DE102010031064A1

DE102010031064A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines Drehmoments

Info

Publication number: DE102010031064A1
Application number: DE201010031064
Authority: DE
Inventors: Ronny Ludwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2012004064A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments und umfasst eine Basis, zumindest einen Bereich zur Festlegung der Vorrichtung, insbesondere auf einer Welle, eine dehnungssensible Messstruktur, Messmittel zur Erzeugung eines Messsignals anhand einer Änderung der Form und/oder Position des Messstruktur, Mittel zum Übertragen des Messsignals sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren und eine entsprechende Verwendung.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Derartige Vorrichtungen bzw. ein derartiges Verfahren werden unter anderem in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um ein Drehmoment an einer drehbaren Welle, beispielsweise an einer Lenkstange oder Lenkwelle, zu ermitteln.
Aus der DE 2005 011 196 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Differenzwinkels bekannt geworden. Die Sensoranordnung umfasst zumindest ein magnetempfindliches Sensorelement mit dem Magnetfeldinformationen eines Magnetkreises auswertbar sind, der insbesondere aufgrund eines auf einen Torsionsstab wirkenden Drehmomentes relativ zum Sensorelement verdrehbar ist. Hierzu sind Fluxringe vorhanden, die axial verlaufende, nicht ineinander greifende Zähne aufweisen mit denen der magnetische Fluss zwischen einem Magnetpolrad und dem Sensorelement beeinflussbar ist. Die Fluxringe sind derart ausgebildet, dass sich das Sensorelement und das Magnetpolrad zwischen dem auf einem kleineren Durchmesser liegenden inneren Fluxring und dem auf einem größeren Durchmesser liegenden äußeren Fluxring befinden.
Zwar weisen diese Sensorelemente eine hohe Winkelauflösung auf, jedoch ist die Herstellung derartiger Sensoranordnungen beziehungsweise -elemente teuer und kompliziert. So müssen beispielsweise die für eine Leitung des magnetischen Flusses notwendigen metallischen Flussleitelemente mit hoher Positionsgenauigkeit zum magnetischen Fluss ausgerichtet werden und müssen diese Position auch während ihrer gesamten Lebenszeit einhalten.
Offenbarung der Erfindung
Die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments umfasst eine Basis, zumindest einen Bereich zur Festlegung der Vorrichtung, insbesondere auf einer Welle, eine dehnungssensible Messstruktur, Messmittel zur Erzeugung eines Messsignals anhand einer Änderung der Form und/oder Position des Messstruktur sowie Mittel zum Übertragen des Messsignals.
Das in Anspruch 9 definierte Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments, insbesondere gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–8, umfasst die Schritte Anordnen zumindest einer dehnungssensiblen Messstruktur an einer Basis, Anordnen von Messmitteln zur Erzeugung eines Messsignals anhand einer Änderung der Form und/oder Position des Messstruktur an der Basis, Anordnen von Mitteln zum Übertragen des Messsignals an der Basis.
In Anspruch 11 ist eine Welle mit einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–8 definiert, wobei die Vorrichtung auf zumindest einem Teilabschnitt der Welle festgelegt ist und die Welle Mittel zum Anschluss an eine externe Welle (W) umfasst.
In Anspruch 12 ist eine Verwendung einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–8 zur Erfassung eines Drehmoments definiert.
Vorteile der Erfindung
Die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung, das in Anspruch 9 definierte Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments sowie die in Anspruch 12 definierte Verwendung weisen den Vorteil auf, dass die Vorrichtung sehr klein und kompakt ausgeführt werden kann. Weiter ist die Herstellung der Vorrichtung kostengünstig.
