CN102667434A - 用于联合获取转数和转矩的传感器装置 - Google Patents

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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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Abstract

提出了一种传感器装置，其具有至少两个在旋转的主体(03)的旋转轴(02)的轴向方向上相互隔开并且分别围绕该主体(03)安置的相位跟踪器(04、05)，并且其中对于每个相位跟踪器(04、05)具有至少一个相对于该旋转的主体(03)静止安置的、获取各个相位跟踪器(04、05)的传感器元件(11、12、13、14、15、16、17)。依据本发明设置有，至少一个关联至第一相位跟踪器(04)的第一传感器元件(11、15)与至少一个同样关联至该第一相位跟踪器(04)的第二传感器元件(12、16)连接成至少一个第一传感器元件桥(09)，该第一传感器元件桥(09)在俯视情况下实质上平行于该相位跟踪器(04、L)并且垂直于该旋转的主体(03)的该旋转轴(02)而延伸，并且至少一个关联至第二相位跟踪器(05)的传感器元件(14、17)与至少一个关联至该第一相位跟踪器(04)的传感器元件(13、15)连接成至少一个第二传感器元件桥，该第二传感器元件桥在俯视情况下与两个相位跟踪器(04、05、L)交叉地延伸。

Description

用于联合获取转数和转矩的传感器装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于联合获取转数和转矩的传感器装置。
背景技术
为了获取轴或一般旋转的主体的转数，例如曲轴处的电机转数，已知如下传感器装置，其具有以重复的、周期的标记(Markierung)的序列的形式围绕旋转的主体安置的、被描述为相位跟踪器(Phasenspur)的量具以及至少一个相对于旋转的主体静止安置的、获取相位跟踪器的传感器元件。在此，该传感器元件对于相位跟踪器的标记敏感并且例如当标记通过时和/或当相邻的标记变化时，传感器元件分别生成传感器信号，以便当超过确定的旋转角，例如超过完整的一周时，生成已知数量的传感器信号或传感器信号的已知序列，根据该些传感器信号，结合时间信号并借助于分析单元来确定转数或能够推出该类数据。
相位跟踪器的标记能够是视觉标记，以便传感器元件能够获取例如亮-暗-过渡。出于相同的目的，其他的传感器原理例如磁性或电容的传感器原理也是可能的。
相位跟踪器能够直接安置在旋转的主体上或安置在不可扭转的与该主体连接的元件上，例如传送轮(Geberrad)上。
传感器元件优选地使用霍尔元件，其中磁性地实施相位跟踪器的标记，例如，以交替安置磁的北极和南极的序列实施。除了霍尔元件，还已知使用磁阻元件，例如GMR元件(GMR＝GiantMagnetoresistance巨磁阻)。
已知传送轮可以是所谓的多极传送轮，其由有磁化能力的材料构成。在此，相应于齿轮的齿、所谓的钢传送轮的齿，如上所述，相位跟踪器的标记被磁化为沿圆周方向交替安置的磁的北极和南极。在此，还已知，以同类的铁磁性的材料，例如钢来制造并且磁化传送轮，也已知可使用塑料粘结的可磁化的材料来制造传送轮。
在将霍尔元件用作传感器元件时，能够进行例如差动分析，其中分析两个在圆周方向上相继安置的霍尔元件的信号之间的差值。在此，还已知所谓的霍尔ASIC，其能够分析磁场方向。此外，已知应用双通道的差动霍尔元件装置(以所谓的双差动传感器元件的形式)，以此除了转数之外还能够获取转动方向。这由总共三个传感器元件组成，其中两个传感器元件分别连接成反并联地连接的传感器元件桥。在此，两个传感器元件桥平行于相位跟踪器的运行方向而延伸，相位跟踪器的运行方向在俯视情况下垂直于旋转轴。
此外，例如通过EP 1 861 681 B1已知，至少在已知扭转刚度的旋转的主体的两个在沿着旋转轴的轴向方向上以已知的间隔相互隔开的横截面处分别以环绕的方式安置相位跟踪器，以便确定在旋转的主体的两个横截面之间传输的转矩，通过确定在两个横截面之间的扭转角并且借助于该扭转角通过扭转刚度来得出存在于两个横截面之间的转矩。直观上，扭转角是扭力(Drillung)而扭矩是作用的(angreifend)旋转力矩。
