CN103842786B - 传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定两个彼此同轴布置的轴（4、6）的相对转动的传感器装置（2），所述传感器装置包括至少一个布置在第一轴（4）上的磁性元件（29）、至少一个布置在第二轴（6）上的磁性元件（29）以及至少一个磁场敏感的测量元件（20），所述测量元件位置固定地布置在两个轴（4、6）的磁性元件（29）之间，并且测得由两个轴（4、6）的磁性元件（29）的磁场（32）的叠加产生的磁场。

Description

传感器装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定两个彼此同轴布置的轴的相对转动的传感器装置和一种用于确定两个彼此同轴布置的轴的相对转动的方法。

背景技术

对于用于轴的转矩传感器，目前经常使用磁性测量原理。对于这种转矩传感器，在第一轴上布置磁极环。此外，在与第一轴同轴布置的第二轴上布置两个软磁体环，在所述软磁体环之间布置霍尔传感器。当两个轴相对彼此扭转或者旋转时，磁极环的变化的磁场在两个软磁体环之间加强并且由霍尔传感器测得。霍尔传感器的信号进一步换算成转矩信号。

文献DE102007028481A1描述了包括至少一个传感器元件的这种传感器装置，所述传感器元件测得磁场信息作为表示转矩和/或角差的程度，所述磁场信息基于至少一个磁通环相对于磁极转子的旋转。这里使用的传感器元件此外具有集成的电路。

发明内容

以此为背景提出具有独立权利要求所述特征的传感器装置和方法。由从属权利要求和说明书给出本发明的其他设计方案。

以用于两个轴的传感器装置能够确定彼此同轴布置的两个轴的相对转动。为此在每个轴上布置至少一个磁性元件。在此能够分别在一个轴上设置多个磁性元件，所述磁性元件并排相邻地布置在所述轴上。在此，相邻的磁性元件的磁场的场力线能够在径向上围绕轴的转轴沿着圆周以相同的方向指向。在磁极之间、也就是在一个磁性元件的北极和南极之间和在两个相邻的磁性元件的北极和南极之间在接触面上提供磁极过渡。通常能够在每个轴上布置多个磁性元件，其中每个轴具有相同数量的磁性元件。

在此，每个磁性元件构造为永磁铁，所述永磁铁具有带有磁场的预先确定的固定指向的场力线的磁场。此外，所述磁性元件固定在所述轴上。能够如此实施磁性元件的固定，即根据定义磁性元件的磁力线在所述轴上沿轴的轴向方向以北-南方向或者以南-北方向指向。通过至少一个磁场敏感的测量元件能够测得叠加的磁场，所述磁场由固定在第一轴上的至少一个磁性元件的磁场和固定在第二轴上的至少一个磁性元件的磁场产生。当两个轴相对彼此转动时，所述产生的叠加的磁场改变，从而由叠加的磁场的磁场强度和/或叠加的磁场的场力线的方向或者指向能够推导出表示所述轴相对彼此的转动的程度。

在一个轴上由多个能够构造为环部段的磁性元件组成的装置此外也称作磁极环，其中根据定义规定，这种磁极环具有至少一个磁性元件。在圆周上围绕所述轴的转轴直接并排地布置多个磁性元件。如果磁极环包括多个磁性元件，则沿着所述圆周在两个相邻的磁性元件之间存在空隙，从而相邻的磁性元件不接触。在这种情况下存在所谓的敞开的磁极环。相邻的磁性元件也能够接触，其中沿着所述圆周能够完全连续地布置磁性元件并且每个磁性元件具有直接的邻居。在这种情况下存在所谓的闭合的磁极环。

在设计方案中设有的传感器装置包括两个同样的并且进而相同构造的包括磁性元件的磁极环，其中每个磁极环布置在一个轴上。在此，一个磁极环能够构造为连续的多极磁环。两个磁极环彼此对置地布置在两个轴上。

在设计方案中，布置在两个轴其中之一上和/或在两个轴其中之一旁的、通常包括至少一个磁性元件的磁极环能够总是例如构造为塑料粘结的磁铁，通过压铸工序制造所述磁铁，其中多个磁性元件彼此相连接。磁极环能够布置在塑料支架上，所述塑料支架又布置在能够压入到相应的轴上的金属套筒上。由此在保持在磁性元件之间的径向和轴向间距下两个磁极环的磁性元件彼此沿径向和轴向方向达到精确的位置。关于磁性元件的磁极过渡数量和磁化相同地构造两个磁极环。这能够由此实现，方法是以相同的设计，即在完全相同的条件下同时并行地磁化两个磁极环。

