DE102009046997A1 - Sensor arrangement for detecting torque at steering column of motor vehicle, has sensor device detecting measured values based on electromagnetic field caused by magnet, and transmission module wirelessly sending detected values to receiver - Google Patents

Sensor arrangement for detecting torque at steering column of motor vehicle, has sensor device detecting measured values based on electromagnetic field caused by magnet, and transmission module wirelessly sending detected values to receiver Download PDF

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Abstract

The arrangement has a torsion bar (16) arranged between an input shaft (12) and an output shaft (14). Multiple magnets (15) are provided at the input or output shafts. A sensor device is arranged on an opposite-lying output shaft and/or input shaft for detecting measured values based on an electromagnetic field caused by the magnets. The device comprises a transmission module (22) for wirelessly sending the detected measured values to a receiver, and an energy module (24) is energized for supplying to the transmission module. A receiver module (26) is arranged at a housing in a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmoments nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a sensor arrangement for detecting a torque according to the preamble of patent claim 1.

Insbesondere Fahrzeuge mit elektrisch unterstützten Lenksystemen benötigen in der Regel ein entsprechendes Drehmomentsignal, das als Stellgröße für die Lenkunterstützung des Fahrers des Kraftfahrzeugs dienen kann.In particular, vehicles with electrically assisted steering systems usually require a corresponding torque signal, which can serve as a control variable for the steering assistance of the driver of the motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 1 269 133 B1 ist eine magnetische Einrichtung bekannt, mittels der sich ein Drehmomentsignal erzeugen lässt. Der Magnetkreis der Einrichtung besteht aus einem Magnetring, zwei Fluxringen und einem bzw. mehreren Hallelementen. Durch Verdrehung des Magneten in den Fluxringen wird die magnetische Feldstärke zwischen den Fluxringen verändert, und mit einem oder mehreren Hallelementen gemessen. Die mit den jeweiligen Fluxringen in Verbindung stehenden Zähne greifen in axialer Richtung ineinander und greifen auf dem Umfang die Magnetfeldinformation ab, um sie dem Hallelement zuzuführen. Axiale Toleranzen der Hallelemente zu den Fluxringen wirken sich jedoch hier stark auf den Messeffekt aus. So bewirkt die Vergrößerung des Luftspalts einen geringeren magnetischen Fluss mit nachteiligem Einfluss auf den Drehmomentsensor.From the EP 1 269 133 B1 a magnetic device is known by means of which a torque signal can be generated. The magnetic circuit of the device consists of a magnetic ring, two Fluxringen and one or more Hall elements. By twisting the magnet in the Fluxringen the magnetic field strength is changed between the Fluxringen, and measured with one or more Hall elements. The teeth which are in communication with the respective flux rings engage in one another in the axial direction and grasp the magnetic field information on the circumference in order to supply them to the Hall element. Axial tolerances of the Hall elements to the flux rings, however, have a strong effect on the measurement effect here. Thus, the enlargement of the air gap causes a smaller magnetic flux with adverse influence on the torque sensor.

Aus der DE 10 2005 031 086 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Differenzwinkels mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement, mit dem die Magnetfeldinformationen eines Magnetkreises bestehend aus einem mit einer Welle verbindbaren Magnetpolrad und ferromagnetischen Fluxringen mit Zähnen auswertbar ist, wobei die Zähne in radialer Richtung der Welle verlaufen und zum radialen Abgriff der Magnetfeldinformation des Magnetpolrades dienen.From the DE 10 2005 031 086 A1 is a sensor arrangement for detecting a differential angle with at least one magnetic field-sensitive sensor element, with which the magnetic field information of a magnetic circuit consisting of a connectable to a wave Magnetpolrad and ferromagnetic Fluxringen with teeth is evaluated, the teeth extend in the radial direction of the shaft and the radial tap of the magnetic field information serve the Magnetpolrades.

Ein drahtloser Drehmomentsensor für das Erfassen der Verdrehung einer durchgängigen Welle ist aus der US 7,307,517 B2 bekannt.A wireless torque sensor for detecting the rotation of a continuous shaft is known from US 7,307,517 B2 known.

Im Übrigen sind Sensoren zur Erfassung des Drehmoments in der Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere PKWs, in diversen weiteren Ausführungen auf dem Markt. Hierzu gehören berührungslose Prinzipien, bei denen die Drehmoment- oder Verdrehwinkelinformation durch einen Magnetkreis von der Lenkwelle an das Gehäuse übertragen wird, oder mittels elektromagnetischer Felder übermittelt wird.Incidentally, sensors for detecting the torque in the steering shaft of a motor vehicle, in particular cars, in various other versions on the market. These include non-contact principles in which the torque or Verdrehwinkelinformation is transmitted by a magnetic circuit from the steering shaft to the housing, or transmitted by means of electromagnetic fields.