此外，通过EP 1 861 681 B1已知，在获取旋转的主体的转角时，通过使用多个互相平行的、环形安置的相位跟踪器和所有相位跟踪器的矩阵结合(matrixgebunden)分析来补偿在通过最优地获取或辨别标记的经过而在传感器元件处给出的传感器轨迹与在俯视情况下垂直于旋转轴运行的相位跟踪器的运行方向之间的歪斜。
发明内容
依据本发明，传感器装置至少设置有分别以环绕的方式安置在已知扭转刚度的旋转的主体的至少两个在沿着旋转轴的轴向方向上以已知的间隔相互隔开的横截面处的相位跟踪器。传感器装置对于每个相位跟踪器具有至少一个相对于旋转的主体静止安置的、获取各个相位跟踪器的传感器元件，在主体旋转的情况下，与旋转轴交叉的每个相位跟踪器经过传感器元件。在与传感器元件分别相关联的相位跟踪器的标记经过时和/或当与传感器元件分别相关联的相邻的标记变化时，每个传感器元件分别生成传感器信号。至少两个关联至第一相位跟踪器的传感器元件连接成至少一个第一传感器元件桥，以用于至少获取旋转的主体的转数。在俯视情况下，第一传感器元件桥基本上平行于相位跟踪器并且基本上垂直于旋转的主体的旋转轴而延伸。至少一个关联至第二相位跟踪器的传感器元件与至少一个关联至第一相位跟踪器的传感器元件连接成至少一个第二传感器元件桥，其用于获取在旋转的主体的两个横截面之间传输的转矩。对于后者，通过借助于两个传感器桥来确定在两个横截面之间的扭转角并且借助于该扭转角通过旋转的主体的已知的扭转刚度来得出存在于两个横截面之间的转矩也是可行的。在此，在俯视情况下，第二传感器元件桥与两个相位跟踪器交叉地延伸，例如基本上垂直于两个相位跟踪器并且平行于旋转的主体的旋转轴而延伸。由此，在俯视情况下，第一传感器元件桥刚好在第一相位跟踪器上以平行地运行的相位跟踪器的运行方向延伸，然而在俯视情况下，第二传感器桥与相位跟踪器的运行方向交叉地(例如与相位跟踪器的运行方向成直角)延伸，以便第一和第二传感器元件桥形成不等于0°至180°的整数倍的角度。尤其优选地，第一和第二传感器元件桥相互垂直。
优选地，数字地分析为了获取转数而设置的第一传感器元件桥和为了获取转矩而设置的第二传感器元件桥。替代地，还能够模拟地分析一个或两个传感器元件桥。
此外，能够双差动地(例如能够通过平行地安置两个传感器元件桥)实现转数获取，由此可识别转动方向。
相位跟踪器够直接安置在旋转的主体上或安置在不可扭转地与该主体连接的元件，例如传送轮上。相位跟踪器的标记能够是视觉标记，以便传感器元件能够获取例如亮-暗-过渡。也能够考虑其他的传感器原理例如磁性或电容的传感器原理。同样，也能够考虑它们的结合，例如能够分别以不同的传感器元件来实施获取。替代地或附加地，还能够磁性地实施相位跟踪器的标记或至少一个相位跟踪器的标记，例如以交替安置磁的北和南极的序列来实施，由此实现了将霍尔元件用作传感器元件的可能性。因此，此外以仅用可安置在共同的外壳和/或共同的芯片中的传感器装置来实现用于获取旋转的主体的转数以及通过该旋转的主体传输的转矩的整体的应用。
相对于现有技术，依据本发明的传感器装置的优点特别在于，通过借助于两个例如相互成直角安置的传感器桥来联合获取转数和转矩，能够尤其节省空间地并且低成本地将两个功能集成在一个外壳中。此外可能的是，例如在使用智能的电接口的情况下，仅通过一条信号线路来输出两个信息，有关转数的信息和有关转矩的那些信息，由此例如实现了节省了成本、材料和时间，因为仅需要建立一条电连接。此外，在安装在机动车中时，该传感器装置例如实现了将转矩用作控制变量，由此能够省去目前所必需的其他传感器。例如借助于该传感器装置，电机控制装置能够将驾驶员期望的例如通过踏板位置而预先给定的转矩与实际上电机所输出的转矩之间的差用作控制变量。
根据本发明的有利的设计方案，设置有，与关联至第二相位跟踪器的传感器元件连接成第二传感器元件桥的、关联至第一相位跟踪器的传感器元件是第一传感器元件桥的一个传感器元件。因此，为了一次就能可靠地获取转数和转矩，需要三个对相位跟踪器的标记敏感的传感器元件，由此能够尤其低成本并且紧凑地构造传感器装置。此外，传感器装置用少量的接线端与分析单元连接，例如刚好四个接线端用于接地、电源电压、转数信号和转矩信号。也能够考虑如下的实施形式，其中通过共同的信号线路来输出有关转数和转矩的两个信息。