如此实现磁性元件和进而磁极环相互的布置，即通常在两个轴相对彼此的基本位置中，总是关于场力线的指向相互对置磁性元件的相同的磁极，也就是北极对北极并且南极对南极，对于基本位置，两个轴彼此转动0°角并且进而不扭转。由此得出，所述通过磁性元件产生的磁场在基本位置中在两个磁性元件之间的中间相互补偿并且进而抵消。

在设计方案中，在两个轴的磁性元件之间刚好正中地布置至少一个磁场敏感的测量元件、例如霍尔传感器和/或至少一个AMR传感器用于测量各向异性的磁阻效应。典型地，将磁场敏感的测量元件布置在具有另一种布线和插头的印刷电路板上用于接通。所述印刷电路板空间固定并且进而与可转动的轴相比较固定地布置。所述磁性元件能够相对于印刷电路板并且进而相对于磁场敏感的测量元件转动。这允许对所述轴彼此多于360°的相对转动的测量。

第一轴的至少一个磁性元件和第二轴的至少一个磁性元件的间距和进而两个磁极环彼此的间距能够有很小的选择性，从而在两个轴上的磁性元件的磁场相互影响，其中所述磁场弯曲。在理想情况下，由布置在两个轴上的磁性元件的磁场产生的磁场在基本位置中、恰好在在两个磁性元件之间和/或在两个磁极环之间的中间处等于零。如果在两个轴之间产生扭转，则所述磁性元件并且进而磁极环相对彼此转动。因此，所述在磁性元件之间的中间处的叠加的磁场变化。能够例如以至少一个磁场敏感的测量元件测量该根据扭转变化的磁场。磁场变化的程度因此是表示两个轴彼此转动的程度。

为了确保测量的唯一性，在设计方案中规定，所述磁性元件和/或两个磁极环彼此的最大扭转不超过在一个磁性元件的和/或两个相邻的磁性元件的两个磁极之间的磁极过渡的范围。通常规定，例如在机动车的转向装置中在+/-4°的范围中测量扭转。因此，在磁极环的圆周上总是布置最多44个磁性元件并且双倍数量的磁极过渡（360°/8°=45）。在一种设计方案中，每个磁极环能够设有16个磁性元件进而设有32个磁极过渡。

因为所述磁场的场力线的方向根据在一个轴上在一个磁性元件的磁极之间和/或在两个相邻的磁性元件的磁极之间的扭转和磁极变化的数量而周期性地、例如正弦状或者余弦状地改变，也能够以一个或者多个例如构造为霍尔传感器或者AMR传感器的磁场敏感的测量元件测量和计算所述场力线的方向的变化。

所述在本发明的范围中测得的叠加磁场的磁场强度通常具有正弦状或者余弦状曲线。在此，该正弦状或者余弦状的曲线的最大值和最小值位于相同的磁极之间、也就是说在两个南极之间或者在两个北极之间，其中磁极总是作为磁性元件的组件布置在两个轴其中之一上。所述叠加的磁场的曲线的过零点和进而所谓的正弦侧边或者余弦侧边通常位于两个磁极过渡之间，其中磁极过渡总是布置在一个轴上并且通过两个相邻的不同磁极的边界区域、也就是说在北极和南极之间形成。在正弦函数的过零点处正弦侧边的斜度基本上与产生的磁场的变化成比例，这里所述斜度表示所述轴彼此扭转的程度。

因为产生的磁场在正弦函数的最小值和最大值中的相对变化非常小直至零，在本发明的设计方案中例如设有多个磁场敏感的测量元件的旋转对称的装置，其周期性与磁极环的周期性不同。也可考虑至少一个霍尔传感器和至少一个AMR传感器的组合用于测量磁场变化。因此，能够同时不仅测量产生的磁场的磁场强度也测量其磁场方向。此外也能够在磁场敏感的测量元件的合适的装置中确定所述轴相对彼此的扭转方向。通常能够以所述传感器装置实现在两个轴之间的扭转和进而转矩的相对测量，所述两个轴通常通过扭杆彼此相连接。