Besonders angenehm und effektiv in der Handhabung sind Lenkwellen mit zwischen einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle angeordneten Torsionsstäben. Mittels Zwischenschaltung derartiger Torsionsstäbe kann das Lenkverhalten günstig beeinflusst werden, da es beispielsweise möglich ist, Bodenunebenheiten oder kleinere Hindernisse auf der Fahrbahn abzufedern.Particularly pleasant and effective in handling are steering shafts arranged between an input shaft and an output shaft torsion bars. By interposing such torsion bars, the steering behavior can be favorably influenced, since it is possible, for example, to cushion bumps or smaller obstacles on the road.

Es sind Sensoren bekannt, welche die Verdrillung eines Torsionsstabes auf der Lenkwelle messen, und diese Information über eine Wickelfeder an das nicht drehbare bzw. statische Lenkgehäuse übertragen.There are known sensors which measure the twist of a torsion bar on the steering shaft, and transmit this information via a coil spring to the non-rotatable or static steering housing.

Sensoren mit Wickelfeder ermöglichen die Bereitstellung eines sehr präzisen und direkten Messverfahrens. Bei derartigen Verfahren muss ein Sensor lediglich die Position eines Gebermagneten messen. Die Messung ist unabhängig von der Position der Lenkwelle. Nachteilig ist, dass die elektromagnetische Verträglichkeit derartiger Wickelfedern nicht besonders gut ist, und sie Verschleißerscheinungen zeigen. Ferner ist die Montage derartiger Federn umständlich. Bei Verwendung der berührungslosen Verfahren werden Elemente eingesetzt, die die Positionsinformation um den Lenkwellenumfang verteilen, damit die Information unabhängig von der Lenkwellenposition abgegriffen werden kann. Auf diese Weise erhaltene Signale werden beeinflusst durch die Signalverteilung in den Leitelementen, und erfahren Verzerrungen durch die Positionstoleranzen der Lenkwelle (sog. Umlaufmodulation).Sensors with a clock spring make it possible to provide a very precise and direct measuring method. In such methods, a sensor only has to measure the position of a transmitter magnet. The measurement is independent of the position of the steering shaft. The disadvantage is that the electromagnetic compatibility of such coil springs is not very good, and they show signs of wear. Furthermore, the assembly of such springs is cumbersome. When using the non-contact method elements are used, which distribute the position information to the Lenkwellenumfang so that the information can be tapped regardless of the steering shaft position. Signals obtained in this way are influenced by the signal distribution in the guide elements, and experience distortions by the position tolerances of the steering shaft (so-called circulation modulation).

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst präzise Messung eines Drehmoments einer einen Torsionsstab aufweisenden Lenkwelle auf einfache Weise zu bewerkstelligen.It is an object of the present invention to accomplish the most accurate possible measurement of a torque of a torsion bar having steering shaft in a simple manner.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a sensor arrangement having the features of patent claim 1.

Mittels der Erfindung ist eine präzise Messung des Drehmoments in berührungsloser Weise zur Verfügung gestellt, wobei insbesondere auch Toleranzen der Lenkwelle im Rahmen einer Umlaufmodulation vermieden werden können.By means of the invention, a precise measurement of the torque is provided in a non-contact manner, wherein in particular also tolerances of the steering shaft can be avoided in the context of a circulation modulation.

Erfindungsgemäß erfasst eine im Rahmen einer Sensoranordnung verwendete magnetische Drehmoment-Sensoreinrichtung die Winkeländerung über die Position eines Gebermagnet dienenden Multipolmagneten. Hiermit ist eine präzise, hochauflösende Messung des Verdrehwinkels der Lenkwelle, der proportional zum Drehmoment auf einem Torsionsstab der Lenkwelle ist, möglich. Präzise Winkelinformation wird erfindungsgemäß mittels eines Sendemoduls drahtlos an einen vorteilhafterweise beabstandet angeordneten Empfänger gesendet. Auf eine Wickelfeder kann hierbei vollständig verzichtet werden.According to the invention, a magnetic torque sensor device used in the context of a sensor arrangement detects the change in angle via the position of a transmitter magnet serving multipole magnet. This is a precise, high-resolution measurement of the angle of rotation of the steering shaft, which is proportional to the torque on a torsion bar of the steering shaft, possible. Precise angle information is transmitted according to the invention by means of a transmission module wirelessly to a receiver arranged advantageously spaced. On a Clock spring can be completely dispensed with.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung ein Energiemodul auf, welches, insbesondere zur Versorgung des Sendemoduls mit Energie, mittels Bewegungen der Lenksäule und/oder elektromagnetisch anregbar ist. Durch Vorsehen eines derartigen Energiemoduls kann die Versorgung des Sendemoduls vollständig autark auf der Lenkwelle realisiert werden.According to a particularly preferred embodiment, the sensor device has an energy module which, in particular for supplying the transmitter module with energy, can be excited electromagnetically by means of movements of the steering column and / or. By providing such an energy module, the supply of the transmission module can be completely self-sufficient realized on the steering shaft.

