittels eines gemeinsamen Verbindungselements, insbesondere aus gespritztem Kunststoff, miteinander verbunden sind. Hierdurch ist die relative Ausrichtung der beiden Statorelemente zueinander relativ präzise und fest eingestellt.
  • Die Sensoranordnung umfasst vorzugsweise ein gemeinsames Gehäuse.
  • Die Drehwinkel-Indexeinheit ist vorzugsweise gemäß einem der folgenden Erfassungsprinzipien ausgebildet:
    • – vorzugsweise Messung mittels Gabellichtschranke: Auf der ersten Welle ist eine optische Fahne bzw. Marke als Index-Encoderelement direkt oder indirekt befestigt, die sich mit der Welle dreht. Eine, insbesondere in einer Sensorelektronik integrierte, optische Sendeeinheit generiert eine elektromagnetische Welle, alternativ beispielhaft sichtbares oder nicht sichtbares Licht, und sendet diese in Richtung einer lichtempfindlichen Sensoreinheit. Das Index-Encoderelement wird durch die Lichtmenge auf der Empfangseinheit detektiert. Dieses Prinzip ist in Verbindung mit einem Drehmomentsensor besonders vorteilhaft, da die physikalischen Messprinzipien unterschiedlich sind.
    • – bevorzugt Messung mittels MR-Längensensor: Auf der ersten Welle wird ein magnetischer Encoder aufgebracht der mit alternierenden Polen magnetisiert ist. Als Leseeinheit dient ein magnetoresisitiver Längensensor der auf den Betrib mit einer definierten Pollänge ausgelegt ist. Am Indexort bzw. bei Erfassung des Indexsegments ist dessen Pollängen gegenüber dem restlichen Winkelbereich unterschiedlich, so dass eine Amplitudenänderung des Brückensignals des Längensensors gemessen wird.
    • – zweckmäßigerweise Messung mittels MR-Gradientensensor: Auf einem Sensorchip sind zwei orts-unterschiedliche magnetoresistive Strukturen aufgebracht, deren Einzelwiderstände jeweils paarweise miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das Sensorelement kann nun ein magnetisches Flag bzw. einen magnetischen Index, der/das als Index-Encoderelement mit der ersten Welle verbunden ist, erkennen, wobei magnetische Störfelder kompensiert werden können. Ein solcher Sen soraufbau ist beispielhaft in Druckschrift DE 4436876 dargestellt.
    • – bevorzugt Messung mittels Wirbelstromsensor: Ein Schwingkreis bestehend aus einer Spule die mit Wechselstrom gespeist wird. Wird nun ein Messflag als Index-Encoderelement vor die Spule bewegt, wird in dem Flag ein Wirbelstrom induziert, der nach dem Faradayschen Induktionsgesetz ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das dem Feld der Erregerspule entgegenwirkt und eine Änderung der Spulenimpedanz hervorruft.
    • – zweckmäßigerweise Messung mittels RFID: Auf der ersten Welle ist eine Antennestruktur als induktive Last (tag) angebracht, die mit der in Resonanz mit der Sende/Empfangseinheit gebracht werden kann. Wird das Tag nun an der Sende-/Empfangseinheit vorbeibewegt, wird der Schaltkreis in Resonanz gebracht. Besonders vorteilhaft ist die Kombination aus einem Sensor mit einer drahtlosen Signalübertragung auf Basis von RFID, und dem Indexsensor auf gleicher Basis, da die Komponenten wie Antennenstruktur und Resonanzkreis in gleicher Herstellungsweise realisiert werden können. Die Unterscheidung der Sensoren geschieht aufgrund der unterschiedlichen Signale, so kann zum Übertragen der Drehmomentinformation eine digitale Kodierung verwendt werden, wobei die Indexsensierung über die Amplitudenveränderung der Trägerfrequenz eindeutig erkannt werden kann.
    • – bevorzugt Messung mittels induktivem Näherungsschalter: Der induktive Näherungsschalter arbeitet ähnlich dem Wirbelstromsensor, eine mit Wechselstrom gespeiste Spule mit Ferritkern erzeugt ein Wechselfeld, das durch das Flag bedämpft wird und somit die Güte der Spule verändert.
