DE102008015274A1

DE102008015274A1 - Sensorbaugruppe für eine Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensoranordnung

Info

Publication number: DE102008015274A1
Application number: DE200810015274
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Jerems; Dirk Rachui; Jens Thom
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorbaugruppe für eine Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensoranordnung auf einer Welle mit mindestens einem Magnetfeldsensor, wobei eine Sensoranordnung (7) der Sensorbaugruppe einem Ringmagneten (11) derart gegenüberliegt, dass aus der relativen Verdrehung des Ringmagneten (11) zur Statorbaugruppe (6) ein Drehmoment ermittelbar ist und wobei die Sensoranordnung (7) in radialer Ausrichtung dem Ringmagneten (11) gegenüberliegt. Die Sensoranordnung (7) ist in einem Zwischenraum (12) zwischen zwei radial außenliegendene (6) angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensorbaugruppe für eine Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensoranordnung auf einer Welle, insbesondere zur Detektion von drehwinkel- oder drehmomentabhängigen Größen an der Welle oder zwischen Teilwellen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Besonders mit berührungslos arbeitenden Winkelsensoren und einer Messung einer relativen Verdrehung von zwei Wellenenden eines sich drehenden Torsionssystems, zum Beispiel als Teil einer Lenkwelle, kann eine Ermittlung des auf die gesamte Lenkwelle ausgeübten Drehmoments durchgeführt werden, wie es insbesondere bei einem Einsatz in Lenksystemen von Kraftfahrzeugen mit elektrischer Lenkkraftunterstützung erforderlich ist.
Ein solcher Drehmomentsensor besteht in der Regel aus zwei Einheiten, nämlich einer dynamischen Einheit, welche sich mit der Lenkwelle bzw. dem Torsionssystem mitdreht und einer ortsfesten statischen Einheit mit einer Elektronik, welche an dem umgebenden Getriebegehäuse fixiert ist.
Die dynamische Einheit ist dabei über zwei Teilwellen der Lenkwelle verteilt befestigt und kann deshalb auch in eine Statorbaugruppe und in eine Magnetbaugruppe unterteilt werden. Die unterschiedlichen Teilwellen werden dabei von einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle gebildet, die beide über einen Torsionsstab miteinander verbunden sind. Die Statorbaugruppe besteht mindestens aus dem Statorhalter und einer Sensoranordnung, zum Beispiel zwei Magnetfeldsensoren, als Bestandteil einer Sensorbaugruppe, wobei optional weitere Bauteile in die Statorbaugruppe integriert werden können.
Die statische Einheit ist über eine Lagerung mit der dynamischen Einheit verbunden, wobei zwischen dem Getriebegehäuse und der statischen Einheit in der Regel eine elektrische Steckverbindung besteht.
Innerhalb der Magnetbaugruppe des zuvor beschriebenen Drehmomentsensors befindet sich in der Regel ein Ringmagnet, wobei es an sich bekannt ist, dass mit solchen Ringmagneten, die mit magnetischen Sensormitteln über ein sich mit einer absoluten oder relativen Drehung ändernden Magnetfeld in einem Funktionszusammenhang stehen, die Drehbewegungen einer Welle berührungslos erfasst werden können.
Beispielsweise ist aus der DE 102 56 322 A1 bekannt, dass ein Drehmomentsensor zur Erfassung des an einer Lenkwelle in einem Kraftfahrzeug anstehenden Drehmoments, jeweils an zwei sich gegenüberliegenden Teilwellen der Lenkwelle angebracht ist. Auf der ersten Teilwelle ist hier eine drehfest angebrachte Hülse mit Magneten vorhanden und auf der anderen Teilwelle ist ein Magnetfeldsensor angebracht, der dem Magneten an der ersten Teilwelle über einen Zwischenraum gegenüberliegt.
Bei dieser bekannten Anordnung hängt der im Zwischenraum erzeugte magnetische Fluss von der Drehwinkellage zischen dem Magneten und dem Detektor der Sensoranordnung ab, wobei zwischen den Teilwellen der Welle ein Torsionselement angeordnet ist, sodass hieraus das auf die Welle einwirkende Drehmoment messbar ist. Weiterhin ist das zuvor beschriebene Sensorprinzip auch aus der WO 02/071019 A bekannt.