Die Messmittel können dabei eine Wheatstone-Messbrücke umfassen. Damit wird ein sehr kompakter Aufbau der Vorrichtung realisiert und gleichzeitig kann die Vorrichtung sehr kostengünstig hergestellt werden, da keine teuren Bauelemente wie beispielsweise hall-integrierte Schaltungen, Flussleiter etc. verwendet werden müssen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Messstruktur mechanisch strukturiert und umfasst insbesondere Aussparungen und/oder einen Biegebalken. Der Vorteil hierbei ist, dass die Messstruktur einfach, kostengünstig und platzsparend hergestellt und angeordnet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Basis hülsenförmig ausgebildet. Der Vorteil dabei ist, dass die Basis auf einfache Weise auf eine Welle aufgeschoben und mit ihr zuverlässig verbunden werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zum Übertragen des Messsignals zum berührungslosen Übertragen ausgebildet und umfassen insbesondere induktive Mittel, vorzugsweise in Form zumindest einer Spule. Durch das berührungslose Übertragen des Messsignals ist die Vorrichtung verschleißarm. Ebenso wird damit nicht nur eine Übertragung des zur Verfügung gestellten Messsignals ermöglicht, sondern auch eine Übertragung elektrischer Energie. Durch eine induktive Kopplung mittels der entsprechenden Mittel wird eine besonders einfache, kostengünstige berührungslose Übertragung des Messsignals bzw. der elektrischen Energie erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Messstruktur im Wesentlichen mäandriert und/oder balkenförmig ausgebildet. Der Vorteil hierbei ist, dass damit größere dehnungssensible Strukturen bei entsprechend wenig Bauraum realisiert werden können, das heißt, die Genauigkeit der Erfassung eines Drehmoments wird dadurch insgesamt weiter gesteigert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind Mittel zur Vermeidung einer Überlastung der Vorrichtung angeordnet, insbesondere in Form zumindest einer Anschlagsfläche. Der Vorteil hierbei ist, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine Überlastung der Vorrichtung vermieden werden kann, was die Lebensdauer der Vorrichtung wesentlich erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung einen radial vorstehenden Randbereich auf, wobei zumindest teilweise die Messmittel und/oder die Mittel zum Übertragen des Messsignals auf dem Randbereich angeordnet sind. Der Vorteil hierbei ist, dass damit der radial vorstehende Randbereich zur Anordnung weiterer Bauelemente genutzt wird beispielsweise von Mitteln zum Übertragen des Messsignals, so dass eine verbesserte Übertragung der Messignale oder Energie ermöglicht wird. Die Flexibilität der Vorrichtung wird damit insgesamt erhöht. Ein weiterer Vorteil hierbei ist, dass damit die Messmittel und/oder die Mittel zum Übertragen des Messsignals von der Messstruktur beabstandet sind, so dass letztere in optimaler Weise angeordnet werden kann ohne dass Einschränkungen durch die Messmittel oder die Mittel zum Übertragen insbesondere bei einer Anordnung und/oder Ausbildung der Messstruktur berücksichtigt werden müssen. Insgesamt werden dadurch die Flexibilität und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung weiter erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, in dem insbesondere weitere Mittel zur berührungslosen Übertragung von Signalen angeordnet sind. Der Vorteil hierbei ist, dass damit die Mittel zum Messen der physikalischen Größe, die Mittel zum Bereitstellen eines Signals und die Mittel zum insbesondere berührungslosen Übertragen durch das Gehäuse geschützt werden, was die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung erheblich steigert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Anordnen von Messmitteln auf die Basis die Schritte: Anordnen von Messmitteln, insbesondere einer Wheatstone-Brücke, auf einem Substrat, vorzugsweise einem Stahlsubstrat, Vereinzeln zumindest eines Moduls, umfassend die Messmittel und einen Teil des Substrats, Festlegen des Moduls auf der Basis, Kontaktieren des Moduls, insbesondere mittels Drahtbonden. Der Vorteil hierbei ist, dass damit eine Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments noch schneller und kostengünstiger hergestellt werden kann.