    • – vorzugsweise Messung mittels Raddrehzahlsensor: Das Magnetfeld eines Raddrehzahlsensors oder eines schaltenden Hallsensors mit Hilfsmagneten wird durch ein Flag in seiner Richtung oder beim Hallsensor in seiner Flussdichte verändert, was vom Sensor registriert werden kann.
  • Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Drehmomentsensoranordnung mit Drehwinkel-Index-Erfassung, besonders bevorzugt in der Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
  • Zweckmäßigerweise bezieht sich die Erfindung außerdem auf ein Lenksystem mit einer der beanspruchten oder oben vorgeschlagenen Sensoranordnungen bzw. Sensoranordnungsvarianten, wobei die erste Welle mit einer Antriebseinheit, insbesondere einem Elektromotor oder einer hydraulischen Servoeinheit, direkt oder indirekt mechanisch gekoppelt ist, so dass die Antriebseinheit eine Drehbewegung der ersten Welle hervorrufen kann, wobei die Sensoranordnung einen Winkelsensor umfasst, welche den Drehwinkel der Antriebswelle der Antriebseinheit, als zweite Welle, erfasst, wobei der Winkelsensor und die Antriebseinheit insbesondere so ausgebildet sind, dass der Winkelsensor den Drehwinkel der zweiten Welle innerhalb einer Umdrehung absolut erfassen kann.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren, sowie aus Kombinationen der in dieser Beschreibung erläuterten Merkmale.
  • Es zeigen in schematischer Darstellung
  • 1, 2 beispielhafte Drehwinkel-Indexeinheiten,
  • 3 den Überlappbereich zwischen den Leitbleichen und dem Index-Encoderelement,
  • 4 eine beispielhafte Sensoranordnung, umfassend eine Drehwinkel-Indexeinheit und einen Drehmomentsensor mit Statorelementen, deren Finger einem magnetischen Encoder zugeordnet sind,
  • 5 eine alternative, relative Anordnung der Leitbleche zum Index-Encoderelement,
  • 6 bis 8 alternative, beispielhafte Ausführungsformen, umfassend den Drehmomentsensor aus 4 mit jeweils alternativen Drehwinkel-Indexeinheiten,
  • 9 eine Sensoranordnung umfassend einen Drehmomentsensor, der ein Drehmoment an einer steifen Welle erfasst, und eine Drehwinkel-Indexeinheit, die einen RFID umfasst,
  • 10 eine beispielhafte Sensoranordnung, die RFID-Technik sowohl zur Drehmomentinformationsübertragung als auch zur Indexin formationsübertragung nutzt, und
  • 11 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Drehwinkel-Indexeinheit mit einer optischen Gabellichtschranke.
  • 1 zeigt erste Welle 1, auf welcher Index-Encoderelement 13 mittels eines Trägerelements 16 befestigt ist. Erstes Magnetfeldsensorelement 11 erfasst beispielgemäß das Magnetfeld und damit die relative Stellung zu Index-Encoderelement 13, indem erfasst wird, ob sich der Erfassungsbereich des Magnetfeldsensorelements 11 und der Bereich des Index-Encoderelements 13 überlappen oder nicht.
  • In 2 ist Index-Encoderelement 13 als Dipolmagnet beispielgemäß mittels eines Trägerelements 16 auf erster Welle 1 befestigt. Index-Encoderelement 13 sind zwei Leitbleche 15a, b berührungslos zugeordnet. Diese Leitbleche 15a, b führen das Magnetfeld das Index-Encoderelements 13 bei geeigneter Relativstellung dem ersten Magnetfeldsensorelement 11 zu. Index-Encoderelement 13 braucht deshalb nur ein Magnetfeld mit einer relativ geringen Flussdichte zu erzeugen.