Es ist bevorzugt, dass das Energiemodul Mittel zur Erfassung von Magnetfeldänderungen und/oder Beschleunigungen sowie Mittel zum Umwandeln der Energie der Magnetfeldänderungen und/oder Beschleunigungen in elektrische Energie umfasst.It is preferred that the energy module comprises means for detecting magnetic field changes and / or accelerations and means for converting the energy of the magnetic field changes and / or accelerations into electrical energy.

Zweckmäßigerweise ist das Energiemodul durch die Bewegung der Lenkwelle und damit verbunden durch die Relativbewegung des Multipolmagneten zum Energiemodul anregbar. Zusätzlich kann das Energiemodul (optional) durch ein äußeres elektromagnetisches Feld angeregt werden. Somit ist ein sicherer Betrieb des Sensors auch bei längeren Standzeiten des Fahrzeugs möglich, wenn beispielsweise die in einem Energiemodul gespeicherte Energie dissipiert ist.Appropriately, the energy module can be excited by the movement of the steering shaft and thus connected by the relative movement of the multipole magnet to the power module. In addition, the energy module (optional) can be excited by an external electromagnetic field. Thus, safe operation of the sensor is possible even with longer service lives of the vehicle, for example when the stored energy in an energy module is dissipated.

Es erweist sich als besonders günstig, dass das Energiemodul eine mikromechanische Struktur aufweist, welche durch die geringen Relativbewegungen und der sich damit ändernden Feldrichtung des Multipols eine Spannung erzeugt. Die Spannung wird einem Energiespeicher zugeführt. Der Multipol auf der Ausgangswelle wird beim Fahren immer relativ mit kleinen Auslenkungen zum Energiemodul der Eingangswelle bewegt, wobei hier als Ursachen insbesondere Bodenunebenheiten oder kleine Hindernisse auf der Fahrbahn zu erwähnen sind. Durch diese mehr oder weniger ständige Relativbewegung ist eine entsprechende Energieerzeugung in ausreichender Weise gewährleistet.It proves to be particularly favorable that the energy module has a micromechanical structure, which generates a voltage due to the small relative movements and the thus changing field direction of the multipole. The voltage is supplied to an energy store. The multipole on the output shaft is always moved relative to the power module of the input shaft when driving relatively with small deflections, which should be mentioned as causes in particular uneven ground or small obstacles on the roadway. By this more or less constant relative movement a corresponding power generation is ensured in a sufficient manner.

Hier bietet sich insbesondere die Verwendung einer MEMS-Struktur an, die vergleichbar einer mikromechanischen Mikrofonmembran ist. Eine derartige Mikrofonmembran bzw. ein derartiges Mikrofon ist hierbei in besonders effektiver Weise in der Lage, durch die Magnetfeldänderung eine elektrische Ausgangsspannung zu erzeugen. Der hieraus resultierende Strom kann einem Impedanzwandler zugeführt werden. Über den Ausgangsstrom des Impedanzwandlers kann ein Energiespeicher, beispielsweise ein Kondensator, aufgeladen werden, welcher eine Ausgangsspannung zur Energieversorgung der Sensoreinrichtung zur Verfügung stellt. Unter einer MEMS-Struktur wird eine Struktur mit mikroelektronischen mechanischen Systemen verstanden.In particular, the use of a MEMS structure that is comparable to a micromechanical microphone membrane is suitable here. Such a microphone membrane or such a microphone is in a particularly effective manner capable of generating an electrical output voltage by the magnetic field change. The resulting current can be supplied to an impedance converter. An energy store, for example a capacitor, can be charged via the output current of the impedance converter, which provides an output voltage for supplying energy to the sensor device. A MEMS structure is understood to mean a structure with microelectronic mechanical systems.