Es ist für sich gesehen darüber hinaus aus der DE 102 56 322 A1 bekannt, dass die Elemente des Magnetkreises, bestehend aus dem Ringmagnet, Statoren, Flussleitern und den Magnetfeldsensoren, zum Beispiel Hall-Sensoren, axial angeordnet sind. Die Flussleiter sind dabei jedoch wiederum radial zu den Statoren angeordnet oder können entfallen und die Hall-Sensoren befinden sich zwischen den Flussleitern bzw. den Statoren. Damit lassen sich Sensorbaugruppen fertigen, welche eine geringe radiale Ausdehnung aufweisen. Nachteilig an dieser Lösung ist der zusätzlich benötigte axiale Bauraum, der sich zusammensetzt aus der Breite des Ringmagneten, der Statoren, der Flussleiter, der Leiterplatte mit den Hall-Elementen und den für das Funktionsprinzip der Sensorbaugruppe wichtigen Luftspalten.
Aus der DE 2004 055 124 A1 ist eine Sensorbaugruppe bekannt, bei der die Elemente des Magnetkreises, bestehend aus dem Ringmagnet, den Statoren, den Flussleitern und den Hall-Sensoren mit der Leiterplatte, von der Drehachse der Sensoranordnung radial nach außen hin angeordnet sind. Während der Ringmagnet und die Statoren einen kreisförmigen Bauraum beanspruchen, ragen die Hall-Elemente, die Platine und der Steckerbereich radial partiell aus diesem heraus. Die Flussleiter können hier ebenfalls kreisförmig über den Statoren liegen und somit den radialen Bauraum in allen Richtungen vergrößern oder im Bereich der Hall-Sensoren angeordnet sein.
Weiterhin ist in der EP1 813 925 A1 , insbesondere anhand der 3 und 4, eine Sensorbaugruppe für eine Anwendung in Lenksystemen mit weitgehend radialem Aufbau beschrieben, die in einem kompakten Bauraum, zum Beispiel in einem Lenkgetriebegehäuse, montiert werden kann.
Nachteilig an dieser letztgenannten Lösung ist, dass die Sensorbaugruppe aus zwei Teilen besteht, eine statische Sensoreinheit und eine dynamische Sensoreinheit, welche nicht direkt miteinander verbunden sind, sondern ihre Lage zueinander durch das Lenkgetriebegehäuse, die Lagerung der Lenkwelle und der Lenkwelle selbst finden. Beide Baugruppen müssen getrennt voneinander und aus unterschiedlichen Fügerichtungen kommend in den Bauraum in einer vorgegebenen Montagefolge montiert werden. Für die Aufnahme der Sensorelektronik, d. h. die Leiterplatte mit den Hall-Sensoren, muss am Lenkgetriebegehäuse dafür dann eine entsprechende Geometrie vorgehalten werden.
Darstellung der Erfindung
Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, den Aufbau des Magnetkreises zwischen der Statorbaugruppe mit der Sensoranordnung und der Magnetbaugruppe so zu gestalten, dass eine minimale Ausdehnung der Statorbaugruppe in radialer und axialer Richtung erreicht wird.
Die Erfindung geht von einer Sensorbaugruppe für eine Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensoranordnungen auf einer Welle mit mindestens einem Magnetfeldsensor aus, bei der eine Sensoranordnung einer Magnetbaugruppe mit einem Ringmagneten derart gegenüberliegt, dass aus der relativen Verdrehung des Ringmagneten zur Statorbaugruppe ein Drehmoment ermittelbar ist und bei der die Sensoranordnung in radialer Ausrichtung der Magnetbaugruppe gegenüberliegt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Sensoranordnung in vorteilhafter Weise in einem Zwischenraum zwischen zwei axial beabstandeten Statorelementen angeordnet ist.
