DE102005018286A1

DE102005018286A1 - Torque determining device e.g. torque sensor, for use on steering shaft of motor vehicle, has stator units having fingers connected with each other by rings, and three magnetic field sensors exposed to same magnetic field

Info

Publication number: DE102005018286A1
Application number: DE102005018286A
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Fröhlich; Dirk Rachui; Jens Thom
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-19

Abstract

The device has a multi pole-magnet ring and a stator holder that are attached to stator sections, respectively. Two stator units are attached to the holder and have fingers connected with each other by magnetic flow rings (48). An opening is provided between the fingers. Three magnetic field sensors (44) are arranged between the rings and are exposed to same magnetic field. Magnetic field concentrators are arranged between the rings.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments, wobei die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist und die beiden Wellenabschnitte gegeneinander verdrehbar sind, mit einem den ersten Wellenabschnitt umgebenden und mit diesem verbundenen Multipol-Magnetring und einem am zweiten Wellenabschnitt befestigten Statorhalter, wobei am Statorhalter zwei Statorelemente befestigt sind und jedes Statorelement in axialer Richtung abragende Finger aufweist, die gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen, wobei die Finger eines jeden Statorelements über einen Magnetflussring miteinander verbunden sind, die Magnetflussringe einen Abstand zueinander aufweisen und zwischen den Magnetflussringen ein Magnetfeldsensor angeordnet ist.The The invention relates to a device for determining one on one Wave exercised Torque, wherein the shaft has a first shaft portion and a has second shaft portion and the two shaft sections are rotated against each other, with a surrounding the first shaft portion and with this connected multipole magnetic ring and one on the second Shaft section attached stator holder, wherein the stator holder two stator elements are attached and each stator in axial Direction protruding fingers that evenly over at least one Part of the circumference are arranged distributed and have gaps between them, wherein the fingers of each stator element are interconnected via a magnetic flux ring are, the magnetic flux rings have a distance from each other and a magnetic field sensor is arranged between the magnetic flux rings.

Aus der DE 102 56 321 A1 ist ein Drehmomentsensor der eingangs genannten Art bekannt. Dabei ist der Magnetflusskonzentrator zwischen den Magnetflussringen vorgesehen. Ein ähnlicher Drehmomentsensor ist aus der DE 103 16 124 A1 bekannt. Dabei ist ein Magnetflusskonzentrator vorgesehen, der die Magnetflussringe umgreift. Die bekannten Drehmomentsensoren verfügen jeweils über lediglich einen Magnetfeldsensor, was aus Gründen der Redundanz nachteilig ist. Bei Ausfall des einen Magnetfeldsensors kann der Drehmomentsensor keine Messwerte mehr liefern.From the DE 102 56 321 A1 a torque sensor of the type mentioned is known. In this case, the magnetic flux concentrator is provided between the magnetic flux rings. A similar torque sensor is from the DE 103 16 124 A1 known. In this case, a magnetic flux concentrator is provided, which encompasses the magnetic flux rings. The known torque sensors each have only one magnetic field sensor, which is disadvantageous for reasons of redundancy. If one magnetic field sensor fails, the torque sensor can no longer deliver measured values.

Zur Erhöhung der Redundanz wird in beiden Druckschriften der Einsatz zweier Magnetfeldsensoren beschrieben, die jedoch unterschiedlichen Magnetfeldern ausgesetzt sind. Das ergibt sich daraus, dass die beiden Magnetfeldsensoren separate Magnetflusskonzentratoren aufweisen. Der Einsatz zweier Magnetfeldsensoren erlaubt eine jedoch lediglich eine Analyse der Messsignale daraufhin, ob sie innerhalb eines erlaubten vorgegebenen Wertebereichs liegen. Liegt ein Messsignal außerhalb des Wertebereichs, wird davon ausgegangen, dass der entsprechende Magnetfeldsensor fehlerhaft ist. Wenn jedoch die Magnetfeldsensoren unterschiedliche Messwerte liefern, die aber beide innerhalb des erlaubten Wertebereichs liegen, kann nicht festgestellt werden, welcher der Magnetfeldsensoren defekt ist.to increase Redundancy in both documents is the use of two magnetic field sensors described, however, exposed to different magnetic fields are. This results from the fact that the two magnetic field sensors have separate magnetic flux concentrators. The use of two Magnetic field sensors, however, allow only an analysis of the Measurement signals indicate whether they are within a permitted given Range of values lie. If a measuring signal is outside the value range, it is assumed that the corresponding magnetic field sensor is faulty. However, if the magnetic field sensors are different Deliver measured values, but both within the permitted value range can not be determined which of the magnetic field sensors is defective.