Es ist auch denkbar, dass das Energiemodul wenigstens ein Piezoelement aufweist. Ein derartiges Piezoelement ist mittels Bewegung und/oder elektromagnetisch anregbar, wobei hier entstehende elektrische Energie bzw. Spannung beispielsweise in einem mit dem Piezoelement verbundenen Kondensatorelement gespeichert werden kann.It is also conceivable that the energy module has at least one piezoelectric element. Such a piezoelectric element can be excited by means of movement and / or electromagnetically, wherein electrical energy or voltage arising here can be stored, for example, in a capacitor element connected to the piezoelectric element.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung weist zweckmäßigerweise ein zum Empfang der von dem Sendemodul gesendeten Messwerte ausgebildetes Empfängermodul und eine Verarbeitungseinrichtung, insbesondere einen Mikrocontroller auf. Diese Verarbeitungseinrichtung dient zum Berechnen von Steuerdatenauf der Grundlage der gesendeten Messwerte. Die erfindungsgemäß geschaffene Möglichkeit, ein Empfängermodul drahtlos mit dem Sendemodul der Sensoreinrichtung zu verbinden, eröffnet die Möglichkeit, das Empfängermodul beispielsweise besser geschützt als unmittelbar beim Sendemodul zu positionieren. Das Empfängermodul kann beispielsweise im Steuergerät der EPS untergebracht werden und dort den schon vorhandenen Mikrocontroller verwenden.The sensor arrangement according to the invention expediently has a receiver module designed to receive the measured values transmitted by the transmission module and a processing device, in particular a microcontroller. This processing means is for calculating control data based on the transmitted measurement values. The possibility created according to the invention of wirelessly connecting a receiver module to the transmitter module of the sensor device opens up the possibility of better positioning the receiver module, for example, than directly on the transmitter module. The receiver module can be housed, for example, in the control unit of the EPS and there use the existing microcontroller.

Zweckmäßigerweise weist die erfindungsgemäße Sensoranordnung eine weitere Sensoreinrichtung auf, insbesondere eine an der Ausgangswelle der Lenksäule ausgebildete Lenkwinkelsensoreinrichtung, wobei die Verarbeitungseinrichtung vorteilhafterweise so ausgelegt ist, dass auch Messwerte der weiteren Sensoreinrichtung verarbeitet werden können. Die Verbindung zwischen der weiteren Sensoreinrichtung und der Verarbeitungseinrichtung kann mittels des gleichen Empfängermoduls ebenfalls drahtlos erfolgen, wobei jedoch auch eine verdrahtete Verbindung denkbar ist. Mit dieser Maßnahme kann eine Vielzahl von Funktionen unter Verwendung der gleichen Funktionsbausteine ausgeführt werden.The sensor arrangement according to the invention expediently has a further sensor device, in particular a steering angle sensor device formed on the output shaft of the steering column, wherein the processing device is advantageously designed such that measured values of the further sensor device can also be processed. The connection between the further sensor device and the processing device can also be done wirelessly by means of the same receiver module, but also a wired connection is conceivable. With this measure, a variety of functions can be performed using the same function blocks.

Zweckmäßigerweise ist das Empfängermodul ortsfest in einem Kraftfahrzeug, insbesondere am Gehäuse, angeordnet.Conveniently, the receiver module is stationary in a motor vehicle, in particular on the housing arranged.

Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, das Empfängermodul, die Verarbeitungseinrichtung und gegebenenfalls auch den Erreger für eine externe elektromagnetische Anregung des Energiemoduls gemeinsam auf einer Leiterplatte anzuordnen. Auch mit diesen Maßnahmen kann die Anzahl der Bauteile wirksam reduziert werden.It proves to be particularly advantageous to arrange the receiver module, the processing device and optionally also the exciter for an external electromagnetic excitation of the energy module together on a printed circuit board. Even with these measures, the number of components can be effectively reduced.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt eine schematisch vereinfachte Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, und 1 shows a schematically simplified side view of a preferred embodiment of the sensor arrangement according to the invention, and

2 zeigt weitere Einzelheiten der im Rahmen der Sensoranordnung verwendeten Drehmoment-Sensoreinrichtung. 2 shows further details of the torque sensor device used in the sensor assembly.

Eine Lenksäule, an der die erfindungsgemäße Sensoranordnung anwendbar ist, ist in 1 teilweise dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet.A steering column to which the sensor arrangement according to the invention is applicable is in 1 partially shown and in total with 10 designated.

Die Lenksäule 10 weist eine Eingangswelle 12, welche mit einem (nicht dargestellten) Lenkrad verbunden ist, und eine Ausgangswelle 14, welche mit einem (nicht dargestellten) Mechanismus zur Lenkbeaufschlagung der Räder eines Kraftfahrzeugs verbunden ist, auf.The steering column 10 has an input shaft 12 , which is connected to a (not shown) steering wheel, and an output shaft 14 , which is connected to a (not shown) mechanism for applying steering to the wheels of a motor vehicle.

Eingangswelle 12 und Ausgangswelle 14 sind, in an sich bekannter Weise, mittels eines Torsionsstabes 16 miteinander verbunden. Ein derartiger Torsionsstab dient z. B. dazu, die Handhabung der Lenkung für einen Benutzer angenehmer zu gestalten. Beispielsweise sei darauf hingewiesen, dass mittels des Torsionsstabes auf die Räder des Kraftfahrzeugs wirkende Fahrbahnunebenheiten für den Benutzer bzw. Fahrzeugführer abgedämpft werden.input shaft 12 and output shaft 14 are, in a conventional manner, by means of a torsion bar 16 connected with each other. Such a torsion bar is used for. As to make the handling of the steering for a user more comfortable. For example, it should be noted that by means of the torsion bar on the wheels of the motor vehicle acting bumps for the user or driver are attenuated.

