CN102889852A - 旋转角和转矩传感器 - Google Patents

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Abstract

旋转角和转矩传感器，其具有两个齿轮(4,5)，两个齿轮(4,5)连接以便不随着轴段(1,2)转动，齿轮(4,5)与齿轮(6,7)啮合。在其中一个齿轮（7）上附连单极或多极磁体(12,13)。在另一齿轮（6）上，附连与极数匹配的磁通引导件(17,18)，所述磁通引导件(17,18)被配置为L形。所述磁通换能器(17,18)的一个支腿指向多极磁体(12,13)的方向，而另外的支腿平行于齿轮（6）延伸且实际上在齿轮（6）一侧存在一个支腿且在齿轮（6）的另一侧存在另一支腿，且这些支腿之间围绕有位于齿轮（6）中的第二传感器（16）。

Description

旋转角和转矩传感器
技术领域
本发明涉及根据专利权利要求1的前序的旋转角和转矩传感器。这样的传感器从DE 198 34 322 A1已知。
背景技术
本发明的优选应用领域为机动车辆的转向，其中不仅要测量转向器轴的转角，而且还要测量施加在转向器轴上充当转矩的力。此转矩可测量为置于转向器轴的两个部段之间的扭杆的转矩角。就此而言，扭杆的其它参数是已知的。
最初提到的DE 198 34 322 A1公开了一种用于同时测量可转动轴的转矩和旋转角的旋转角和转矩传感器。在两个轴段上放置第一齿轮和第二齿轮，它们随着所分配的轴段转动。第一齿轮与携带磁体的第三齿轮啮合。第一磁性传感器分配给该磁体。另一轴段的第二齿轮与第四齿轮和第五齿轮啮合，且也给这些齿轮分配磁体和磁性传感器。第四齿轮与第五齿轮的齿数相差至少1，使得能以已知方式来确定轴段的绝对旋转角，即使是对于大于360°的旋转角而言。在第三齿轮和第四齿轮上的齿数相同，且同样第一齿轮和第二齿轮的齿数也相同，使得对于无转矩旋转，第三齿轮和第四齿轮同步转动。但如果出现转矩，那么在第一轴段与第二轴段之间出现扭转或转矩角，使得第三齿轮和第四齿轮具有不同的旋转设置，这可通过评估分配给第三齿轮和第四齿轮的磁性传感器来确定，因为从这两个传感器的输出信号形成差异信号。简要地总结，已知的旋转角和转矩传感器具有五个齿轮、三个磁体和三个磁性传感器。
用于测量旋转角和/或转矩的类似的传感器也从EP 1 426 750 A1和US 7,258,027 B2已知，其中也使用齿轮、磁体和磁性传感器。
在最初提到的传感器中，问题在于磁体相互屏蔽，这些磁体的磁场允许仅影响所分配的磁性传感器，而不是邻接磁性传感器的磁体。因此关于这样的传感器的小型化，可能出现问题。而且，磁体的材料成本是非常重要的方面。
发明内容
因此，本发明的任务是为了产生一种更简单且更少干扰的旋转角和转矩传感器，其也能以更具有成本效益的方式制造。
这个问题由专利权利要求1所示的特点解决。本发明的有利实施例和额外形式在附属权利要求中给出。
如在现有技术中那样，本发明的旋转角和转矩传感器使用五个齿轮和三个传感器，但是仅使用两个磁体。两个磁性传感器分配给磁体之一。第一磁性传感器直接分配给相对应的磁体且检测其角设置。本发明规定至少两个圆弧段形磁性引导件分配给第一磁体，每个弧段彼此成一定间隔。这些圆弧段形磁性引导件的磁场由相对应数量的磁通引导件引导到第二磁性引导件，第二磁性传感器测量磁场强度且优选地为霍尔传感器。
附图说明
在下文中，使用与附图有关的实施例示例来更详细地解释本发明。附图示出:
图1：从斜上方观察的根据本发明的旋转角和转矩传感器的示意透视图。
图2：从斜下方观察的图1的旋转角和转矩传感器的透视示意图。
图3:图1和图2的旋转角和转矩传感器的截面图。
图4:沿着图3的线A-A所截取的放大截面。
图5:本发明的第二实施例示例的类似于图4的截面图。
图6:本发明的第二实施例示例的类似于图1的视图。
图7:类似于图6的视图，但省略了齿轮以使得磁通引导件的布置清楚。
具体实施方式
图1至图3的传感器附连到轴上，该轴具有第一轴段1和第二轴段2，第一轴段1例如为机动车辆转向机构的转向器轴，第二轴段2例如为所谓的机动车辆转向的小齿轮轴。两个轴段1和2由扭杆3而彼此连接。
附连带有多个齿N1的第一齿轮4以便不随着第一轴段1转动。具有相同齿数N1的第二齿轮5与第二轴段2连接。第一齿轮4与第三齿轮6啮合，第三齿轮6具有第二齿数N2，出于传动比的目的，第二齿数N2通常显著地小于齿数N1。第二齿轮5与第四齿轮7啮合，第四齿轮7具有与第三齿轮6相同的齿轮模数。此外，第二齿轮5与第五齿轮8啮合，第五齿轮8的齿数N3同样显著地小于第二齿轮5的齿数N1，但其不同于齿数N2且实际上优选地相差至少一个齿。
第一磁体9分配给第四齿轮7，第一磁体9随着齿轮7一起转动且被直径地磁化。
第二磁体10分配给第五齿轮8上，第二磁体10随着第五齿轮8转动且同样被直径地磁化。
第一传感器11分配给第一磁体9，第一传感器11固定地放置于条形导体板24上且检测第一磁体9的旋转设置。此例如可为AMR传感器。