Aus der FR 2,821,668 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels einer Welle bekannt, bei welcher der Sensor aus einem diskret aufgebauten Multipolmagnetring und zwei ineinander geschachtelten weichmagnetischen Statoren besteht. In dieser Druckschrift ist auch ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem drei Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen, die in einem Winkelabstand von 120° relativ zueinander umfangsseitig um den Magnetring angeordnet sind. Die Magnetfeldsensoren liefern drei unterschiedliche Messsignale, was sich daraus ergibt, dass keine Magnetflusskonzentratoren, insbesondere kein gemeinsamer Magnetflusskonzentrator für die drei Magnetfeldsensoren, zum Einsatz kommt. Die Messsignale der Magnetfeldsensoren sind relativ zueinander um 120° phasenverschoben. Die drei phasenverschobenen Signale sind gemäß dieser Druckschrift für eine besondere Ansteuerung eines 3-Phasen-Motors erforderlich.From the FR 2,821,668 A1 For example, a device for detecting a rotation angle of a shaft is known, in which the sensor consists of a discrete multi-pole magnet ring and two nested magnetically soft stators. In this document, an embodiment is described in which three magnetic field sensors are used, which are arranged circumferentially at an angular distance of 120 ° relative to each other around the magnetic ring. The magnetic field sensors deliver three different measurement signals, which results from the fact that no magnetic flux concentrators, in particular no common magnetic flux concentrator for the three magnetic field sensors, is used. The measurement signals of the magnetic field sensors are phase-shifted relative to one another by 120 °. The three phase-shifted signals are required according to this publication for a special control of a 3-phase motor.

Ausgehend von der DE 103 16 124 A1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentsensor mit erhöhter Zuverlässigkeit bereitzustellen. Dabei soll der Magnetsensor jedoch robust ausgebildet und unempfindlich gegen die in Kraftfahrzeugen auftretenden Vibrationen und Störungen sein.Starting from the DE 103 16 124 A1 The object of the invention is to provide a torque sensor with increased reliability. However, the magnetic sensor should be robust and insensitive to the vibrations and interference occurring in motor vehicles.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Vorrichtung mindestens drei zwischen den Magnetflussringen angeordnete Magnetfeldsensoren aufweist, die alle dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt sind.These Task is according to the invention with a Device of the type mentioned solved in that the device at least three disposed between the magnetic flux rings Having magnetic field sensors, all exposed to the same magnetic field are.

Diese Ausgestaltung eines Drehmomentsensors hat den wesentlichen Vorteil, dass die Magnetfeldsensoren mindestens drei gleiche Signale liefern, die derart verarbeitet werden können, dass ein fehlerhaftes Signal bzw. ein fehlerhafter Magnetfeldsensor zuverlässig und sicher erkannt werden kann. Zur Verarbeitung der Messsignale wird vorzugsweise eine Mehrheitsentscheidung herangezogen. Über einen Vergleich der Messsignale können Ausreißer rasch erkannt und entsprechend berücksichtigt werden. Ein gleichzeitiges, synchrones Fehlverhalten der Mehrheit der Magnetfeldsensoren ist extrem unwahrscheinlich und kann deshalb außer Betracht gelassen werden. Vorzugsweise werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung genau drei Magnetfeldsensoren eingesetzt, sodass eine 2-aus-3-Entscheidung möglich ist. Selbstverständlich ist auch der Einsatz von mehr als drei, bspw. von fünf, sieben oder neun Magnetfeldsensoren denkbar. Die Magnetfeldsensoren sind vorzugsweise als sog. Hall-Sensoren ausgebildet.These Design of a torque sensor has the significant advantage that the magnetic field sensors provide at least three identical signals, the can be processed like this that a faulty signal or a faulty magnetic field sensor reliable and can be reliably detected. For processing the measuring signals is preferably a majority decision. About a comparison the measuring signals can Runaway be quickly recognized and taken into account accordingly. A simultaneous, synchronous misconduct of the majority of magnetic field sensors extremely unlikely and can therefore be disregarded. Preferably, in the device according to the invention exactly three Magnetic field sensors used, so that a 2-out-of-3 decision is possible. Of course is also the use of more than three, for example. Of five, seven or nine magnetic field sensors conceivable. The magnetic field sensors are preferably designed as so-called. Hall sensors.

Um sicherzustellen, dass die mindestens drei Magnetfeldsensoren dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt sind, ist bei einer Weiterbildung vorgesehen, dass den mindestens drei Magnetfeldsensoren zusammen mindestens ein Magnetflusskonzentrator zugeordnet ist. Die Magnetflusskonzentratoren haben die Aufgabe, den Magnetfluss von den sich mit der Welle drehenden Statorelementen abzugreifen und auf die aktiven Flächen der Magnetfeldsensoren zu leiten. Jedem Magnetfeldsensor ist eine eigene Lasche des Magnetfeldkonzentrators zugeordnet. Bei mehreren kleineren Laschen ist die Induktion besser als bei nur einer großen Lasche. Insofern hat der erfindungsgemäße Drehmomentsensor auch eine höhere Empfindlichkeit als die bekannten Drehmomentsensoren mit weniger, dem gleichen Magnetfeld ausgesetzten Magnetfeldsensoren.In order to ensure that the at least three magnetic field sensors are exposed to the same magnetic field, it is provided in a further development that the at least three magnetic field sensors together are assigned at least one magnetic flux concentrator. The magnetic flux concentrators ha ben the task to tap the magnetic flux from the shaft rotating with the stator elements and to direct to the active surfaces of the magnetic field sensors. Each magnetic field sensor is assigned its own tab of the magnetic field concentrator. With several smaller tabs the induction is better than with only one large tab. In this respect, the torque sensor according to the invention also has a higher sensitivity than the known torque sensors with less, the same magnetic field exposed magnetic field sensors.