  • In 3 wird beispielhaft Überlappbereich ü zwischen Index-Encoderelement 13 bzw. 13', beispielgemäß als Permanentmagnet ausgebildet, gegenüber Leitblechen 15a und 15b, welche erstem Magnetfeldsensorelement 11 zugeordnet sind, dargestellt. Leitblech 15a ist dabei größer ausgebildet und deckt einen größeren Winkelbereich ab als Leitblech 15b. Im Überlappbereich ü erfasst erstes Magnetfeldsensorelement 11 Index-Encoderelement 13 bzw. 13'. Die größere Ausbildung von Leitblech 15a dient einer Abschirmung anderer Sensoranordnungsmodule insbesondere des Drehmomentsensors gegenüber dem Magnetfeld des Index-Encoderelements 13.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit einem Drehmomentsensor 2, umfassend einen alternierend magnetisierten Encoder 7, zwei Statorelemente 8a, b diesen zugeordnete Sammelbleche 18a, b und ein zweites Magnetfeldsensorelement 14, mit welchem das magnetische Feld des magnetischen Encoders 7 erfasst wird, welches in Abhängigkeit eines an erster Welle 1 angreifenden Drehmoments durch Statorelemente 8a, b moduliert wird. Statorelemente 8a, b sind jeweils aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet, ebenso wie Sammelbleche 18a, b, wobei Statorelemente 8a, b jeweils ein Ringelement 10 sowie trapezförmig ausgebildete Finger 9 aufweisen, welche axial bezüglich erster Welle 1 von den Ringelementen abragen und einander zugewandt, ineinandergreifend ausgebildet und angeordnet sind. Außerdem umfasst die Sensoranordnung eine Drehwinkel-Indexeinheit 3, welche mit Drehmomentsensor 2 eine gemeinsame, integrierte Baugruppe bildet. Drehwinkel-Indexeinheit 3 umfasst Index-Encoderelement 13, als Permanentmagnet ausgebildet, welches auf einem Kragen 19 eines der Statorelemente 8b angeordnet ist. Leitbleche 15a, b führen das Magnetfeld des als Dipolmagneten ausgebildeten Index-Encoderelements 13 dem ersten Magnetfeldsensorelement 11 zu. Magnetfeldsensorelemente 11, also das erste, und 14, also das zweite, sind auf einer gemeinsamen Elektronikplatine 20 angeordnet. Die Sensoranordnung weist ein gemeinsames Gehäuse 21, beispielgemäß aus Kunststoff ausgebildet, auf, in welches Stecker 22 integriert ist. Erste Welle umfasst beispielgemäß einen ersten 4 und einen zweiten 5 Wellenabschnitt, welche durch einen nicht dargestellten Torsionsstab miteinander verbunden sind. Dabei ist magnetischer Encoder 7 beispielgemäß auf erstem Wellenabschnitt 4 angeordnet und die Statorelemente 8a, 8b auf dem zweiten Wellenabschnitt 5. Die Drehwinkel-Indexeinheit 3 ist ebenfalls auf dem zweiten Wellenabschnitt 5 angeordnet.
  • In einem nicht dargestellten, alternativen Ausführungsbeispiel der obigen Sensoranordnung ist Drehwinkel-Indexeinheit so ausgebildet, dass diese keine Leitbleche umfasst, und stattdessen das Index-Sensorelement und das Index-Encoderelement einen deutlich geringeren Abstand zueinander aufweisen. Dies ist in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel gelöst, indem das ringförmige Index-Encoderelement einen deutlich größeren Außenradius um Vergleich zu 4 aufweist und somit bis auf einen relativ geringen Luftspalt direkt bis zum ersten Magnetfeldsensorelement bzw. Index-Sensorelement ragt.
  • In 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel bezüglich der relativen Anordnung des als Dipolmagnet ausgebildeten Index-Encoderelements 13 zu Leitblechen 15a, b und erstem Magnetfeldsensorelement 11 dargestellt. Leitbleche 15a, b sind Index-Encoderelement 13 nicht frontal sondern hauptsächlich seitlich zugeordnet.
  • 6 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung mit einer alternativen Drehwinkel-Indexeinheit 3, bei welcher erstes Sensorelement bzw. Index-Sensorelement 11 als von Wechselstrom durchflossene bzw. entsprechend angeregte Spule ausgebildet ist, welcher ein Index-Encoderelement 13 zugeordnet ist, das beispielsweise als Stahlnocke auf einem Trägerelement 16 auf erster Welle 1 angeordnet ist. Erstes Sensorelement 11 erfasst dabei die sich ändernde magnetische Leitfähigkeit ihres magnetischen Kreises, im Fall, dass ihm Stahlnocke 13 gegenüber angeordnet ist, im Vergleich dazu, wenn Stahlnocke 13 weggedreht ist.