第一和第二传感器元件桥能够安置在传感器的共同的外壳中。
替代地或附加地，第一和第二传感器元件桥能够安置在共同的芯片中，形成非常紧凑的传感器芯片。
第一和第二相位跟踪器至少能够安置在两个分离的、与旋转的主体连接的传送轮上。同样，能够考虑仅将一个相位跟踪器安置在一个传送轮上，而将另一个相位跟踪器直接安置或安装在旋转的主体上。能够将开头所述的多极传送轮作为传送轮使用。
优选地，至少一个传感器桥的传感器元件至少是霍尔元件，其中各自所属的相位跟踪器包括磁的标记，例如交替安置的磁的南和北极的序列。
替代地或附加地，能够考虑的是，至少一个传感器桥的传感器元件至少是磁阻元件(例如GMR；巨磁阻)。
依据本发明的传感器装置的特别有利的设计方案包括至少另一个平行于第一传感器元件桥安置的传感器元件桥，其例如由关联至第一相位跟踪器的第三传感器元件和同样关联至第一相位跟踪器的第四传感器元件组成。替代地，能够考虑的是，通过连接第一传感器元件桥的传感器元件与第三传感器元件来建立另一传感器元件桥。该另一传感器元件桥与第一传感器元件桥一起实现了在获取转数之外还可获取旋转的主体的转动方向。在此，第一和另一传感器元件桥能够例如以所谓的双差动的传感器元件的形式形成开头所述的差动传感器元件装置。
附图说明
下面结合在附图中所示的实施例对本发明进行详细阐述。在此，相同的附图标记描述了相同或起相同作用的元件。附图中：
图1立体地示出了具有两个在旋转轴的轴向方向上相互隔开、围绕主体安置的相位跟踪器的传感器装置的示意图。
图2示出了图1中的在没有转矩的状态下的传感器装置的两个相位跟踪器的过程示意图，其中在俯视情况下所示装置具有第一和第二传感器元件桥。
图3示出了图2处于具有转矩的状态下示意图。
图4示出了关于观察时期的在几乎没有转矩的状态下的第二传感器元件桥的传感器元件的信号曲线(图4a和b)以及信号的差(图4c)的示意图。
图5示出了关于观察时期的在具有转矩的状态下的第二传感器元件桥的传感器元件的信号曲线(图5a和b)以及信号的差(图5c)的示意图。
图6示出了根据第一实施例的具有第一和第二传感器元件桥的传感器的构造示意图。
图7示出了根据第二实施例的具有第一和第二传感器元件桥的传感器的构造示意图。
具体实施方式
在图1至图3中完整地或部分地示出其结构的传感器装置01具有两个相位跟踪器04、05，其分别围绕旋转的主体03安置在沿着旋转的主体03的旋转轴02的轴向方向上以已知的间隔相互隔开的两个横截面06、07上。相位跟踪器04、05中的每一个由周期地交替安置的标记N、S的序列组成，例如由周期地交替安置的磁的北极和南极的序列组成。
旋转的主体03具有已知的、也被描述为抗扭刚度的扭转刚度，其由旋转的主体03的几何结构的极的平面转动惯量和旋转的主体03的材料的刚性模量的乘积得出。
相位跟踪器04、05能够例如被安置在两个表示这两个横截面06、07的传送轮上，其例如通过适合的轴或具有适合的扭转刚度或扭力弹簧刚度的扭力弹簧相互连接。
此外，传感器装置01具有传感器08，其由相对于旋转的主体03静止安置的传感器元件11、12、13、14(图2、3和6)以及15、16、17(图7)组成。每个传感器元件11、12、13、14以及15、16、17分别被关联至相位跟踪器04、05，以便在旋转的主体03上，每个相位跟踪器04、05与旋转轴交叉并经过传感器元件11、12、13、14以及15、16、17。在此，传感器元件11、12、13、14以及15、16、17对标记N、S或对标记N、S的变化敏感，以便在经过与传感器元件11、12、13、14以及15、16、17分别相关联的相位跟踪器04、05的标记N、S和/或当相邻的标记N、S变化时，每个传感器元件11、12、13、14以及15、16、17分别生成传感器信号。
在传感器8中，传感器元件11、12、13、14或15、16、17分别连接至两个优选地互相成直角安置的传感器元件桥09、10。