Wenn mehr als ein Magentflusskonzentrator vorgesehen ist, ist jeder der Magnetflusskonzentratoren jedem der Magnetfeldsensoren zugeordnet. So ist es bspw. denkbar, dass alle drei Magnetfeldsensoren auf einer Seite einem ersten Magnetfeldkonzentrator und auf der gegenüberliegenden Seite einem zweiten Magnetfeldkonzentrator zugeordnet sind.If more than one Magentflusskonzentrator is provided, each of the Magnetic flux concentrators associated with each of the magnetic field sensors. So it is conceivable, for example, that all three magnetic field sensors on one Side of a first magnetic field concentrator and on the opposite Side are assigned to a second magnetic field concentrator.

Änderungen in der Magnetisierung der Statorelemente (verursacht durch eine veränderte Torsion) wirken sich auf alle Magnetfeldsensoren in derselben Art und Weise aus. Der Grund dafür ist, dass der Magnetfluss über die gesamte Innenfläche der Magnetflusskonzentratoren von den Statorelementen abgegriffen wird und sich zusätzlich über die Länge der Magnetflusskonzentratoren mittelt und erst dann auf die Laschen verteilt wird. Die Laschen der Magnetflusskonzentratoren sind symmetrisch zu den Fingern der Statorelemente und zu den Magnetpolen angeordnet. In einem Beispiel mit neun Fingern pro Statorelement ist der Winkel zwischen den Laschen und damit auch zwischen den Magnetfeldsensoren jeweils 40°.amendments in the magnetization of the stator elements (caused by a changed Torsion) affect all magnetic field sensors in the same way and way out. The reason for this is that the magnetic flux over the entire inner surface the magnetic flux concentrators tapped from the stator elements will and in addition to the Length of Magnetic flux concentrators averages and only then on the tabs is distributed. The tabs of the magnetic flux concentrators are symmetrical arranged to the fingers of the stator and to the magnetic poles. In an example with nine fingers per stator element, the angle is between the tabs and thus also between the magnetic field sensors respectively 40 °.

Die Laschen können aus funktionalen Gründen dreiecksförmige Bereiche aufweisen. Dadurch können für jeden der Magnetfeldsensoren bezüglich Streufelder der Magnetpole und der Statorfinger gleichartige Bedingungen geschaffen werden, und die Streufelder können von den Magnetfeldsensoren abgeschirmt werden. Dadurch werden gegenläufige Signalmodulationen vermieden.The Lugs can for functional reasons triangular Have areas. Thereby can for each the magnetic field sensors with respect to stray fields the magnetic poles and the stator finger created similar conditions and the stray fields can be shielded by the magnetic field sensors. This will cause opposing signal modulations avoided.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist der mindestens eine Magnetflusskonzentrator zwischen den Magnetflussringen angeordnet. Eine solche Ausgestaltung der Magnetflusskonzentratoren ist an sich aus der DE 102 56 321 A1 bekannt. Sie hat den Vorteil, dass die Magnetflusskonzentratoren geschützt sind und unempfindlich gegenüber mechanischen Toleranzen sind, da sich die Magnetflusskonzentratoren innerhalb des Stators befinden.According to a first preferred embodiment, the at least one magnetic flux concentrator is arranged between the magnetic flux rings. Such an embodiment of the magnetic flux concentrators is in itself from the DE 102 56 321 A1 known. It has the advantage that the magnetic flux concentrators are protected and insensitive to mechanical tolerances, since the magnetic flux concentrators are located inside the stator.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem Magnetfeldsensor und jedem Magnetflussring ein Magnetflusskonzentrator angeordnet. Dies bedeutet, dass der Magnetfluss zwischen dem Magnetflussring und den Magnetfeldsensoren stets über einen Magnetflusskonzentrator läuft.advantageously, is between the magnetic field sensor and each magnetic flux ring Magnetic flux concentrator arranged. This means that the magnetic flux between the magnetic flux ring and the magnetic field sensors always via a Magnetic flux concentrator is running.

Um eine optimale Verstärkung des Signals zu erhalten, erstreckt sich der Magnetflusskonzentrator benachbart zum Magnetflussring über einen Abschnitt in dessen Umfangsrichtung. Dabei ist der Magnetflusskonzentrator vorteilhaft der Krümmung des Magnetflussringes angepasst. Der Magnetflusskonzentrator erstreckt sich vorzugsweise über 10° bis 180°, insbesondere 25° bis 90°, über den Umfang des Magnetflussringes.Around an optimal reinforcement of the signal, the magnetic flux concentrator extends adjacent to the magnetic flux ring via a section in its circumferential direction. Here is the magnetic flux concentrator advantageous the curvature adapted to the magnetic flux ring. The magnetic flux concentrator extends preferably via 10 ° to 180 °, in particular 25 ° to 90 °, over the Circumference of the magnetic flux ring.

Um den Widerstand im den Rückschluss bildenden Luftspalt so gering wie möglich zu halten, ist zwischen dem Magnetflusskonzentrator und dem Magnetflussring ein sehr enger Luftspalt vorhanden. Dabei ist von Vorteil, dass der Magnetfeldsensor berührungslos arbeitet und dennoch einen geringen Widerstand im Rückschluss besitzt.Around the resistance in the conclusion to keep the forming air gap as small as possible is between the magnetic flux concentrator and the magnetic flux ring a very close Air gap available. It is advantageous that the magnetic field sensor contactless works and still low resistance in the conclusion has.