Eine Welle gemäß Anspruch 11 weist den Vorteil auf, dass damit die Welle samt Vorrichtung auf besonders einfache Weise, beispielsweise durch eine Schraubverbindung, mit einer Lenkwelle eines Fahrzeugs verbunden oder in ein Lenkgestänge integrierbar ist. Eine solche Integration in ein Lenkgestänge kann beispielsweise im Fahrgastraum des Fahrzeugs als unmittelbares Koppelelement zum Lenkrad oder als Koppelelement an einem Gelenk oder im Motorraum des Fahrzeugs als unmittelbares Koppelelement zum Lenkgetriebe erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1a eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung;
1b eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 1a in schematischer Form;
2a, b, c, d eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 1 in Quer- und Draufsichten;
3a, b, c eine Darstellung der Oberfläche der Basis der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 1 in belasteten und unbelasteten Zuständen;
4a, b, c, d Darstellungen der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit verschieden ausgebildeten Messstrukturen;
5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6a, b, c eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Quer- und Draufsichten;
7 eine Welle mit einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8a, b eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 einen Teil einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; sowie
10 einen Teil eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen die selben beziehungsweise funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Basis in Form einer Hülse 2, hergestellt insbesondere aus Metall, vorzugsweise Stahl. Die Hülse 2 ist mechanisch vorstrukturiert. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine im Wesentlichen Messstruktur in Form von rechteckförmigen Aussparungen 4 und einem Biegebalken 5' in der Hülse 2 angeordnet, die sich teilweise auf der Umfangsfläche der Hülse 2 erstrecken. Die Hülse 2 ist auf eine Welle W aufgeschoben und an dieser mittels Schweißpunkten 3a in Endbereichen 3 der Hülse 2 mit der Welle W verbunden. Selbstverständlich sind auch andere Befestigungsarten denkbar.
Die Welle W weist im Bereich der Hülse 2 eine Verjüngung W_a (gezeigt in 2c) auf, so dass Hülse 2 und Welle W im Wesentlichen einen Torsionsstab bilden. Die Verjüngung W_a der Welle W dient dazu, um eine exakt definierte Torsion zu erhalten. Eine Gesamttorsion wird somit durch die Welle W, deren Verjüngung W_a und die mit der Welle W fest verbundene Vorrichtung 1 festgelegt.
Zwischen den rechteckförmigen Aussparungen 4 der Hülse 2 ist eine Wheatstone-Brücke 5 angeordnet, die einerseits auf dem Biegebalken 5' angeordnet ist und andererseits über einen Elektronikbaustein 11 (gezeigt in 3) mit einer ersten Spule 6a verbunden ist. Die erste Spule 6a umfasst dabei Windungen, die parallel zur Achse der Hülse 2 beziehungsweise der Welle W auf der Hülse 2 unterhalb des Endbereichs 3 und oberhalb der Aussparungen 4 angeordnet sind. In 1b ist zusätzlich eine zweite Spule 6b in schematischer Form gezeigt, die auf der radialen Außenseite der ersten Spule 6a und beabstandet von dieser angeordnet ist. Beide Spulen 6a und 6b wirken dabei zum berührungslosen Übertragen von Signalen induktiv zusammen. Die zweite Spule 6b ist weiterhin mit einer Spannungsquelle 8 über Leitungen 7 verbunden sowie mit einer Auswerteeinheit (in 1b nicht gezeigt) zur Auswertung eines im Elektronikbaustein aufbereiteten Signals S der Wheatstone-Brücke 5 zur Erfassung eines Drehmoments. Die zweite Spule 6b kann einerseits ein elektrisches Signal S der Wheatstone-Brücke 5, welches durch die Spule 6a übertragen wird, empfangen und an eine Auswerteeinheit übermitteln, gleichzeitig kann auch ein Energiesignal von der Energiequelle 8 über die Leitungen 7 und weiter über die Spule 6b zur Spule 6a und damit zur Wheatstone-Brücke 5 auf dem Biegebalken 5' übertragen werden, so dass auf diese Weise eine separate Energieversorgung der Wheatstone-Brücke 5 entfallen kann. Die Wheatstone-Brücke 5 ist dehnungssensibel, wird dabei in Oberflächentechnologie mittels chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht und zusätzlich passiviert, um einen Schutz vor Umwelteinflüssen zu gewährleisten.
Weiterhin sind auf der Hülse 2 zumindest ein Elektronikbaustein 11 (in 1 nicht gezeigt) angeordnet, welcher eine Logikschaltung 11c, einen Analogdigitalwandler 11b, einen Hochfrequenzmodulator 11d, beziehungsweise -demodulator umfasst, um elektrische Signale S, die insbesondere hochfrequent moduliert und digital sind, berührungslos zu übertragen. Die Größe der Vorrichtung wird im Wesentlichen nur durch die Abmessungen der Hülse 2, der auf der Hülse 2 angeordneter Wheatstone-Brücke 5, des Elektronikbausteins 11, etc. und durch ein in 1 nicht gezeigtes Gehäuse 9, das ebenfalls eine zweite Spule 6b und weitere Elektronik in Form einer Auswerteeinheit 13 mit einer Energiequelle 13a, einer Logikschaltung 13c und einer Hochfrequenzmodulator bzw. -demodulator 13d und entsprechende Leiterplatten 14b umfasst, bestimmt beziehungsweise festlegt.