需要重要地强调的是，传感器装置01的传感器元件桥09、10能够基本上被安置成每个与0°和180°的整数倍的不同的角度，以便同时获取转数和转矩。在两个传感器元件桥09、10之间成固定的90°的角并不是必需的。
在图2、3和6中示出的传感器08中，关联至第一相位跟踪器04的两个传感器元件11、12连接至第一传感器元件桥09，而关联至第一相位跟踪器04的传感器元件13和关联至第二相位跟踪器05的传感器元件14连接至第二传感器元件桥10。在俯视情况下，第一传感器元件桥09平行于两个相位跟踪器04、05延伸，相应地平行于相位跟踪器04、05的运行方向L延伸，并且垂直于旋转的主体03的旋转轴02。在俯视情况下，第二传感器元件桥10例如垂直于两个相位跟踪器04、05并且平行于旋转的主体03的旋转轴02延伸，以便该桥以直角跨过两个相位跟踪器04、05。第一传感器元件桥09适合于确定旋转的主体03的转数，其中第二传感器元件桥10适合于确定通过旋转的主体03在两个横截面06、07之间传输的转矩，如下文借助于图2至5详细解释的那样。
在此，图2示意性地示出了没有转矩的状态，在该状态中在旋转的主体03的横截面06、07之间不传输转矩，以及图3示出了具有转矩的状态，在该状态中在旋转的主体03的横截面06、07之间传输最大转矩。图4和5示出了关于沿着横坐标概念上向前的观察时期的两个连接至第二传感器桥10的传感器元件13、14的信号GR1、GR2的曲线。信号与例如构造为磁的北和南极的标记N、S的磁场B成比例，因此纵坐标符号上设置成了磁场强度的符号B。
如图4所示，如果在旋转的主体03上的两个横截面06、07之间没有转矩或几乎没有转矩，第二传感器元件桥10的传感器元件13、14的信号GR1(图4a)和GR2(图4b)相位相同，因为两个相位跟踪器04、05的标记N、S分别以彼此相同的幅度经过第二传感器元件桥10的传感器元件13、14。这随着增长的转矩而变化，如图5中示出了最大的转矩。在转矩最大的情况下，两个信号GR1(图5a)和GR2(图5b)的相位刚好错开，因为目前两个相位跟踪器04、05的标记N、S相互错开地经过第二传感器元件桥10的传感器元件13、14。
因此，在图4c和图5c中的信号GR1(图4a和b)和GR2(图5a和b)的曲线下面示出的两个信号GR1和GR2的差ΔB＝GR2-GR1以及该差的最大幅度提供了两个横截面06、07相互扭转的量度。在已知旋转的主体03的扭转刚度及横截面06、07之间的间隔的情况下，以及在已知制造旋转的主体03的材料的刚性模量的情况下，能够借助于两个信号GR1和GR2的差ΔB直接推导出通过旋转的主体03在旋转的主体03的两个横截面06、07之间传输的转矩。
在图6和7中，示出了例如在共同的芯片18上的传感器08的两个传感器元件桥09、10的构造的实施替代形式。
在图6中示出的变形中设置有，借助于适合的、例如构造在芯片18上的传感器元件11、12以及13、14构建两个传感器元件桥09、10中的每个。在此，关联至第一相位跟踪器04的第一传感器元件11与同样关联至第一相位跟踪器04的第二传感器元件12连接成第一传感器元件桥09，以用于确定转数，并且第一传感器元件桥09优选地大致平行于第一相位跟踪器04或两个相位跟踪器04、05的运行方向L。关联至第二相位跟踪器05的传感器元件14与关联至第一相位跟踪器04的传感器元件13连接成第二传感器元件桥10，其设置成用于确定转矩，第二传感器元件桥10垂直于两个相位跟踪器04、05的运行方向L延伸，并且跨过两个相位跟踪器04、05。
相反，在图7中示出的变形中，示出了安置在共同的芯片18上的仅仅三个示例性的传感器元件15、16、17。在此同样设置有，关联至第一相位跟踪器04的第一传感器元件15与同样关联至第一相位跟踪器04的第二传感器元件16连接成第一传感器元件桥09，以用于确定转数，并且第一传感器元件桥09平行于第一相位跟踪器04或两个相位跟踪器04、05的运行方向L。然而与图6中示出的不同的是，在此如此设置，即关联至第二相位跟踪器05的传感器元件17与关联至第一相位跟踪器04并且与传感器元件16连接成第一传感器元件桥09的第一传感器元件15连接成第二传感器元件桥10，以使得第一传感器元件15既是第一传感器元件桥09的组成部分，也是与第一传感器元件桥09优选地成直角延伸的传感器元件桥10的组成部分。