  • In einem nicht zusätzlich dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Index-Encoderelement als elektrisch leitfähiger Finger bzw. Segment bzw. Fahne ausgebildet, in dem durch Spule 11 Wirbelströme erzeugt werden, welche Spule 11 im Fall einer gegenüberliegenden Positionierung elektrisch wieder beeinflussen bzw. eine Spannung in Spule 11 induzieren, wodurch ein gegenüber angeordnet sein bzw. eine entsprechend definierte Relativpositionierung zwischen Spule 11 und Finger 13 als definierter Drehwinkel bzw. Drehwinkelbereich identifiziert wird. Die Kombination des Drehmomentsensors mit dieser Drehwinkel-Indexeinheit, basierend auf einer Wirbelstromsensoreinheit ist vorteilhaft aufgrund der vernachlässigbaren gegenseitigen Beeinflussung, durch die starken Frequenzunterschiede der elektromagnetischen Felder.
  • In 7a) bis c) ist eine beispielhafte Drehwinkel-Indexeinheit 3 mit dem bereits anhand der 4 beschriebenen Drehmomentsensor zu einer gemeinsamen Baugruppe integriert, welche als erste Sensoreinheit bzw. Index- Sensoreinheit 11 einen Raddrehzahlsensor umfasst, der einen Permanentmagneten 23 mit Magnetisierung in Pfeilrichtung sowie ein magnetoresistives Sensorelement 24 aufweist. Der Index-Sensoreinheit 11 ist dabei ein auf erster Welle 1 angeordnetes, ringförmiges Index-Encoderelement 13 zugeordnet, welches aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet ist und zwei Kulissen 25, 26 aufweist, deren Ausbildung und Ausrichtung und den durch diese beeinflussten Magnetfeldverlauf in 7b), c) veranschaulicht ist. Je nach Ausbildung der Kulissen 25, 26 zueinander wird das Magnetfeld nach rechts oder links abgelenkt, was durch Sensorelement 24 erfasst wird. Der definierte Drehwinkelbereich der Drehwinkel-Indexeinheit ist beispielhaft durch eine relative Ausbildung der Kulissen 25, 26 zueinander gemäß 7b) codiert, wobei der andere Bereich dieser Kulissen 25, 26 des ringförmigen Index-Encoderelements 13 bezüglich einer Umfanglinie um erste Welle 1 gemäß 7b) ausgebildet ist.
  • Anhand der 8a) bis c) ist eine alternative, beispielhafte Drehwinkel-Indexeinheit 3 mit dem bereits anhand der 4 beschriebenen Drehmomentsensor zu einer gemeinsamen Baugruppe integriert, veranschaulicht, deren erste Sensoreinheit bzw. Index-Sensoreinheit 11 ein Magnetfeldsensorelement umfasst, das einige zueinander verschieden ausgerichtete sensitive Strukturen 27 umfasst. Diese sind im Wesentlichen entlang der Erfassungsrichtung bzw. der tangentialen Bewegungsrichtung des ringförmigen Index-Encoderelements 13 innerhalb des Magnetfeldsensorelements ausgebildet bzw. angeordnet. Die Ausrichtung dieser sensitiven Strukturen, also deren sensitive Erfassungsrichtung ist durch die durch diese durchgezogenen Balken veranschaulicht. Index-Encoderelement 13 weist entlang seiner in 8b) abgewickelt, dargestellten Encoderspur magnetische Polpaare jeweils definierter, gleicher Länge auf, mit Ausnahme der Pollänge des Indexsegments 17. Die daraus resultierende Amplitude A des Ausgangsignals des Magnetfeldsensorelements ist anhand der 8c) veranschaulicht. Indexsegment 17 und damit der definierte Drehwinkel bzw. Drehwinkelbereich wird über eine deutlich unterschiedliche Amplitude bezogen auf den Restwinkelbereich identifiziert. Eine solche Anordnung mit unterschiedlichen sensitiven Strukturen 27 hat sich als messtechnisch besonders robust erwiesen.