第一传感器11放置于第四齿轮7的指向第二轴段2的一侧。在第四齿轮7的指向第一轴段1的一侧放置至少两个圆弧段形磁性引导件12和13，磁性引导件12和13与第一磁体9以磁力耦合。在圆弧段形磁性引导件之间存在间隔14，间隔14形成空气间隙。由铁磁材料制成的两个磁性引导件12和13连接成以便不随着第四齿轮7转动且被配置为平盘。磁性引导件12由第一磁体9在第一磁方向（例如南向）被磁化，而另一磁性引导件13在相反方向被磁化（例如北向）。因此，在两个磁性引导件12与13之间的间隔14形成空气间隙。
应理解，第四齿轮7可由非磁性材料制成。
第三齿轮6和第四齿轮7能绕共同旋转轴线15旋转，旋转轴线15平行于轴的旋转轴线。
第二磁性传感器16放置于第三齿轮6的中心开口20中。此外，匹配圆弧段形磁性引导件12和13的数量的多个磁通引导件17和18附连到第三齿轮6。在图3的截面图中，磁通引导件17和18基本上为L形，且在每种情况下，一个支腿在圆弧段形磁通引导件12和13的方向中突出且在那里止于微小间隔19，此间隔19形成空气间隙。磁通引导件17和18的其它支腿平行于第三齿轮6的平面延伸，且这些水平支腿之一在第三齿轮6的一侧上延伸且这些平行支腿中的另一个在第三齿轮6的另一侧上延伸。因此，第二传感器16位于磁通引导件17和18的两个水平支腿之间，为此，第三齿轮6具有凹口20。第二磁性传感器16由引脚21保持，引脚21附连到固定条形导体板22。引脚21穿过在磁通引导件17的水平支腿中的开口23突出，且电导体通过此引脚被引导到第二磁性传感器16。
作为引脚21的替代，也可仅用电导体来支承第二磁性传感器16，如果它们具有充分的机械强度。
圆弧段形磁性引导件12和13（一方面）和磁通引导件17和18（另一方面）放置成使得指向磁性引导件12和13的磁通引导件17和18的支腿处于中立设置，中立设置由零转矩角限定，在两个圆弧段形磁性引导件12和13之间的间隔14正上方。因此，在圆弧段形磁性引导件12与13的极之间的磁路延伸穿过磁通引导件17和18的上文所提到的支腿和其中放置第二传感器16的间隙，使得在磁通引导件17与18的水平支腿之间不出现磁场且第二传感器16仍不生成输出信号。如果在两个轴段1与2之间出现转矩角，那么第三齿轮6与第四齿轮7不同地扭转，使得磁通引导件17和18的朝向圆弧段形磁性引导件12和13突出的支腿穿过间隔14所形成的空气间隙而扭出，且经由磁通引导件17和18，磁场导向至第二传感器16，第二传感器16传递与磁场强度成比例的输出信号，该输出信号为待测量的转矩角的测量值。
分配给第二磁体10的第三传感器25被设计成类似于第一传感器11且附连到固定条形导体板24上，第一传感器11和第三传感器25能附连到共同条形导体板24上。由于第四齿轮7与第五齿轮8具有不同齿数（N2和N3），其优选地差别为至少1，那么以已知方式，对于第二轴段2的旋转角也能检测到超过360°的角范围。
负责转矩角的第二传感器16的灵敏度基本上取决于齿轮的N1:N2传动比。传动比越大，两个齿轮6与7相对于彼此的相对扭转就越大(若存在转矩角）。
但是，高传动比必需要很小直径和因此第三齿轮6和第四齿轮7的齿数较少。由于这些齿轮6和7实际上由塑料制成，齿数不能制成为像所需要那样小，因为如果轴段1和2迅速旋转，那么会由于摩擦而出现高温，且因此对齿轮的更大磨损。
尽管如此，为了获得对转矩角更高的测量灵敏度和更高的分辨能力，根据图5至图7的本发明的另外的实施例规定使用多极轴向磁化磁体和更大量的磁通引导件。
在图5的实施例示例中，在第四齿轮7上放置具有六个圆弧段形磁性区段26、27、28、29、30、31的多极磁体，这些磁性区段在北向和南向中交替磁化。对应于圆弧段形磁性区段的数量，设置相对应的多个磁通引导件32、33、34、35、36，37，且磁通引导件32、34、36彼此连接且其水平支腿在第三齿轮6的一侧上延伸，而其它磁通引导件33、35和37连接到彼此且其水平支腿在第三齿轮6的另一侧上延伸。由于这种布置，在第三齿轮6与第四齿轮7之间较小的相对旋转角导致在第二传感器16上磁场的更大变化且因此导致提高的对于转矩角测量的分辨能力。
对于此实施例示例，根据一变型，第一磁体9可提供为双极直径磁化的磁体，如在图1和图3的实施例示例中那样，且在第四齿轮7一侧上的第一磁体9和在第四齿轮7另一侧上的多极磁体通过磁屏蔽板39而彼此解耦，使得第一磁体9具有与第一实施例示例相同的功能。根据一替代方案，第一磁体9也可由磁性电缆替换，磁性电缆延伸穿过多极磁体的南极和北极，多极磁体穿过第四齿轮7且穿过磁屏蔽板39中的开口，以将双极磁体的相对应的磁场效应传到第一磁性传感器11。
而且，使用多极磁体具有以下优点：当出现转矩时，所造成的作用于第二传感器16上的磁场强度比使用图1至图3的实施例示例的双极磁体9的情况更强。
为了全面起见，再次提到所有齿轮4至8由如塑料的非磁性材料制成。齿轮6、7和8保持在已知设计的张紧框架中，诸如在DE 199 62 241 A1中所述的那样。