能够以非常紧凑的结构在非常小的空间需求下、主要在轴向结构高度上以小于20mm的轴向高度实现所述传感器装置。与已知的、相对昂贵的用于测得转矩的结构不同，能够取消由软磁材料、例如镍铁金属板（NiFe-Blech）形成的导磁通的环作为磁通收集器。因为两个磁极环构造为完全相同的构件，能够通过增加的件数降低制造成本。此外设有相对简单的构造技术和连接技术以及能够实现无损耗的测量。以本发明能够提供一种对传统的转矩传感器的替代方案。此外，在在两个磁极环之间较小的间距的情况下仅需要较弱的磁场。这允许使用铁氧体作为磁性材料，由此能够放弃稀土、像例如钐钴（SmCo）或者钕铁硼（NdFeB）。

按照本发明的传感器装置为此构造，即实施介绍的方法的所有步骤。在此也能够由传感器装置的各个组件实施该方法的各个步骤。此外能够将传感器装置的功能或者传感器装置的各个组件的功能转化为所述方法的步骤。此外能够作为传感器装置的至少一个组件的功能或者整个传感器装置的功能实现所述方法的步骤。

由说明书和附图给出本发明的其他的优点和设计方案。

可以理解，能够不仅以指出的各个组合、也以其他的组合或单独地使用上述提到的和以下待阐述的特征，而没有离开本发明的范围。

附图说明

图1以示意图示出了按照本发明的用于两个对置的轴的传感器装置的第一实施方式；

图2以示意性的截面图示出了图1所示的传感器装置；

图3由另一个透视图示出了图1所示的传感器装置；

图4以示意性的截面图示出了图1所示的传感器装置以及该传感器装置的示意性地示出的第一细节图；

图5以示意图示出了图1所示的传感器装置在实施按照本发明的方法的实施方式时的第二细节图；

图6以示意图示出了图1所示的装置在按照本发明的方法的实施方式中的第三细节图；

图7以示意图示出了按照本发明的传感器装置的第二实施方式；

图8以示意图示出了一种由现有技术已知的转矩传感器的实施例；

图9以示意图示出了图8所示的转矩传感器的第一细节图；

图10以示意图示出了图8所示的转矩传感器的第二细节图。

具体实施方式

根据实施方式在附图中示意性地示出本发明并且以下参照附图详细地描述本发明。

相关联地和全面地描述附图，相同的附图标记表示相同的组件。

在图1至图4中从不同的角度和/或以不同的视图示意性地示出的按照本发明的传感器装置2的第一实施方式以及在图5和图6中在实施按照本发明的方法中示意性地示出的该传感器装置2的细节为此构造，即确定彼此同轴布置并且通过扭杆8彼此相连接的第一轴4和第二轴6的转动。

在此，传感器装置2包括磁性元件的第一装置，所述第一装置不可相对转动地布置在第一轴4上。磁性元件的第一装置在第一轴4上此外被称为第一磁极环10。类似地，在第二轴6上设有第二磁性元件的第二装置，所述第二装置同样不可相对转动地布置在该第二轴6上，其中第二磁性元件的第二装置被称为第二磁极环12。这里，磁极环10、12分别通过塑料支架14以及套筒16不可相对转动地各自固定在轴4、6上。

此外，传感器装置2包括测量装置18，所述测量装置包括磁场敏感的测量元件20。该磁场敏感的测量元件20例如能够构造为霍尔传感器或者AMR传感器。规定所述磁场敏感的测量元件20在两个轴4、6的轴向上关于两个轴4、6恰好在对置的磁极环10、12中间地、不可相对转动地布置在这里未示出的构件上。

因此能够以磁场敏感的测量元件20测得由布置在第一轴4上的第一磁性元件的第一磁场和由布置在第二轴6上的第二磁性元件的第二磁场产生的叠加的磁场。

测量装置18此外包括印刷电路板22，磁场敏感的测量元件20布置在所述印刷电路板上。此外，插头24布置在印刷电路板22上，通过所述插头能够将磁场敏感的测量元件20的信号传输到计算装置上。