  • In 9 ist eine beispielhafte Sensoranordnung umfassend einen Drehmomentsensor, der ein Drehmoment an einer steifen Welle, als erste Welle 1, erfasst, und eine Drehwinkel-Indexeinheit, die einen RFID umfasst, dargestellt. Erste Welle 1 weist zur Drehmomenterfassung beispielgemäß keinen Torsionsstab auf, sondern das an der Welle angreifende Drehmoment wird mittels eines Sensorelements gemessen, das in einen RFID-Chip 29 integriert ist, welcher auf einem Sensorträgermodul 28 angeordnet ist, das eine vereinfachte Montage auf der Welle ermöglicht. Sensorträgermodul 28 in einer Ausnehmung der Welle angeordnet und in die Welle eingepasst. Das Sensorträgermodul 28 ist beispielhaft so ausgebildet, dass es seine elektrische Versorgungsenergie drahtlos erhält und Informationen drahtlos sendet bzw. überträgt. RFID-Chip 29 umfasst dabei das Sensorelement des Drehmomentsensors, das Index-Encoderelement sowie eine elektronische Signalverarbeitungsschaltung. Die elektrische Energieversorgung sowie die Drehmomentinformationsübertragung werden mittels erster Antenne 30 durchgeführt, wobei die Drehwinkel-Indexeinheit als Index-Sensorelement eine zusätzliche zweite Antenne 31 aufweist. Die Indexinformation zwischen RFID-Chip 29 und zweiter Antenne 31 wird mit deutlich anderer Frequenz drahtlos übertragen, wobei die dazu erforderlichen Bauteile entsprechend ausgelegt sind.
  • Das anhand der 9 beschriebene Ausführungsbeispiel wurde, wie in 10 gezeigt, beispielhaft weiterentwickelt. In 10c) sind zwei Kranzantennen 32a, b dargestellt, von denen eine, 32b, mit dem RFID-Chip 29 auf Sensorträgermodul 28, das in erste Welle 1 eingepasst ist, verbunden ist. Mittels dieser Kranzantennen wird die elektrische Energieversorgung für RFID-Chip 20 sowie die Drehmoment-Informationsübertragung durchgeführt. Die Drehwinkel-Indexeinheit umfasst bei dieser Sensoranordnung die beiden Kranzantennen, wobei eine 32b als Index-Encoderelement fungiert und die andere 32a als Index-Sensorelement, indem beide Kranzantennen im Wesentlichen geometrisch gleich ausgebildet sind und eine Lücke 33 aufweisen und die definierte Drehwinkel bzw. Drehwinkelbereich identifiziert bzw. erfasst wird, wenn sich beide Lücken gegenüberliegen. Dadurch wird die Kopplung reduziert, was anhand der Ausgangssignalamplitude wie in 10b) dargestellt, ermittelt werden kann.
  • Die beiden Kranzantennen 32a, b sind beispielgemäß so ausgebildet und angeordnet, dass sie die erste Welle 1 umgreifen, und dabei eine oder mehrere Windungen aufweisen, die im Wesentlichen geometrisch kongruent ausgebildet sind und dabei kreisringsegment-förmig bzw. hufeisen-förmig ausgebildet sind und jeweils eine definierte Lücke 33 aufweisen.
  • 11 zeigt ein alternatives, Ausführungsbeispiel einer Drehwinkel-Indexeinheit, welche als Index-Encoderelement eine optisch erfassbare Fahne 13 aufweist, welche auf erster Welle angeordnet ist und die mittels einer Gabellichtschranke als Index-Sensorelement 11 erfasst wird. Diese Gabellichtschranke weist dabei eine optische Sendeeinheit 34 auf, die alternativ beispielhaft sichtbare oder unsichtbare elektromagnetische Wellen emmitiert, die von optischer Sensoreinheit 35 erfasst werden, außer Fahne 13 ist zwischen Sendeeinheit 34 und Sensoreinheit 35 angeordnet, was den definierten Winkel bzw. Winkelbereich bzw. Index/Indexbereich identifiziert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4436876 [0023]

Claims (10)

  1. Sensoranordnung, umfassend einen Drehmomentsensor (2) zur Messung des an eine erste Welle (1) angreifenden Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine Drehwinkel-Indexeinheit (3) aufweist, welche so ausgelegt ist, dass sie die Winkelstellung der ersten Welle (1) bezüglich eines definierten Drehwinkels und/oder definierten Drehwinkelbereichs erfassen und/oder identifizieren kann.