Bei einem Ausführungsbeispiel verläuft der Luftspalt in einer in Umfangsrichtung sich erstreckenden Fläche. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel verläuft der Luftspalt in einer in radialer Richtung sich erstreckenden Fläche, das heißt in einer Radialebene. Im ersteren Fall ist der Magnetfeldsensor axial und im zweiten Ausführungsbeispiel radial in den Stator eingesetzt.at an embodiment extends the air gap in a circumferentially extending surface. at another embodiment runs the Air gap in a radially extending surface, the is called in a radial plane. In the former case, the magnetic field sensor axially and in the second embodiment used radially in the stator.

Eine einfache Montage und exakte Zuordnung zueinander wird dadurch erzielt, dass der beziehungsweise die Magnetflusskonzentrator(en) und die Magnetfeldsensoren in einem gemeinsamen Halter und/oder Sensorgehäuse angeordnet sind. Über diesen Halter werden sowohl die Magnetfeldsensoren als auch die Magnetflusskonzentratoren zueinander positioniert und innerhalb des Stators fixiert und zudem gegen Umwelteinflüsse geschützt. Vorzugsweise umfasst der Halter zusätzlich Elektronikbauteile, eine Platine hierfür, Steckkontakte und/oder Lötstützpunkte. Es wird weiter vorgeschlagen, dass sich der Halter über ein Gleitlager am Statorhalter abstützt.A easy assembly and exact assignment to each other is achieved by that the magnetic flux concentrator (s) and the Magnetic field sensors are arranged in a common holder and / or sensor housing. About this Holders become both the magnetic field sensors and the magnetic flux concentrators positioned to each other and fixed within the stator and also against environmental influences protected. Preferably, the holder additionally comprises electronic components, a board for this, Plug contacts and / or soldering posts. It is further suggested that the holder over a Plain bearing is supported on the stator holder.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung umgreift der mindestens eine Magentflusskonzentrator die Magnetflussringe. Vorzugsweise umgreift jeweils ein Magnetflusskonzentrator einen der Magnetflussringe.According to one Alternative embodiment, the at least one Magentflusskonzentrator surrounds the Magnetic flux rings. Preferably, in each case surrounds a magnetic flux concentrator one of the magnetic flux rings.

Eine besonders einfache und günstige Fertigung der Magnetflusskonzentratoren ist möglich, wenn der Magnetflusskonzentrator ein Stanz-Biege-Blechteil ist.A especially simple and cheap Manufacture of the magnetic flux concentrators is possible when the magnetic flux concentrator a punching-bending sheet metal part is.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung zwei besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten als auch in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the Unteransprü Chen and the following description, in which two particularly preferred embodiments are described in detail with reference to the drawing. The features mentioned in the drawing as well as in the claims and in the description mentioned features may each be essential to the invention individually or in any desired combination. In the drawing show:

1 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors; 1 a perspective view of the torque sensor according to the invention;

2 eine Ansicht mit einem radialen Schnitt durch den Drehmomentsensor gemäß 1; 2 a view with a radial section through the torque sensor according to 1 ;

3 eine Darstellung eines Magnetflusskonzentrators in einer ersten bevorzugten Ausführungsform, für einen Drehmomentsensor gemäß 1; 3 a representation of a magnetic flux concentrator in a first preferred embodiment, for a torque sensor according to 1 ;

4 eine Darstellung eines Magnetflusskonzentrators in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, für einen Drehmomentsensor gemäß 1; 4 a representation of a magnetic flux concentrator in a second preferred embodiment, for a torque sensor according to 1 ;

5 eine Darstellung eines Magnetflusskonzentrators in einer dritten bevorzugten Ausführungsform, für einen Drehmomentsensor gemäß 1; und 5 a representation of a magnetic flux concentrator in a third preferred embodiment, for a torque sensor according to 1 ; and

6 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. 6 a perspective view of a torque sensor according to the invention according to another preferred embodiment.

Die 6 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, von der zwei Wellenabschnitte 12 und 14 erkennbar sind. Die beiden Wellenabschnitte 12 und 14 sind über eine Torsionsstabfeder 16 miteinander verbunden, so dass ihre freien, einander zugewandten Enden 18 und 20 dann relativ zueinander verdreht werden, wenn auf die Lenkwelle 10 ein Drehmoment aufgebracht wird. Am Ende 20 des Wellenabschnitts 14 ist ein Magnetringhalter 22 befestigt, welcher einen insgesamt mit 24 bezeichneten Mulipol-Magnetring trägt. Dieser Magnetring 24 umgibt die Lenkwelle 10 mit radialem Abstand, so dass zwischen dem Magnetring 24 und der Lenkwelle 10 ein Statorelement 26 eingreifen kann.The 6 shows a total with 10 designated steering shaft of a motor vehicle, of the two shaft sections 12 and 14 are recognizable. The two shaft sections 12 and 14 are over a torsion bar spring 16 connected to each other, leaving their free, facing ends 18 and 20 then be rotated relative to each other when on the steering shaft 10 a torque is applied. At the end 20 of the shaft section 14 is a magnetic ring holder 22 attached, which has a total of 24 designated Mulipol magnetic ring carries. This magnet ring 24 surrounds the steering shaft 10 at a radial distance, so that between the magnetic ring 24 and the steering shaft 10 a stator element 26 can intervene.