通常，两个轴4、6也能够彼此独立地相对于共同的转轴转动，其中扭杆8扭转，由此在两个轴4、6之间产生转矩。此外，两个轴4、6能够相对于这里未示出的构件旋转，其中磁场敏感的测量元件20通过印刷电路板22和/或插头24不可相对转动地固定在该构件上，从而两个轴4、6能够相对于磁场敏感的测量元件20转动。

在图4中的示意图中以截面图（图4a）以及以俯视图（图4b）示意性地示出了：具有在磁性元件29之间空间上固定的磁场敏感的测量元件20的两个磁极环10、12的各个磁性元件29的南极26和北极28，其中图4b不失一般性地示出了第一磁极环10，所述第一磁极环在本发明的这此示出的实施方式中与第二磁极环12相同地构造。此外，图4示出了支架元件30的细节，通过所述支架元件不可相对转动地与磁性元件29与塑料支架14和/或套筒16连接进而与两个轴4、6其中之一连接。

正如图4b示出的那样，各个磁性元件29构造为第一磁极环10的环部段进而也构造为第二磁极环12的环部段。两个相邻的磁性元件29在同样指向的场力线下并排地布置在一个轴4、6上，从而直接相邻的磁性元件29的场力线交替地或者以北-南方向或者以南-北方向地指向。此外，在一个磁性元件29和/或相邻的磁性元件29的两个相邻的南极26和北极28之间产生磁极过渡。

在描述的实施方式中，关于磁极过渡的数量和磁化精度完全相同地构造两个磁极环10、12。在此，在图4b中示例性地示出了具有16个磁极过渡的磁极环10。

图5示出了具有两个磁极环10、12的传感器装置2的工作原理，分别理想化地在一个层面中示意性地示出了两个磁极环的片段。两个磁极环10、12的磁性元件29的相同的磁极、也就是南极26和北极28对立地处于基本位置中。因此分别对置地布置（图5a）南极26和北极28。如果两个磁极环10、12彼此的间距如此小，从而对置的磁性元件29的磁场32相互影响，则该磁场32相应地弯曲（图5b）。因此，所述磁场通常正好在在两个磁极环10、12之间的中间（虚线34）处等于零。如果磁极环10、12相对彼此地转动，或者正如在图5c中示意性地示出的那样，彼此移位，则在在两个磁极环10、12之间的中间处产生的叠加的磁场改变。例如能够以磁场敏感的测量元件20测量该变化的磁场。所述叠加产生的磁场的改变程度因此是表示轴4、6相对彼此转动的程度。

因为磁场32的磁场方向也根据在轴4、6的相邻的磁极、也就是说南极和北极26、28之间的磁极过渡或者磁极变化的旋转和数量周期地、例如正弦状地改变，磁场方向的改变也能够以一个或者多个AMR传感器测量和计算。这里，正弦侧边的斜度是对于相对转动的测量。因为在正弦函数的最大值和最小值中，磁场32的相对变化非常小直至零，对于该情况，以不同于磁极环10、12的磁极的周期性的另一个周期性设置多个AMR传感器的装置。

在图6中对应于图5的视图示意性地示出了按照本发明的装置，其中省去了磁场32的视图。取而代之，在图6中恰好在在两个轴10、12的磁性元件29以及南极和北极26、28之间的中间处并且进而恰好在在两个磁极环10、12之间的中间处示出了磁场敏感的测量元件20。在此，在图6a中对应于图5a和5b的视图，所述传感器装置2位于所谓的基本位置，所述基本位置如此定义，即两个轴4、6并且进而磁极环10、12相互未扭转并且进而彼此旋转0°角度。在该情况下，相同的磁极、也就是说其场力线以同样的方向指向的两个对置的磁极环10、12的南极26和北极28彼此刚好对立地布置。

图6b示出了在两个轴4、6彼此微量地转动时的传感器装置2，由此也产生所述布置在两个轴上的南极和北极26、28以及磁极环10、12的转动。通过轴4、6彼此围绕共同的转轴的转动产生所述通过磁性元件29的磁场32产生的叠加的磁场的正弦状变化，其中在图6b中，这里通过正弦曲线36表明所述产生的磁场的磁场强度的变化。