Die Sensorbaugruppe kann dabei in vorteilhafter Weise Bestandteil einer Drehmomentsensoranordnung sein, die vorzugsweise an der Lenkwelle in einem Kraftfahrzeug angebracht und an zwei axial sich gegenüberliegenden Teilwellen der Lenkwelle befestigt ist und eine Drehwinkeländerung zwischen den Teilwellen erfasst.
Bei der erfindungsgemäßen Sensorbaugruppe ist vorzugsweise der Magnetfeldsensor zusammen mit einer Leiterplatte im Zwischenraum zwischen den Statorelementen derart montiert, dass sich die Leiterplatte und die Magnetfeldsensoren parallel zu den Statorelementen erstrecken.
Bevorzugt ist bei der vorgeschlagenen Sensoranordnung der mindestens eine Magnetfeldsensor mit Flussleitern versehen, die von den Magnetfeldsensoren innerhalb des Zwischenraums in die Nähe der Statorelemente geführt sind. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind zwei Magnetfeldsensoren am Umfang der Anordnung vorhanden, die jeweils beidseitig von Flussleitern umgeben sind und die Flussleiter erstrecken sich weitgehend parallel zu den Statorelementen zwischen den Magnetfeldsensoren.
Die Magnetfeldsensoren sind in vorteilhafter Weise aus Hall-Sensoren gebildet, deren elektrische Kontaktierung über die Leiterplatte vorgenommen werden kann, wobei sich auf der Leiterplatte Bauelemente, zum Beispiel auch integrierte Schaltkreise, als Bestandteil einer Auswerteelektronik für die Sensoranordnung befinden können.
Bei der Erfindung werden somit die Flussleiter, die Hall-Sensoren und die Leiterplatte einfach in den Zwischenraum zwischen den Statorelementen untergebracht, sodass eine kompakte Sensorbaugruppe mit der Sensoranordnung und eine entsprechende Statorbaugruppe entsteht, deren radiale und axiale Ausdehnung nur durch die Geometrie und Anordnung der Statorelemente bestimmt wird.
Die hier vorgestellte Sensoranordnung mit einer statischen und dynamischen Einheit wird als ein einziges Bauteil zum Beispiele auf die Lenkwelle montiert. Anders als bei Stand der Technik entfällt hier das Handling einer zusätzlichen Sensorbaugruppe und ein zusätzlicher Montagevorgang. Außerdem ist diese Sensorbaugruppe unabhängig von der Toleranzkette, welche beispielsweise beim eingangs erwähnten Stand der Technik EP1 813 925 A1 (vgl. 3) aus der Aufnahme der statische Sensoreinheit im Getriebegehäuse, der Aufnahme der dynamischen Sensoreinheit auf der Lenkwelle und die Lagerung zwischen Getriebegehäuse und Lenkwelle besteht.
Außerdem entfällt nach der Erfindung aufseiten des Getriebegehäuses die Aufnahme für die statische Sensoreinheit, die ihrerseits den Bauraum des Getriebegehäuses nach außen hin aufweitet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Beispiel einer Drehmomentsensoranordnung an der Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges,
2 eine Detaildarstellung eines Schnitts einer radial ausgerichteten Sensor- und Statorbaugruppe der Drehmomentsensoranordnung und
3 eine Ansicht auf die Statorbaugruppe und die Sensoranordnung nach der 2.
Weg zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt prinzipiell eine Vorrichtung zur Bestimmung eines auf eine Welle 1 ausgeübten Drehmoments an einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges. Die Welle 1 weist hier zwei Teilwellen 2 und 3 auf, die mittels eines Torsionsstabes 4 miteinander verbunden sind. Es ist hier eine Drehmomentsensoranordnung vorhanden, die aus einer Magnetbaugruppe 5 an der Teilwelle 2 und einer Statorbaugruppe 6 an der Teilwelle 3 als Teil einer dynamischen Einheit des Drehmomentsensors besteht und es ist ein hier ein anhand der folgenden Figuren erläuterter, hier nur schematisch angedeuteten Sensoranordnung 7 als Teil einer statischen Einheit des Drehmomentsensors zur Erfassung der drehwinkelabhängigen Magnetfeldänderungen vorhanden.