An der Ausgangswelle 14 ist ein Multipol-Magnetring 15 ausgebildet, welcher sich um die Ausgangswelle 14 herum erstreckt. Dieser Multipol-Magnetring 15 rotiert mit der Ausgangswelle 14.At the output shaft 14 is a multipole magnet ring 15 formed, which is about the output shaft 14 extends around. This multipole magnet ring 15 rotates with the output shaft 14 ,

Dem Multipol-Magnetring 15 gegenüber, auf der Eingangswelle 12, ist ein Drehmoment-Sensorelement 13 vorgesehen. Dieses Sensorelement, welches beispielsweise einen oder eine Anzahl von Hall- oder AMR-Sensoren aufweist, detektiert die Richtung der axialen Feldlinien (mit 30 bezeichnet) des Multipol-Magnetrings 15.The multipole magnetic ring 15 opposite, on the input shaft 12 , is a torque sensor element 13 intended. This sensor element, which has, for example, one or a number of Hall or AMR sensors, detects the direction of the axial field lines (with 30 referred to) of the multipole magnet ring 15 ,

Mit diesem Drehmoment-Sensorelement 13 kann die relative Position des Multipol-Magnetrings 15 zum Sensorelement 13 festgestellt werden. Typischerweise bewegt sich diese relative Position innerhalb einer Bandbreite von +/–4°.With this torque sensor element 13 can determine the relative position of the multipole magnet 15 to the sensor element 13 be determined. Typically, this relative position will move within a range of +/- 4 °.

Die Drehmoment-Sensoreinrichtung 13 ist mit einem Sendemodul 22 und einem Energiemodul 24 ausgebildet. Sensoreinrichtung 13, Sendemodul 22 und Energiemodul 24 sind zweckmäßigerweise auf einer elektronischen Leiterplatte 27a angeordnet. Diese kann z. B. mittels eines Befestigungsbleches 29 an der Eingangswelle 12 befestigt sein.The torque sensor device 13 is with a transmission module 22 and a power module 24 educated. sensor device 13 , Transmission module 22 and energy module 24 are expediently on an electronic circuit board 27a arranged. This can, for. B. by means of a mounting plate 29 at the input shaft 12 be attached.

Das Sendemodul 22 sendet Sensor-Messwerte auf der Grundlage des erfassten Magnetfeldes des Multipol-Magnetrings 15 drahtlos an ein weiter unten näher beschriebenes Empfängermodul 26.The transmission module 22 sends sensor readings based on the sensed magnetic field of the multipole magnet 15 wirelessly to a receiver module described in more detail below 26 ,

Das Energiemodul 24 umfasst wenigstens eine MEMS-Struktur, insbesondere ein Mikrofon mit einer MEMS-Struktur, welche bzw. welches eine autarke bzw. weitgehend autarke Energieversorgung des Sensorelements 13, insbesondere des Sendemoduls 22, gewährleistet. Mittels eines derartigen Mikrofons ist die Wandlung von Magnetfeldänderungen in speicherbare Energie in effektiver Weise durchführbar. Als Speichermedium kann insbesondere ein mit dem Mikrofon zusammenwirkender Kondensator eingesetzt werden, wobei jedoch auch andere Formen eines Energiespeichers verwendbar sind.The energy module 24 comprises at least one MEMS structure, in particular a microphone with a MEMS structure, which or a self-sufficient or largely self-sufficient power supply of the sensor element 13 , in particular the transmission module 22 , guaranteed. By means of such a microphone, the conversion of magnetic field changes in storable energy in an effective manner feasible. In particular, a capacitor cooperating with the microphone can be used as the storage medium, although other forms of energy storage can also be used.

Das Energiemodul 24 ist sowohl durch Bewegung der Lenksäule 10, insbesondere Verdrehung bzw. Drehung der Eingangswelle 12, als auch elektromagnetisch mittels des Multipol-Magneten 15 anregbar, wodurch jeweils eine Spannung erzeugt werden kann, die gespeichert werden kann, und bei Bedarf das Sendemodul 22 und/oder das Sensorelement 13 mit Energie versorgen kann. Somit kann das Energiemodul während des normalen Fahrbetriebs regelmäßig angeregt bzw. energetisiert werden.The energy module 24 is due to movement of the steering column 10 , in particular rotation or rotation of the input shaft 12 , as well as electromagnetically by means of the multipole magnet 15 excitable, whereby each voltage can be generated, which can be stored, and if necessary, the transmission module 22 and / or the sensor element 13 can supply with energy. Thus, the power module can be regularly energized during normal driving.