Claims (9)

1. 旋转角和转矩传感器，其具有两个轴段(1, 2) ，在所述两个轴段(1, 2) 之间放置扭杆（3），
第一齿轮（4），以防扭的方式与所述第一轴段（1）连接，
第二齿轮（5），以防扭的方式与所述第二轴段（2）连接，所述第一齿轮和第二齿轮(4, 5) 具有相同的齿数(N1)，
第三齿轮（6），与所述第一齿轮（4）啮合，
第四齿轮（7）和第五齿轮（8），与所述第二齿轮（5）啮合，
其中所述第三齿轮和所述第四齿轮(6, 7) 具有相同的齿数(N2)，所述齿数(N2)小于所述第一齿轮和第二齿轮(4, 5)的齿数(N1)，
其中所述第五齿轮（8）具有与所述第四齿轮（7）的齿数（N2）相差至少1的齿数（N3），
两个磁体 (9, 10)，分配给所述第四齿轮和第五齿轮(7, 8)，
以及磁性传感器(11, 16, 25)，分配给所述第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮(6, 7, 8)，
其特征在于，在所述第四齿轮（7）上附连有圆弧段形磁性引导件(12, 13) ，在所述第三齿轮（6）上附连有磁通引导件(17, 18)，其端部放置成相对于所述圆弧段形磁性引导件(12, 13)处于一间隔（19），其中所述磁性引导件(17, 18)的支腿位于分配给所述第三齿轮（6）的磁性传感器（16）的两侧上。
2. 根据权利要求1所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述圆弧段形磁性引导件 (12, 13)在它们之间具有一间隔（14），所述间隔（14）形成空气间隙。
3. 根据权利要求1或2所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述磁通引导件 (17, 18) 位于所述第四齿轮（7）的指向所述第三齿轮（6）的一侧，且所述第一传感器（11）位于所述第四齿轮（7）的与它们相反的一侧。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述磁通引导件(17, 18) 具有L形截面，具有平行于所述第三齿轮（6）延伸的支腿和垂直于所述第三齿轮（6）延伸的支腿，所述平行延伸的支腿之一在所述第三齿轮（6）的一侧延伸且所述另一磁通引导件的一个平行延伸的支腿在所述第三齿轮（6）的另一侧延伸，且所述第二传感器（16）放置于这些平行的支腿之间。
5. 根据权利要求4所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述第二传感器（16）放置于所述第三齿轮（6）的开口（20）中且经由引脚（23）和/或电导体而与固定条形导体板（22）连接，所述引脚（23）和/或电导体通过在平行于所述第三齿轮（6）延伸的所述支腿之一中的开口（23）突出。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述第一传感器（11）为AMR传感器且所述第二传感器（16）为霍尔传感器。
7. 根据权利要求1所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述圆弧段形磁性引导件由多极磁体形成，其具有多个磁性区段(26, 27, 28, 29, 30, 31)，所述多个磁性区段在北向和南向中交替磁化，且设置两组磁通引导件(32, 33, 34, 35, 36, 37)，第一组(32, 34, 36)具有在所述第三齿轮（6）一侧的水平支腿和另一组(33, 35, 37)具有放置于所述第三齿轮（6）的另一侧的水平支腿。
8. 根据权利要求7所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述多极磁体由面对所述第一传感器（11）的磁屏蔽板（39）磁屏蔽。
9. 根据权利要求8所述的旋转角和转矩传感器，其特征在于，所述多极磁体的北极（27）和南极（30）通过磁导体（40）连接，所述磁导体（40）在所述第一传感器（11）的方向中延伸穿过所述第四齿轮（7）和所述磁屏蔽板（39）。
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