Dieses Statorelement 26 ist Teil eines insgesamt mit 28 bezeichneten Stators, der an einem Statorhalter 30 befestigt ist. Dieser Statorhalter 30 ist wiederum am freien Ende 18 des Wellenabschnitts 12 angebracht. Dem ersten Statorelement 26 liegt ein zweites Statorelement 32 radial gegenüber und wird, wie das erste Statorelement 26, vom Statorhalter 30 gehalten und sicher positioniert. Von beiden Statorelementen 26 und 32 ragen nach unten Finger 34 und 36 ab, die zwischen sich den Magnetring 24 aufnehmen. Die beiden Statorelemente 26 und 32 sind aus weichmagnetischem Material gefertigt.This stator element 26 is part of a total with 28 designated stator attached to a stator holder 30 is attached. This stator holder 30 is again at the free end 18 of the shaft section 12 appropriate. The first stator element 26 is a second stator 32 radially opposite and, like the first stator element 26 , from the stator holder 30 kept and safely positioned. From both stator elements 26 and 32 stick down fingers 34 and 36 off, the magnet ring between them 24 take up. The two stator elements 26 and 32 are made of soft magnetic material.

Ferner ist in der 6 erkennbar, dass die freien oberen Enden 38 und 40 der beiden Statorelemente 26 und 32 einen Spalt 42 bilden. In diesem Spalt 42 sind Magnetfeldsensoren 44 angeordnet, und der Spalt 42 liegt den beiden Enden 38 und 40 direkt gegenüber. In 6 ist beispielhaft lediglich einer der mindestens drei Magnetfeldsensoren 44 dargestellt. Die genaue Anordnung der Magnetfeldsensoren 44 kann bspw. 1 entnommen werden und wird nachfolgend näher erläutert. Die Magnetfeldsensoren 44 sind vorzugsweise als Hall-Sensoren ausgebildet. Die Finger 34 und 36 ragen jeweils von einem Magnetflussring 46 und 48 ab, die den in den Fingern 34 und 36 jeweils induzierten Magnetfluss zusammenführen und in Richtung der Magnetfeldsensoren 44 leiten.Furthermore, in the 6 recognizable that the free upper ends 38 and 40 the two stator elements 26 and 32 a gap 42 form. In this gap 42 are magnetic field sensors 44 arranged, and the gap 42 lies the two ends 38 and 40 directly opposite. In 6 is exemplary only one of the at least three magnetic field sensors 44 shown. The exact arrangement of the magnetic field sensors 44 can, for example. 1 will be taken and will be explained in more detail below. The magnetic field sensors 44 are preferably designed as Hall sensors. The finger 34 and 36 each protrude from a magnetic flux ring 46 and 48 that's in your fingers 34 and 36 merge each induced magnetic flux and in the direction of the magnetic field sensors 44 conduct.

An dem in 6 beispielhaft dargestellten Magnetfeldsensor 44 ist ein erster Magnetflusskonzentrator 56 angeordnet ist, der zwischen dem Magnetfeldsensor 44 und dem Magnetflussring 46 liegt. Zwischen dem Magnetfeldsensor 44 und dem Magnetflussring 48 ist ein zweiter Magnetflusskonzentrator 58 angeordnet. Die beiden Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 weisen jeweils einen ersten Abschnitt auf, die den Magnetflussringen 46 und 48 benachbart sind. Zwischen den beiden ersten Abschnitten befindet sich jeweils ein weiterer Abschnitt, der dem Magnetfeldsensor 44 benachbart ist. Die ersten Abschnitte gehen über eine Abkröpfung jeweils in den weiteren Abschnitt über. Bei Herstellung der Flusskonzentratoren 56 und 58 als Sinterteile ist der mittlere Abschnitt 64 nicht abgekröpft, sondern die dem Magnetflussring 46 und 48 zugewandte erste Abschnitt ist durchgehend, und nur auf der dem Magnetfeldsensor 44 zugewandten Seite befindet sich dann ein Höcker, der den weiteren Abschnitt bildet. Benachbart zu den ersten Abschnitten befindet sich ein geringer Luftspalt 42, der diese von den Magnetflussringen 46 und 48 trennt. Die beiden Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 und die Magnetfeldsensoren 44 sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und können in axialer Richtung zwischen die beiden Magnetflussringe 46 und 48 in den Stator 28 eingeschoben werden.At the in 6 example shown magnetic field sensor 44 is a first magnetic flux concentrator 56 is arranged between the magnetic field sensor 44 and the magnetic flux ring 46 lies. Between the magnetic field sensor 44 and the magnetic flux ring 48 is a second magnetic flux concentrator 58 arranged. The two magnetic flux concentrators 56 and 58 each have a first portion that the magnetic flux rings 46 and 48 are adjacent. Between each of the first two sections there is another section which is the magnetic field sensor 44 is adjacent. The first sections go over a bend in each case in the other section. When preparing the flux concentrators 56 and 58 as sintered parts is the middle section 64 not bent, but the magnetic flux ring 46 and 48 facing first section is continuous, and only on the the magnetic field sensor 44 facing side is then a hump, which forms the other section. Adjacent to the first sections is a small air gap 42 that rings these from the magnetic flux rings 46 and 48 separates. The two magnetic flux concentrators 56 and 58 and the magnetic field sensors 44 are arranged in a common housing and can in the axial direction between the two magnetic flux rings 46 and 48 in the stator 28 be inserted.