2 zeigt eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 1 in Quer- und Draufsichten.
In 2a ist in schematischer Darstellung im Detail eine Darstellung gemäß 1b gezeigt. Zwischen den Spulen 6a, 6b besteht zum Betrieb der Vorrichtung 1 eine induktive Kopplung K. Die Wicklungen der Spule 6b sind dabei in einem die Hülse 2 vollständig umgebenden Gehäuse 9 angeordnet. Über die Spulen 6a, 6b wird analog dem Prinzip eines Transformators elektrische Energie und ebenfalls ein digital moduliertes elektrisches Signal S hochfrequent von der ersten Spule 6a zur zweiten Spule 6b übertragen. Das Signal S ist dabei ein elektrisches Signal in Form einer Änderung einer Brückenspannung, welches durch die Wheatstone-Brücke 5 erzeugt wird bei einer Torsion der Welle W und damit der Hülse 2.
In 2b ist die Vorrichtung gemäß 1a in der Seitenansicht mit einem die Vorrichtung umgebenden Gehäuse 9 gezeigt. Die Abmessungen des Gehäuses 9 werden dabei im Wesentlichen durch die Welle W und die die Welle W umgebende Hülse 2 bestimmt. Das Gehäuse 9 weist im Bereich der Spule 6b radiale Vorsprünge 9a nach innen in Richtung der ersten Spule 6a auf, so dass die erste Spule 6a der Hülse 2 und die zweite Spule 6b des Gehäuses 9 in optimaler Weise induktiv gekoppelt sind. Weiterhin weist das Gehäuse 9 Öffnungen O auf, durch die die Welle W hindurchtreten kann. Gehäuse 9 und Welle W sind im Bereich der Öffnungen O mittels Dichtungen 10 abgedichtet. Das Gehäuse 9 kann dabei sowohl einteilig als auch zweiteilig für eine verbesserte Wartung oder einfachere Montage der Vorrichtung 1 auf der Welle W ausgebildet sein.
2c zeigt in schematischer Form in der Draufsicht die Welle W mit einer Verjüngung W_a im mittleren Bereich der Welle W. Direkt benachbart zu der Verjüngung W_a sind die beiden Befestigungsbereiche 3 der Hülse 2 angeordnet.
2d zeigt mit Blickrichtung entlang der Achse der Welle W, einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Radial von innen nach außen ist dabei der Aufbau wie folgt: Im Inneren befindet sich die Welle W, auf der koaxial die Hülse 2 angeordnet ist. Koaxial auf der Hülse 2 ist die erste Spule 6a angeordnet. Damit die Welle W sich frei drehen kann, ist zwischen erster Spule 6a und koaxial hierzu angeordneter zweiter Spule 6b ein Zwischenraum Z angeordnet, der die zweite Spule 6b von der ersten Spule 6a beabstandet. Die zweite Spule 6b ist auf der Innenseite eines axial zur Welle W und zur Hülse 2 angeordneten Gehäuses 9 angeordnet.
3 zeigt eine Darstellung der Oberfläche der Basis der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 1 in belasteten und unbelasteten Zuständen.