Um eine Energetisierung von Drehmoment-Sensorelement 13 und/oder Sendemodul 24 auch nach längeren Standzeiten sicherzustellen, kann das Energiemodul auch durch ein äußeres, elektromagnetisches Feld angeregt werden. Hierzu kann ein elektromagnetisches Erregerelement 32 vorgesehen sein, auf dessen mögliche Positionierung weiter unten noch eingegangen wird.To energization of torque sensor element 13 and / or transmission module 24 Even after longer periods of use, the energy module can also be stimulated by an external, electromagnetic field. For this purpose, an electromagnetic excitation element 32 be provided, whose possible positioning is discussed below.

Wie erwähnt, kann als Drehmoment-Sensor 13 z. B. sowohl ein AMR- als auch ein Hall-Sensor verwendet werden. Aus Redundanzgründen können zwei oder mehrere Elemente verbaut sein. Sollte beispielsweise die Teilung des Multipol-Magnetrings zu gering sein, um den Bereich von +/–4 Grad abzudecken, können die Hallelemente versetzt angeordnet werden, wodurch eine Kombination zweier erhaltener Signale das Drehmomentsignal über den geforderten Bereich ergeben kann.As mentioned, can be used as a torque sensor 13 z. B. both an AMR and a Hall sensor can be used. For redundancy reasons, two or more elements may be installed. For example, should the pitch of the multipole magnet ring be too small to cover the range of +/- 4 degrees, the Hall elements may be staggered whereby a combination of two received signals may yield the torque signal over the required range.

Das Empfängermodul 26 sitzt auf einer weiteren elektronischen Leiterplatte 27b, welche an beliebigen bzw. geeigneten Positionen innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein kann. Auf dieser Leiterplatte 27b ist ferner ein als Verarbeitungseinrichtung dienender Mikrocontroller 28 ausgebildet, mittels dessen von dem Empfängermodul 26 empfangene Messdaten auswertbar sind. The receiver module 26 sits on another electronic circuit board 27b which may be located at any suitable positions within the vehicle. On this circuit board 27b is also a microcontroller serving as a processing device 28 formed by means of which of the receiver module 26 Received measured data can be evaluated.

Zweckmäßigerweise weist die Sensoranordnung ferner einen Lenkwinkelsensor 40 auf, der zur Erfassung des Lenkwinkels der Ausgangswelle 14 auf der Grundlage von radialen Feldlinien (mit 42 bezeichnet) des Multipol-Magnetrings 15 ausgebildet ist. Dieser Lenkwinkelsensor 40 überträgt seine Messdaten ebenfalls auf den Mikrocontroller 28, wobei diese Übertragung verdrahtet oder drahtlos erfolgen kann, wobei in ersterem Fall die Verbindung über eine Verdrahtung 40a und die Leiterplatte 27b, und in letzterem Fall zweckmäßigerweise über das Empfängermodul 26 erfolgt.Conveniently, the sensor arrangement further comprises a steering angle sensor 40 on, for detecting the steering angle of the output shaft 14 based on radial field lines (with 42 referred to) of the multipole magnet ring 15 is trained. This steering angle sensor 40 also transmits its measurement data to the microcontroller 28 This transmission may be wired or wireless, in the former case the connection via a wiring 40a and the circuit board 27b , and in the latter case, expediently via the receiver module 26 he follows.

Somit kann der Multipol-Magnetring 15 als Geber sowohl für den Drehmoment-Sensor 13 als auch für den Lenkwinkelsensor 40 verwendet werden. Durch Verarbeitung der entsprechenden Signale mittels des Mikrocontollers 28 ist somit insgesamt ein Drehmoment- und Winkel-Sensor zur Verfügung gestellt.Thus, the multipole magnetic ring 15 as encoder for both the torque sensor 13 as well as for the steering angle sensor 40 be used. By processing the corresponding signals by means of the microcontoller 28 Thus, a total of torque and angle sensor is provided.

Das oben erwähnte Erregerelement 32 für das elektromagnetische Feld zur äußeren Anregung des Energiemoduls 24 kann ebenfalls auf der Leiterplatte 27b angeordnet werden, wodurch sich insgesamt eine sehr kompakte Bauweise ergibt.The above-mentioned excitation element 32 for the electromagnetic field for external excitation of the energy module 24 can also on the circuit board 27b can be arranged, resulting in a total of a very compact design.