  2. Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) und die Drehwinkel-Indexeinheit (3) in einer gemeinsamen Baugruppe integriert sind.
  3. Sensoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) und die Drehwinkel-Indexeinheit (3) so ausgebildet sind, dass sie im Vergleich zueinander physikalisch unterschiedliche sensorische Erfassungsprinzipien nutzen.
  4. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) einen ersten (4) und einen zweiten (5) Wellenabschnitt der ersten Welle (1) umfasst, die beide mittels eines Torsionsstabes miteinander verbunden sind und gegeneinander verdrehbar ausgebildet und angeordnet sind, wobei auf dem ersten Wellenabschnitt (4) ein magnetischer Encoder (7) angeordnet ist und auf dem zweiten Wellenabschnitt (5) zwei diesem Encoder (7) zugeordnete Statorelemente (8a, 8b) mit jeweils abragenden Fingern (9) angeordnet sind.
  5. Sensoranordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelemente (8a, 8b) jeweils ein weichmagnetisches Ringelement (10) umfassen, welches bezüglich der ersten Welle (1) axial abragende, insbesondere im Wesentlichen trapezförmig ausgebildete, Finger (9) aufweist, wobei die Finger der beiden Statorelemente berührungslos ineinander greifen und wobei den Statorelementen (8a, 8b) gemeinsam wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (14) zugeordnet ist, mittels welchem direkt oder indirekt der relative Verdrehwinkel zwischen dem ersten (4) und dem zweiten (5) Wellenabschnitt erfasst wird, aus welchem auf das an der ersten Welle (1) angreifende Drehmoment geschlossen wird.
  6. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) keinen Torsionsstab umfasst, wobei der Drehmomentsensor (2) mindestens eines der folgenden Sensorelemente aufweist, – Dehnungsmessstreifen, – piezoelektrisches und/oder piezoresistives Sensorelement, – magnetostriktives Sensorelement, – Sensorelement basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen, wobei dieses mindestens eine Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle (1) verbunden ist und/oder so ausgebildet und angeordnet ist, dass es ein an die erste Welle angreifendes Drehmoment erfassen kann.
  7. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkel-Indexeinheit (3) ein Index-Encoderelement (13) und ein, diesem zugeordnetes, Index-Sensorelement (11) aufweist, wobei das Index-Encoderelement oder das Index-Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle (1) verbunden ist und sich mit dieser dreht und das korrespondierende Index-Sensorelement (11) oder das Index-Encoderelement (13) ortsfest, berührungslos zur ersten Welle angeordnet ist.
  8. Sensoranordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Index-Encoderelement (13) magnetisch oder optisch erfassbar und/oder elektrisch leitfähig ausgebildet ist und dass das Index-Sensorelement (11) mindestens ein Magnetfeldsensorelement und/oder eine Spule oder ein optisches Sensorelement umfasst.
  9. Sensoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Index-Encoderelement (13) als magnetischer Encoder ausgebildet ist und die Drehwinkel-Indexeinheit (3) zwei magnetisch leitfähige Leitbleche (15a, 15b) aufweist, welche das durch das Index-Encoderelement (13) erzeugte oder modulierte Magnetfeld dem Index-Sensorelement (11) zuführen und dass das Index-Sensorelement dadurch das Index-Encoderelement, ins besondere innerhalb eines definierten Überlappungsbereichs (ü), bezüglich der erfassbaren Länge des Index-Encoderelements und der Länge der Leitbleche (15a, 15b) bezogen auf die jeweilige Umfangslinie, erfassen kann.
  10. Verwendung der Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kraftfahrzeugen.
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