In 3a ist eine Mantelfläche der zylinderförmigen Hülse 2 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht gezeigt. Die Mantelfläche der Hülse 2 ist dabei so orientiert, dass sie einer Mantelfläche einer Hülse 2 entspricht, die an einer senkrecht orientierten Welle W angeordnet ist gemäß 2. Dementsprechend weist die Hülse 2 gemäß 3a bis 3c in ihrem oberen und unteren Bereich jeweils drei Schweißpunkte 3a auf mit denen die Hülse 2 auf der Welle W festgelegt wird. Zwischen den oberen und unteren drei Schweißpunkten 3a sind in Richtung von oben nach unten die Windungen der ersten Spule 6a, die sich in den 3a bis 3c horizontal erstrecken, angeordnet. Die erste Spule 6a ist dabei mit einem Elektronikbaustein 11 elektrisch verbunden, der ebenfalls auf der Hülse 2 angeordnet ist. Der Elektronikbaustein 11 ist weiterhin mit einer Wheatstone-Brücke 5 verbunden. Die Wheatstone-Brücke 5 befindet sich vorteilhafterweise im Bereich maximaler Dehnung und/oder Stauchung auf dem Biegebalken 5' zwischen zwei mechanischen Strukturierungen in Form von Aussparungen 4, die jeweils in Form eines querliegenden S ausgebildet sind. Die Aussparungen 4 sind dabei spiegelsymmetrisch zueinander und beabstandet voneinander ausgebildet, so dass die Wheatstone-Brücke 5 zwischen zwei senkrecht angeordneten Schenkeln 41, 42 der Aussparungen 4 angeordnet ist. Zwischen diesen beiden Schenkeln 41, 42 ist ein Biegebalken 5' ausgebildet, so dass die Wheatstone-Brücke 5 Änderungen beziehungsweise Verschiebungen oder sonstige mechanische Belastungen des Biegebalkens 5' messen kann.
Wird die Hülse 2 in Richtung R₁ (gemäß 3a von links nach rechts) tordiert, ändert sich die Form des Biegebalkens 5' auf der Hülse 2; die Wheatstone-Brücke 5 erzeugt dann ein entsprechendes Signal S, welches schließlich mittels der Spulen 6a, 6b zu einer Auswerteeinheit 13 übertragen wird, die die entsprechende Torsion anhand des übertragenen Signals S auswertet. In 3a kann der Biegebalken 5' jedoch nur so weit verschoben beziehungsweise gebogen werden, bis gegenüberliegende innenliegende Seiten der Aussparung 4 aneinander anliegen. Auf diese Weise wird ein Anschlag A₂ gebildet, das heißt die gegenüberliegenden und innenliegenden sich vertikal erstreckenden Seiten des mittleren Bereichs des querliegenden S berühren einander. Damit wird eine Überlastung der Vorrichtung 1 vermieden.
In 3b ist der nun unbelastete Zustand gezeigt, wo hingegen in 3c entsprechend 3a eine Torsion der Hülse 2 gezeigt ist in einer Richtung R₂, die zur Richtung R₁ der Torsion gemäß 3a entgegengesetzt ist.
In 3c wird damit ein entsprechender Anschlag A₁ analog zu dem Anschlag A₂ gebildet. Die Torsion der Hülse 2 erfolgt dabei bei den 3a bis 3c zwischen dem oberen und unteren Bereich der Hülse 2.
4a bis 4d zeigen Darstellungen der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit verschieden ausgebildeten mechanischen Messstrukturen.
In den 4a bis 4d sind verschiedene Messstrukturen in Form von mechanischen Strukturierungen beziehungsweise Aussparungen 4 mit Biegebalken 5' der Hülse 2 gezeigt, ansonsten entspricht der Aufbau der Hülse 2 im Wesentlichen der Hülse 2 gemäß den 3a bis 3c. Die verschiedenen Messstrukturen gemäß den 4a–4d dienen einer mechanischen Zugentlastung des Biegebalkens 5' bei anliegenden Torsion.
Im Unterschied zu den Aussparungen 4 gemäß 3b weist die im Wesentlichen S-förmige Aussparung 4 der 4a einen Hülsenvorsprung 12 auf, der sich in senkrechter Richtung erstreckt und im unteren Bereich der Schenkel 41, 42 der Aussparung 4 angeordnet ist. In den Vorsprung hineinragend ist der Biegebalken 5' ausgebildet, der im Bereich des Vorsprungs im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist.
In 4b sind die Schenkel 41, 42 der S-förmigen Aussparungen 4 so ausgebildet, dass der Biegebalken 5' mit darauf angeordneter Wheatstone-Brücke 5 in vertikaler Richtung stetig aber mit einem horizontalen Versatz in 4b nach rechts verläuft und somit eine Spiegelsymmetrie zwischen den Schenkeln 41 und 42 nicht mehr vorliegt.