Wird auf die Lenkwelle 10 ein Drehmoment ausgeübt, dann verdrehen sich die beiden Enden 38 und 40 der beiden Wellenabschnitte 12 und 14 gegeneinander. Die Finger 34 und 36 liegen nunmehr einem der Pole des Magnetrings 24 gegenüber. Die radial inneren Finger 34 liegen zum Beispiel den Nordpolen und die radial äußeren Finger 36 den Südpolen gegenüber. Folglich wird das innere Statorelement 26 zu einem Nordpol und das äußere Statorelement 32 zu einem Südpol aufmagnetisiert. Der durch die Enden 38 und 40 begrenzte Spalt 42, welcher über den gesamten Umfang ausgebildet ist, stellt den magnetischen Rückschluss dar. Die Magnetfeldsensoren 44, welche ortsfest am Gehäuse der Lenkwelle 10 angebracht sind, tauchen mit ihrer empfindlichen Fläche in diesen Spalt 42 ein und messen über die Magentflusskonzentratoren 56 und 58 die Stärke der magnetischen Induktion, welche ein direktes Maß für die Größe des Drehmoments ist. Die Stärke der magnetischen Induktion ist dabei bei konstantem Drehmoment ebenfalls über den gesamten Umfang des Spalts 42 konstant. Dies bedeutet, dass die Lenkwelle 10 mit dem Magnetring 24 und dem Stator 28 ungehindert gedreht werden kann. Die Sensoren 44 arbeiten vollkommen berührungslos.Is on the steering shaft 10 exerted a torque, then twist the two ends 38 and 40 the two shaft sections 12 and 14 up to today. The finger 34 and 36 are now one of the poles of the magnet ring 24 across from. The radially inner fingers 34 lie, for example, the north poles and the radially outer fingers 36 opposite the South Pole. As a result, the inner stator element becomes 26 to a north pole and the outer stator element 32 magnetized to a south pole. The one through the ends 38 and 40 limited gap 42 , which one is formed over the entire circumference, represents the magnetic inference. The magnetic field sensors 44 , which fixed to the housing of the steering shaft 10 are attached, dive with their sensitive area in this gap 42 and measure over the Magentflusskonzentratoren 56 and 58 the strength of the magnetic induction, which is a direct measure of the magnitude of the torque. The strength of the magnetic induction is also at constant torque over the entire circumference of the gap 42 constant. This means that the steering shaft 10 with the magnetic ring 24 and the stator 28 can be turned freely. The sensors 44 work completely non-contact.

Bei negativem Drehmoment ändert sich die Richtung der relativen Verdrehung, so dass die Finger 34 den entgegengesetzten Polen des Magnetrings 24 gegenüberliegen. Dadurch vertauschen sich die Polaritäten in den Statorelementen 26 und 32.With negative torque, the direction of the relative rotation changes, leaving the fingers 34 the opposite poles of the magnet ring 24 are opposite. As a result, the polarities in the stator elements exchange 26 and 32 ,

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Drehmomentsensor in einer anderen Ausführungsform dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung der Welle 10 verzichtet. Dargestellt sind der Multipol-Magnetring 24, die Magnetflussringe 46 und 48, die Magnetflusskonzentratoren 56 und 58 sowie die drei Magnetfeldsensoren 44. Es ist deutlich zu erkennen, dass jedem Magenetflussring 46 und 48 jeweils ein Magnetflusskonzentrator 56 und 58 zugeordnet ist. Außerdem kann man erkennen, dass sich die Magnetflusskonzentratoren 56, 58 über einen Abschnitt des Umfangs der ihnen zugeordneten Magnetflussringe 46, 48 erstreckt. Die Magnetflusskonzentratoren 56, 58 sind der Krümmung der Magnetflussringe 46, 48 angepasst. Durch die Magnetflusskonzentratoren 56, 58 wird sichergestellt, dass alle Magnetfeldsensoren 44 dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt sind und gleiche Messsignale liefern. Diese können bspw. nach Art einer Mehrheitsentscheidung ausgewertet werden, um ein fehlerhaftes Messsignal bzw. einen fehlerhaften Magnetfeldsensor 44 detektieren und, bspw. durch Verwerfen des fehlerhaften Messsignals oder Deaktivieren des fehlerhaften Magnetfeldsensors 44, entsprechend berücksichtigen zu können.In 1 an inventive torque sensor is shown in another embodiment. The sake of clarity was on the representation of the wave 10 waived. Shown are the multipole magnetic ring 24 , the magnetic flux rings 46 and 48 , the magnetic flux concentrators 56 and 58 as well as the three magnetic field sensors 44 , It can be clearly seen that every gastric flow ring 46 and 48 one magnetic flux concentrator each 56 and 58 assigned. You can also see that the magnetic flux concentrators 56 . 58 over a portion of the circumference of their associated magnetic flux rings 46 . 48 extends. The magnetic flux concentrators 56 . 58 are the curvature of the magnetic flux rings 46 . 48 customized. Through the magnetic flux concentrators 56 . 58 Ensures that all magnetic field sensors 44 are exposed to the same magnetic field and provide the same measurement signals. These can be evaluated, for example, in the manner of a majority decision to a faulty measurement signal or a faulty magnetic field sensor 44 detect and, for example, by discarding the erroneous measurement signal or deactivating the faulty magnetic field sensor 44 to be able to consider accordingly.