在图7中示意性地示出了按照本发明的传感器装置40的第二实施方式。以该传感器装置40同样能够确定彼此同轴布置的第一轴42和第二轴44的相对转动。在每个轴42、44上布置支架元件46，再次构造为环部段的具有南极52和北极54的磁性元件48、50布置在所述支架元件上并且进而固定在轴42、44上。

与按照本发明的传感器装置的第一实施方式不同，在第一实施方式中，在每个轴4、6上布置具有连续环绕的磁性元件29的磁极环10、12，所述在图7中示出的传感器装置40的第二实施方式在每个轴42、44上分别仅具有一个磁性元件48、50。在此，第一磁性元件48布置在第一轴42上。第二磁性元件50布置在第二轴44上。在图7中，沿两个轴42、44的轴向方向在磁性元件48、50之间布置磁场敏感的测量元件56作为传感器装置40的其他组件。

此外，在图7中示出了在所谓的基本位置中的传感器装置40。在此规定，在第一轴42上的第一磁性元件48的南极52对置于在第二轴44上的磁性元件50的南极52。此外，对立于第二磁性元件50的北极54地布置第一磁性元件48的北极54。此外，每个磁性元件48、50在南极和北极52、54之间具有磁极过渡58，其中该磁极过渡58在示出的基本位置中同样对置地布置。磁场敏感的测量元件56在基本位置中布置在两个磁极过渡58之间。

在实施按照本发明的方法时，由在在磁性元件48、50之间的中间处的磁场敏感的测量元件56测量并且进而测得所述通过在第一轴42上的磁性元件48的磁场以及在第二轴44上的磁性元件50的磁场叠加产生的叠加的磁场。如果轴42、44并且进而传感器装置40也处于基本位置中，正如根据图7示意性地示出的那样，则所述产生的磁场在在两个轴42、44的磁性元件48、50之间的中间处为零。如果两个轴42、44相对彼此转动，所述叠加的磁场也变化，其中由该叠加的磁场的改变推导出表示两个轴42、44相对彼此的转动的角度。

以介绍的传感器装置2、40的两种实施方式能够实施用于确定两个彼此同轴布置的轴4、6、42、44的相对转动的方法。传感器装置2、40包括至少一个布置在第一轴4、42上的磁性元件29、48、至少一个布置在第二轴上的磁性元件29、50以及至少一个磁场敏感的测量元件20、56，所述测量元件位置固定地布置在两个轴4、6、42、44的磁性元件29、48、50之间，其中由所述至少一个磁场敏感的测量元件20、56测得由两个轴4、6、42、44的磁性元件29、48、50的磁场32的叠加产生的磁场。

在此能够在轴4、6、42、44上沿径向方向并排交替地布置磁极、也就是南极和北极26、28、52、54。因此，在布置在轴40、42、44上的两个相邻的磁性元件29、48、50之间沿径向方向南极26、52紧邻北极28、54。在两个接触的磁性元件29、48、50之间和/或在两个不同的磁极之间、也就是说在南极26、52和北极28、54之间提供磁极过渡58。在每个轴4、6、42、44上布置相同数目的磁性元件29、48、50，其中每个磁性元件29、48、50的磁场32具有数值上相同的磁场强度和场方向。

对于传感器装置2、40能够定义基本位置，对于所述基本位置规定，两个轴4、6、42、44相对彼此转动0°，其中沿着两个轴的径向圆周在在第一轴4、42上的角位置x°处并且在在第二轴6、44上的角位置x°处布置相同的磁极、也就是或者南极26、52或者北极28、54。所述至少一个磁场敏感的测量元件20、56沿轴4、6、42、44的轴向方向通常在正中间布置在磁性元件29、48、50之间。此外，所述至少一个磁场敏感的测量元件20、56在传感器装置2、40的基本位置中沿轴4、6、42、44的轴向方向能够布置在所述布置在两个轴4、6、42、44上的两个磁极过渡58之间。

两个轴4、6、42、44彼此的相对转动能够由磁场的变化推导出，所述磁场由两个轴4、6、42、44的磁性元件29、48、50的磁场32的叠加得出。

传感器装置2、40能够具有任意数量的磁场敏感的测量元件20、56。在此在圆周上围绕两个轴4、6、42、44的共同的转轴通常在彼此相同的角间距下布置多个这种磁场敏感的测量元件20、56。如果例如设有k个磁场敏感的测量元件20、56，则在两个磁场敏感的测量元件20、56之间的角间距为360°/k。此外，布置在对置的轴4、6、42、44上的两个磁极过渡58同样能够以360°/k的角间距间隔。