Um Lenkumdrehungen auch bei ausgeschalteten Fahrzeugen erfassen zu können, sendet der Mikrocontroller 28 in konstanten Abständen einen Impuls an den Lenkwinkelsensor 40 und empfängt entsprechende Winkelsignale. Die Signale werden in dem Mikrocontroller 28 gespeichert, und beim Anschalten des Kraftfahrzeugs können die abgespeicherten Signale zur Berechnung des aktuellen Lenkwinkels herangezogen werden. Der Lenkwinkelsensor 40 kann somit auch im ausgeschalteten Zustand erkennen, ob eine komplette Lenkradumdrehung stattgefunden hat, und kennt bereits bei Einschalten sowohl Lenkwinkel als auch die Anzahl der Umdrehungen.To be able to detect turning revolutions even when the vehicle is switched off, the microcontroller transmits 28 at constant intervals a pulse to the steering angle sensor 40 and receives corresponding angle signals. The signals are in the microcontroller 28 stored, and when turning on the motor vehicle, the stored signals can be used to calculate the current steering angle. The steering angle sensor 40 can thus detect when turned off, whether a complete steering wheel rotation has taken place, and already knows when switching both steering angle and the number of revolutions.

Gemäß der oben dargestellten Ausführungsform ist das Magnetfeld für den Lenkwinkelsensor 40 radial magnetisiert, während es für den Drehmoment-Sensor 13 axial magnetisiert ist. Ist eine Magnetisierung des Multipol-Magnetrings nur in einer Richtung vorgesehen, beispielsweise in radialer Weise, so gleiten der Lenkwinkelsensor 40 und der Drehmomentsensor 13 zweckmäßigerweise hintereinander aneinander vorbei.According to the embodiment shown above, the magnetic field for the steering angle sensor 40 radially magnetized while it is for the torque sensor 13 is axially magnetized. If magnetization of the multipole magnet ring is provided only in one direction, for example in a radial manner, then the steering angle sensor slides 40 and the torque sensor 13 expediently one behind the other.

Als besonders vorteilhaft erweist sich ein erfindungsgemäß bereitstellbarer modularer Aufbau, insofern als Drehmoment-Sensor 13 oder Lenkwinkel-Sensor alleine oder in Kombination aufgebaut werden können. Durch die Kombination werden Gleichteile, wie etwa der Multipol-Magnetring 15, die Leiterplatte 27b, verwendete Stecker sowie die verwendete Auswerteelektronik (z. B. Mikrocontroller 28), mehrfach genutzt. Durch Verwendung der drahtlosten Übertragung bzw. Funkübertragung ist eine berührungslose Messung des Drehmomentsignals und/oder des Lenkwinkelsignals möglich. Ein Verschleiß von Rotationsteilen kann somit vermieden werden.Particularly advantageous is a inventively be provided modular structure, insofar as a torque sensor 13 or steering angle sensor can be built alone or in combination. The combination of identical parts, such as the multipole magnet ring 15 , the circuit board 27b , used connectors and the evaluation electronics used (eg microcontroller 28 ), used several times. By using the wireless transmission or radio transmission, a non-contact measurement of the torque signal and / or the steering angle signal is possible. A wear of rotary parts can thus be avoided.

Außerdem erlaubt die erfindungsgemäß Sensoranordnung eine präzise Messung auftretender Drehmomente insofern, als die Messung des Drehmoments in der Lenkung nur auf der Positionstoleranz von Drehmoment-Sensorelement 13 zu Multipol-Magnetring 15 basiert. Einflüsse auf die Messung haben lediglich die Güte des Sensorelements und Positionstoleranzen zwischen Eingangs- und Ausgangswelle während der Messung. Störungen im Signal durch beispielsweise Flussleitstücke oder Rotorgeometrien usw. entfallen. Die erfindungsgemäß verwendeten Signale weisen beispielsweise keine Hysterese auf, wodurch sich ingesamt eine deutlich verbesserte Genauigkeit des Drehmomentsignals ergibt.In addition, the sensor arrangement according to the invention allows precise measurement of occurring torques insofar as the measurement of the torque in the steering only on the position tolerance of the torque sensor element 13 to multipole ring magnet 15 based. Influences on the measurement have only the quality of the sensor element and positional tolerances between the input and output shaft during the measurement. Disturbances in the signal due to, for example, flux guides or rotor geometries etc. are eliminated. The signals used according to the invention have, for example, no hysteresis, resulting overall in a significantly improved accuracy of the torque signal.

In 2 sind die auf der Leiterplatte 27a angeordneten Komponenten noch einmal in größerem Detail dargestellt. Man erkennt die axialen Feldlinien 30, welche das Drehmoment-Sensorelement 13 beaufschlagen. Drehmoment-Sensorelement 13 kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis mit Sensorelementbestückung ausgebildet sein. Das Drehmoment-Sensorelement 13 ist auf der Oberseite der Leiterplatte 27a angeordnet. Ferner dargestellt sind, auf der Unterseite der Leiterplatte 27a, das Sendemodul 22 sowie das Energiemodul 24. Auf eine Darstellung weiterer Komponenten ist hier der Anschaulichkeit halber verzichtet.In 2 are those on the circuit board 27a arranged components again shown in greater detail. One recognizes the axial field lines 30 that the torque sensor element 13 apply. Torque sensor element 13 For example, it can be designed as an integrated circuit with sensor element assembly. The torque sensor element 13 is on top of the circuit board 27a arranged. Further illustrated are on the underside of the circuit board 27a , the transmitter module 22 as well as the energy module 24 , An illustration of other components is omitted here for the sake of clarity.