In 2 ist der erfindungsgemäße Drehmomentsensor aus 1 in einem radialen Schnitt dargestellt. Hier ist die Anordnung der drei Magnetfeldsensoren 44 besonders gut zu erkennen.In 2 is the torque sensor of the invention 1 shown in a radial section. Here is the arrangement of the three magnetic field sensors 44 particularly easy to recognize.

3 zeigt den Magnetflusskonzentrator 56 des Drehmomentsensors aus 1 im Detail. Die Magnetflusskonzentratoren 56, 58 haben die Aufgabe, den Magnetfluss von den sich mit der Welle 10 drehenden Statorelementen 26 abzugreifen und auf die aktiven Flächen der Magnetfeldsensoren 44 zu leiten. Es ist deutlich erkennbar, dass der Magnetflusskonzentrator 56 derart ausgestaltet ist, dass er den Magnetflussring 46 umgreift. Insgesamt ist der Magnetflusskonzentrator 56 gebogen ausgeführt und folgt der Krümmung des Magnetflussringes 46. 3 shows the magnetic flux concentrator 56 of the torque sensor 1 in detail. The magnetic flux concentrators 56 . 58 have the task of the magnetic flux of the itself with the shaft 10 rotating stator elements 26 and on the active surfaces of the magnetic field sensors 44 to lead. It can be clearly seen that the magnetic flux concentrator 56 is configured such that it the magnetic flux ring 46 embraces. Overall, the magnetic flux concentrator 56 executed bent and follows the curvature of the magnetic flux ring 46 ,

Jedem Magnetfeldsensor 44 ist eine eigene Lasche 60 des Magnetfeldkonzentrators 56 zugeordnet. Bei mehreren kleineren Laschen ist die Induktion besser als bei nur einer großen Lasche. Insofern hat der erfindungsgemäße Drehmomentsensor auch eine höhere Empfindlichkeit als die bekannten Drehmomentsensoren mit weniger, dem gleichen Magnetfeld ausgesetzten Magnetfeldsensoren. Änderungen in der Magnetisierung der Statorelemente 26 (verursacht durch eine veränderte Torsion der Welle 10) wirken sich auf alle Magnetfeldsensoren 44 in derselben Art und Weise aus. Der Grund dafür ist, dass der Magnetfluss über die gesamte Innenfläche der Magnetflusskonzentratoren 56, 58 von den Statorelementen 26 abgegriffen wird und sich zusätzlich über die Länge der Magnetflusskonzentratoren 56, 58 mittelt und erst dann auf die Laschen 60 verteilt wird.Every magnetic field sensor 44 is a separate tab 60 of the magnetic field concentrator 56 assigned. With several smaller tabs the induction is better than with only one large tab. In this respect, the torque sensor according to the invention also has a higher sensitivity than the known torque sensors with less, the same magnetic field exposed magnetic field sensors. Changes in the magnetization of the stator elements 26 (caused by an altered twist of the shaft 10 ) affect all magnetic field sensors 44 in the same way. The reason is that the magnetic flux over the entire inner surface of the magnetic flux concentrators 56 . 58 from the stator elements 26 is tapped and in addition over the length of the magnetic flux concentrators 56 . 58 averages and only then on the tabs 60 is distributed.

Die Laschen 60 der Magnetflusskonzentratoren 56, 58 sind symmetrisch zu den Fingern 34, 36 der Statorelemente 26 und zu den Magnetpolen des Magnetrings 24 angeordnet. In einem Beispiel mit neun Fingern 34, 36 pro Statorelement 26 ist der Winkel zwischen den Laschen 60 und damit auch zwischen den Magnetfeldsensoren 44 jeweils 40°.The tabs 60 the magnetic flux concentrators 56 . 58 are symmetrical to the fingers 34 . 36 the stator elements 26 and to the magnetic poles of the magnet ring 24 arranged. In an example with nine fingers 34 . 36 per stator element 26 is the angle between the tabs 60 and thus also between the magnetic field sensors 44 each 40 °.

Die Laschen 60 können aus funktionalen Gründen dreiecksförmige Bereiche 62 aufweisen. Dadurch können für jeden der Magnetfeldsensoren 44 bezüglich Streufelder der Magnetpole des Magnetrings 24 und der Statorfinger 34, 36 gleichartige Bedingungen geschaffen werden, und die Streufelder können von den Magnetfeldsensoren 44 abgeschirmt werden. Dadurch werden gegenläufige Signalmodulationen vermieden. Die den Magnetfeldsensoren 44 benachbarten Flächen 64 der Laschen 60 sind mit derselben radialen Symmetrie relativ zueinander angeordnet. Erkennbar ist, dass eine Schräge Kante am Ende der linken Fläche 64 in 3 ihre Entsprechung in der rechten Fläche 64 findet. Ebenso kann ein relativ zur Längsachse der Welle 10 schräger Flächenverlauf der linken Fläche 64 ihre Entsprechung in der rechten Fläche 64 finden. Die aktiven Flächen der Magnetfeldsensoren 44 liegen jeweils über dem Flächenmittelpunkt der Flächen 64 der Laschen 60.The tabs 60 may have triangular areas for functional reasons 62 exhibit. This allows for each of the magnetic field sensors 44 with respect to stray fields of magnetic poles of the magnet ring 24 and the stator finger 34 . 36 similar conditions are created, and the stray fields can from the magnetic field sensors 44 be shielded. This avoids opposing signal modulations. The magnetic field sensors 44 neighboring areas 64 the tabs 60 are arranged with the same radial symmetry relative to each other. Visible is that a slanted edge at the end of the left surface 64 in 3 their correspondence in the right area 64 place. Likewise, a relative to the longitudinal axis of the shaft 10 oblique surface course of the left surface 64 their correspondence in the right area 64 Find. The active surfaces of the magnetic field sensors 44 each lie above the centroid of the surfaces 64 the tabs 60 ,