在全部图2、3和6、7中示出的传感器08的实施例变形中，两个传感器元件桥09，110的传感器元件11、12、13、14以及15、16、17能够安置在共同的外壳中，例如以合适的ASIC外壳(专用集成电路)，和/或安置在共同的芯片18中和/或安置在共同的传感器外壳内。
此外，需要强调的是，还能够通过例如在轴上相互隔开安置的传送轮来表示两个横截面06、07。在此，轴形成了具有已知的扭转刚度的旋转的主体03。随后，相位跟踪器04、05的运行方向L相应于传送轮的运行方向。
优选地，可以考虑将霍尔元件作为传感器元件，其中两个相位跟踪器04、05的标记N、S随后如所述被构造为周期地交替安置的磁的南极和北极。同样，能够考虑使用例如GMR元件的磁阻元件。

Claims (9)

1.一种传感器装置(01)，其具有至少两个在旋转的主体(03)的旋转轴(02)的轴向方向上相互隔开并且分别围绕所述主体(03)安置的相位跟踪器(04、05)，并且其中对于每个相位跟踪器(04、05)具有至少一个相对于所述旋转的主体(03)静止安置的、获取所述各个相位跟踪器(04、05)的传感器元件(11、12、13、14、15、16、17)，其特征在于，
至少一个关联至第一相位跟踪器(04)的第一传感器元件(11、15)与至少一个同样关联至所述第一相位跟踪器(04)的第二传感器元件(12、16)连接成至少一个第一传感器元件桥(09)，所述第一传感器元件桥(09)在俯视情况下实质上平行于所述相位跟踪器(04、L)并且垂直于所述旋转的主体(03)的所述旋转轴(02)而延伸，并且至少一个关联至第二相位跟踪器(05)的传感器元件(14、17)与至少一个关联至所述第一相位跟踪器(04)的传感器元件(13、15)连接成至少一个第二传感器元件桥(10)，所述第二传感器元件桥(10)在俯视情况下与所述两个相位跟踪器(04、05、L)交叉地延伸。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述第二传感器元件桥在俯视情况下至少近似直角地与所述第一传感器元件桥连接，并且所述第二传感器元件桥在俯视情况下实质上垂直于所述两个相位跟踪器(04、05、L)并且平行于所述旋转轴(02)而延伸。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，与关联至所述第二相位跟踪器(05)的所述传感器元件(17)连接成所述第二传感器元件桥(10)的、关联至所述第一相位跟踪器(04)的所述传感器元件(15)是所述第一传感器元件桥(09)的一个传感器元件(15、16)。
4.根据权利要求1、2或3所述的传感器装置，其特征在于，所述第一和所述第二传感器元件桥(09、10)安置在一个共同的外壳中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所第一和所述第二传感器元件桥(09、10)安置在一个共同的芯片上(18)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述第一和所述第二相位跟踪器(04、05)至少安置在两个分离的、与所述旋转的主体(03)连接的传送轮上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，至少一个传感器桥(09、10)的所述传感器元件(11、12、13、14、15、16、17)至少是霍尔元件，其中所述各自所属的相位跟踪器(04、05)包括磁的标记(N、S)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，至少一个传感器桥(09、10)的所述传感器元件(11、12、13、14、15、16、17)至少是磁阻元件，优选地是GMR元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，包括至少另一个平行于所述第一传感器元件桥(09)安置的传感器元件桥。
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