Es versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Daneben ist jede andere Ausführungsform denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.It is understood that in the illustrated figures, only exemplary embodiments of the invention are shown. In addition, any other embodiment is conceivable without departing from the scope of this invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (8)

Sensoranordnung zur Erfassung des Drehmoments an einer Lenksäule (10), die eine Eingangswelle (12), eine Ausgangswelle (14) und einen zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle angeordneten Torsionsstab (16) aufweist, mit einem an der Eingangswelle (12) oder der Ausgangswelle (14) vorgesehenen Multipolmagneten (15), und einer entsprechend auf der gegenüberliegenden Ausgangswelle (14) bzw. Eingangswelle (12) angeordneten Sensoreinrichtung (20) zur Erfassung von Messwerten auf der Grundlage eines durch den Multipolmagneten verursachten elektromagnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (20) ein Sendemodul (22) aufweist, welches die erfassten Messwerte drahtlos an einen Empfänger sendet.Sensor arrangement for detecting the torque on a steering column ( 10 ), which has an input shaft ( 12 ), an output shaft ( 14 ) and arranged between the input shaft and output shaft torsion bar ( 16 ), with one on the input shaft ( 12 ) or the output shaft ( 14 ) provided multipole magnets ( 15 ), and one corresponding to the opposite output shaft ( 14 ) or input shaft ( 12 ) arranged sensor device ( 20 ) for the acquisition of measured values on the basis of an electromagnetic field caused by the multipole magnet, characterized in that the sensor device ( 20 ) a transmission module ( 22 ), which transmits the acquired measured values wirelessly to a receiver. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung ein Energiemodul (24) aufweist, welches, insbesondere zur Versorgung des Sendemoduls (22) mit Energie, mittels Bewegungen der Lenksäule (10) und/oder Relativbewegung des Multipolmagneten (15) zum Energiemodul (24) und/oder externer elektromagnetischer Stimulation anregbar ist.Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the sensor device is a power module ( 24 ), which, in particular for the supply of the transmission module ( 22 ) with energy, by means of movements of the steering column ( 10 ) and / or relative movement of the multipole magnet ( 15 ) to the energy module ( 24 ) and / or external electromagnetic stimulation is excitable. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemodul (24) Mittel zur Erfassung von Magnetfeldänderungen und/oder Beschleunigungen sowie Mittel zum Umwandeln der Energie der Magnetfeldänderung und/oder Beschleunigungen in elektrische Energie umfasst.Sensor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the energy module ( 24 ) Means for detecting magnetic field changes and / or accelerations, and means for converting the energy of the magnetic field change and / or accelerations into electrical energy. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemodul ein Mikrofon, insbesondere ein Mikrofon mit MEMS-Struktur auweist.Sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the power module a microphone, in particular a microphone with MEMS structure auweist. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Empfängermodul (26) zum Empfang der von dem Sendemodul (22) gesendeten Messwerte, und einer Verarbeitungseinrichtung (28), insbesondere einem Mikrocontroller, zur Berechnung von Steuerdaten auf der Grundlage der gesendeten Messwerte.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, having a receiver module ( 26 ) for receiving from the transmission module ( 22 ) and a processing device ( 28 ), in particular a microcontroller, for calculating control data on the basis of the transmitted measured values. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Sensoreinrichtung (40), insbesondere eine Lenkwinkelsensoreinrichtung, vorgesehen ist, und insbesondere die Verarbeitungseinrichtung (28) ausgelegt ist, auch Messwerte der weiteren Sensoreinrichtung (40) zu verarbeiten.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a further sensor device ( 40 ), in particular a steering angle sensor device, and in particular the processing device ( 28 ), also measured values of the further sensor device ( 40 ) to process. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfängermodul (26) ortsfest in einem Kraftfahrzeug, insbesondere am Gehäuse, angeordnet ist.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the receiver module ( 26 ) is fixed in a motor vehicle, in particular on the housing, is arranged. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Empfängermodul (26), Verarbeitungseinrichtung (28) und Erreger (32) gemeinsam auf einer Leiterplatte (27b) angeordnet sind.Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the receiver module ( 26 ), Processing device ( 28 ) and pathogens ( 32 ) together on a printed circuit board ( 27b ) are arranged.
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