Bei dem in 4 dargestellten Magnetflusskonzentrator 56 verlaufen die den Magnetfeldsensoren 44 benachbarten Flächen 44 parallel zueinander. Dies kann Vorteile für die Montage der Magnetflusskonzentratoren 56, 58 bringen. Die dreieckförmigen Laschenbereiche 62 sind weiterhin symmetrisch bezüglich der Statorfinger 34, 36.At the in 4 shown magnetic flux concentrator 56 are the magnetic field sensors 44 neighboring areas 44 parallel to each other. This can be advantages for the assembly of magnetic flux concentrators 56 . 58 bring. The triangular flap areas 62 are still symmetrical with respect to the stator fingers 34 . 36 ,

Der in 5 dargestellte Magnetflusskonzentrator 56 liegt nur der Innenseite des Statorrands bzw. des Magnetflussrings 46 gegenüber. Der Magnetflusskonzentrator 56 könnte bspw. in einem Drehmomentsensor eingesetzt werden, bei dem die Magnetflusskonzentratoren 56, 58 zwischen den Magnetflussringen 46, 48 angeordnet sind, wie er bspw. in 6 dargestellt ist. Der dargestellte Magnetflusskonzentrator 56 weist relativ zur Längsachse der Welle 10 radial ausgerichtete Laschenflächen 64 auf. Selbstverständlich können die Flächen 64 der Laschen 60 auch axial ausgerichtet sein.The in 5 illustrated magnetic flux con zentrator 56 lies only on the inside of the stator edge or the magnetic flux ring 46 across from. The magnetic flux concentrator 56 could, for example, be used in a torque sensor, in which the magnetic flux concentrators 56 . 58 between the magnetic flux rings 46 . 48 are arranged, as he eg. in 6 is shown. The illustrated magnetic flux concentrator 56 points relative to the longitudinal axis of the shaft 10 radially aligned tab surfaces 64 on. Of course, the surfaces can 64 the tabs 60 also be aligned axially.

Claims

Device for determining a wave ( 10 ) applied torque, wherein the shaft ( 10 ) a first wave section ( 14 ) and a second shaft section ( 12 ) and the two shaft sections ( 12 . 14 ) are rotatable against each other, with a first shaft portion ( 14 ) and connected to this multipole magnetic ring ( 24 ) and one on the second shaft section ( 12 ) fixed stator holder ( 30 ), whereby at the stator holder ( 30 ) two stator elements ( 26 . 32 ) and each stator element ( 26 . 32 ) fingers projecting in the axial direction ( 34 . 36 ), which are distributed uniformly over at least part of the circumference and have gaps between them, the fingers ( 34 . 36 ) of each stator element ( 26 . 32 ) via a magnetic flux ring ( 46 . 48 ), the magnetic flux rings ( 46 . 48 ) are at a distance from each other and between the magnetic flux rings ( 46 . 48 ) at least one magnetic field sensor ( 44 ) is arranged, characterized in that the device at least three between the magnetic flux rings ( 46 . 48 ) arranged magnetic field sensor ( 44 ), all of which are exposed to the same magnetic field.

Device according to claim 1, characterized in that the at least three magnetic field sensors ( 44 ) at least one magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) assigned.

Apparatus according to claim 2, characterized in that the at least one Magentflusskonzentrator ( 56 . 58 ) between the magnetic flux rings ( 46 . 48 ) is arranged.

Apparatus according to claim 3, characterized in that between the magnetic field sensors ( 44 ) and each magnetic flux ring ( 46 . 48 ) a magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) is arranged.

Apparatus according to claim 2, characterized in that the at least one Magentflusskonzentrator ( 56 . 58 ) the magnetic flux rings ( 46 . 48 ) surrounds.

Apparatus according to claim 5, characterized in that in each case a magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) one of the magnetic flux rings ( 46 . 48 ) surrounds.

Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) over a portion of the circumference of the magnetic flux ring ( 46 . 48 ).

Apparatus according to claim 7, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) of the curvature of the magnetic flux ring ( 46 . 48 ) is adjusted.

Device according to one of claims 2 to 8, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) over 10 ° to 180 °, in particular 25 ° to 90 °, over the circumference of the magnetic flux ring ( 46 . 48 ).

Device according to one of claims 2 to 9, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) is attached to a stationary holder.

Device according to claim 10, characterized in that that the holder in addition Electronic components, a circuit board for this, plug contacts and / or soldering having.

Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the holder is connected via a slide bearing on the stator holder ( 30 ) is supported.

Device according to one of claims 2 to 12, characterized in that the magnetic flux concentrator ( 56 . 58 ) is a stamped and bent sheet metal part.