在图8至图10中示意性地示出的由现有技术已知的转矩传感器100构造用于确定在通过扭杆106彼此连接的第一轴和第二轴102、104之间的转矩。该转矩传感器100包括具有磁场敏感的传感器元件110的传感器单元108、这里固定在第一轴102上的磁通单元112、以及固定在第二轴104上的磁极环114。这里，传感器单元108通过具有固定臂116的固定元件114固定在未进一步示出的构件上，两个轴102、104能够相对于所述构件转动。在此，所述由磁极环114产生的磁场通过在第一轴102上的磁通单元112加强，其中所述加强的磁场由传感器单元108测得。

Claims (8)

1.用于确定两个彼此同轴布置的轴（4、6、42、44）的相对转动的传感器装置，所述传感器装置包括多个布置在第一轴（4、42）上的磁性元件（29、48）和多个布置在第二轴（6、44）上的磁性元件（29、50），其中，布置在所述第一轴（4、42）上的磁性元件（29、48）形成第一磁极环（10）并且布置在第二轴（6、44）上的磁性元件（29、50）形成第二磁极环（12），其特征在于，所述传感器装置（2、40）包括多个磁场敏感的测量元件（20、56），所述测量元件位置固定地布置在两个轴（4、6、42、44）的磁性元件（29、48、50）之间，并且测得由两个轴（4、6、42、44）的磁性元件（29、48、50）的磁场（32）的叠加产生的磁场，其中，所述磁场敏感的测量元件（20、56）的旋转对称的装置的周期性与所述磁极环（10、12）的周期性不同。

2.按权利要求1所述的传感器装置，其中磁性元件（29、48、50）的磁极沿径向指向地布置在每个轴（4、6、42、44）上。

3.按权利要求1或2所述的传感器装置，其中两个并排地布置在轴（4、6、42、44）上的磁性元件（29、48、50）相互接触并且提供磁极过渡（58）。

4.按权利要求1所述的传感器装置，其中每个轴（4、6、42、44）具有相同数量的磁性元件（29、48、50），其中每个磁性元件（29、48、50）的磁场（32）具有相同的磁场强度和磁场方向。

5.按权利要求2所述的传感器装置，对于所述传感器装置来说定义基本位置，对于所述基本位置来说规定，两个轴（4、6、42、44）相对彼此转动0°，其中在第一轴（4、42）上和在第二轴（6、44）上沿着两个轴（4、6、42、44）的径向圆周在角位置x°处布置有相同的磁极。

6.按权利要求1所述的传感器装置，其中所述磁场敏感的测量元件（20、56）沿两个轴（4、6、42、44）的轴向方向在中间布置在磁性元件（29、48、50）之间，所述磁性元件布置在两个轴（4、6、42、44）上。

7.用于利用传感器装置（2、40）确定两个彼此同轴布置的轴（4、6、42、44）的相对转动的方法，所述传感器装置包括多个布置在第一轴（4、42）上的磁性元件（29、48）和多个布置在第二轴（6、44）上的磁性元件（29、50），其中，布置在所述第一轴（4、42）上的磁性元件（29、48）形成第一磁极环（10）并且布置在第二轴（6、44）上的磁性元件（29、50）形成第二磁极环（12），其特征在于，所述传感器装置（2、40）包括多个磁场敏感的测量元件（20、56），所述测量元件位置固定地布置在两个轴（4、6、42、44）的磁性元件（29、48、50）之间，其中由所述测量元件（20、56）测得由两个轴（4、6、42、44）的磁性元件（29、48、50）的磁场（32）的叠加产生的磁场，其中，所述磁场敏感的测量元件（20、56）的旋转对称的装置的周期性与所述磁极环（10、12）的周期性不同。

8.按权利要求7所述的方法，其中从由两个轴（4、6、42、44）的磁性元件（29、48、50）的磁场（32）的叠加产生的磁场的变化推导出两个轴（4、6、42、44）彼此的相对转动。