In 2 ist als Teil der Statorbaugruppe 6 nach der 1 ein Stator 10 mit Statorelementen 10a und 10b gezeigt. Innerhalb des Stators 10 ist drehbar beweglich ein Ringmagnet 11 vorhanden, der ein Bestandteil der Magnetbaugruppe 5 (1) ist. Die Statorelemente 10a und 10b sind radial nach außen so weitergeführt, dass sich radial außen ein Zwischenraum 12 ausbildet, der zur Aufnahme der Sensoranordnung 7 dient. Im Zwischenraum 12 zwischen den beiden axial beabstandeten Statorelementen 10a und 10b sind weiterhin Flussleiter 13, Hall-Sensoren 14 als Magnetfeldsensoren und eine Leiterplatte 15 angeordnet.
Aus 3 ist eine Ansicht auf die Ausbildung der Statorelemente 10a und 10b ersichtlich und es ist hieraus erkennbar, dass zwei Hall-Sensoren 14 auf der Leiterplatte 15 angeordnet sind, die zwischen den Statorelementen 10a und 10b montiert werden können, wobei die Leiterplatte 15 parallel zu den Statorelementen 10a und 1b geführt wird. Die Hall-Sensoren 14 werden hier nicht senkrecht aus der Leiterplatte 15, wie beim Stand der Technik, geführt, sondern verlaufen parallel zu dieser.
Die Geometrie der Leiterplatte 15 und die Anordnung der Hall-Sensoren 14 auf der Leiterplatte 15 passt sich somit den Bauraumverhältnissen in dieser Baugruppe so an, dass die durch die Statorelemente 10a und 10b vorgegebene radiale Ausdehnung nicht überschritten wird. Die elektrische Kontaktierung der Hall-Sensoren 14 bzw. der Leiterplatte 15 kann dann entsprechend den gewünschten Verhältnissen angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10256322 A1 [0007, 0009]
- WO 02/071019 A [0008]
- DE 2004055124 A1 [0010]
- EP 1813925 A1 [0011, 0020]

Claims

Sensorbaugruppe für eine Drehmoment- und/oder Drehwinkelsensoranordnungen auf einer Welle mit mindestens einem Magnetfeldsensor, wobei eine Sensoranordnung (7) der Sensorbaugruppe einem Ringmagneten (11) derart gegenüberliegt, dass aus der relativen Verdrehung des Ringmagneten (11) zur Statorbaugruppe (6) ein Drehmoment ermittelbar ist und wobei die Sensoranordnung (7) in radialer Ausrichtung dem Ringmagneten (11) gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (7) in einem Zwischenraum (12) zwischen zwei radial außenliegenden, axial beabstandeten Bereichen von Statorelementen (10a, 10b) eines Stators (10) der Statorbaugruppe (6) angeordnet ist.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor zusammen mit einer Leiterplatte (15) im Zwischenraum (12) zwischen den Statorelementen (10a, 10b) montiert ist, wobei die Leiterplatte (15) und die Magnetfeldsensoren sich parallel zu den Statorelementen (10a, 10b) erstrecken.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor mit Flussleitern (13) versehen ist, die von den Magnetfeldsensoren in die Nähe der Statorelemente (10a, 10b) geführt sind.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Magnetfeldsensoren vorhanden sind, die jeweils beidseitig von Flussleitern (13) umgeben sind und die Flussleiter (13) sich weitgehend parallel zu den Statorelementen (10a, 10b) zwischen den Magnetfeldsensoren erstrecken.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren Hall-Sensoren (14) sind, deren elektrische Kontaktierung über die Leiterplatte (15) vorgenommen ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Leiterplatte (15) Bauelemente als Bestandteil einer Auswerteelektronik für die Sensoranordnung (7) befinden.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (7) Bestandteil einer Drehmomentsensoranordnung ist, die vorzugsweise an der Lenkwelle in einem Kraftfahrzeug, angebracht ist, an zwei axial sich gegenüberliegenden Teilwellen (2, 3) der Lenkwelle befestigt ist und eine Drehwinkeländerung zwischen den Teilwellen (2, 3) erfasst.