In 4c ist der Biegebalken 5' nun im Wesentlichen wiederum in vertikaler Richtung gemäß 4a orientiert. Der Biegebalken 5' weist dabei in seinem mittleren Bereich zwei kreisförmige Vorsprünge auf (in 4c in horizontaler Richtung orientiert), so dass der Biegebalken 5' in seiner Mitte in horizontaler Richtung gemäß 4c verbreitert ist. Gleichzeitig ist im Inneren dieser Verbreiterung eine weitere Aussparung angeordnet.
In 4d ist schließlich eine weitere mögliche Ausführung eines Biegebalkens 5' gezeigt. Der Biegebalken 5' weist endständige Verbreiterungen auf, in denen wiederum eine Aussparung angeordnet ist. Die den Biegebalken 5' umgebenden Schenkel 41, 42 der querliegenden S-förmigen Aussparungen 4 sind entsprechend der Form des Biegebalkens 5' ausgebildet, das heißt die Aussparungen 4 sind im Wesentlichen im Bereich des Biegebalkens 5' viertelkreisförmig ausgebildet und erstrecken sich im mittigen Bereich des Biegebalkens 5' parallel zu diesem. Die Wheatstone-Brücke 5 ist zentral auf dem Biegebalken 5' angeordnet, wohingegen der Elektronikbaustein 11 in dem zum Schenkel 41 der Aussparung benachbarten Bereich der Hülse 2 angeordnet ist.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Messstruktur 4, 5' misst dabei die Torsionen mittels einer Wheatstone-Brücke 5. Die Wheatstone-Brücke 5 ist mit einem Elektronikbaustein 11 verbunden, der einen Signal-Verstärker 11a, einen Analog-Digital-Wandler 11b, eine Logikschaltung 11c sowie einen Hochfrequenz-Modulator/-Demodulator umfasst. Dieser Elektronikbaustein 11 ist mit einer Induktivität in Form einer ersten Spule 6a verbunden, die induktiv mit einer zweiten Spule 6b gekoppelt ist. Die zweite Spule 6b ist weiter mit einer Auswerteeinheit 13 verbunden, die eine Energiequelle 13a, eine Logikschaltung 13c und einen Hochfrequenz-Modulator/-Demodulator 13d aufweist und zum Auswerten des von der Wheatstone-Brücke 5 übermittelten Signals S zur Ermittlung des Drehmoments bei Torsion der Welle W beziehungsweise der Hülse 2 dient. Gleichzeitig wird von der Auswerteeinheit 13 mittels der induktiven Kopplung elektrische Energie an den Signalverstärker 11a und an die Wheatstone-Brücke 5 sowie an den Elektronikbaustein 11 für deren Betrieb übertragen, so dass auf der Hülse 2 keine separate Energiequelle für den Betrieb der Vorrichtung angeordnet werden muss.
6a bis 6c zeigt eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Quer- und Draufsicht.
In 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß den 1 und 2, insbesondere 2b weist die Hülse 2 einen radial vorstehenenden Randbereich V auf, das heißt die Hülse 2 ist gemäß 6 im Querschnitt T-förmig ausgebildet. Der Randbereich V ist dabei im Bereich 3 zur Festlegung der Hülse 2 auf der Welle W angeordnet. Ebenfalls im Unterschied zu der 2 ist das Gehäuse 9 entsprechend T-förmig ausgebildet. Ein weiterer Unterschied zu der Vorrichtung gemäß 2b ist, dass die Spulen 6a, 6b in gedruckter Schaltung auf Leiterplatten 14a, 14b angeordnet sind, so dass diese nun eine induktive Kopplung K parallel zur Achse der Welle W bereitstellen, im Gegensatz zu der induktiven Kopplung gemäß 2, bei der die induktive Kopplung K senkrecht zur Achse der Welle W bewirkt wird.
6b zeigt den Randbereich V der Hülse 2 in einer Draufsicht mit Blickrichtung entlang der Achse der Hülse 2. Der kreisförmige Randbereich V weist dabei Aussparungen 15 auf, die zur Anordnung von elektronischen Bauelementen, beispielsweise des Elektronikbausteins 11, etc. verwendet werden können. In 6c ist weiter in einer Draufsicht von oben gemäß 6b die erste Spule 6a mit ihren Windungen gezeigt, die auf der Leiterplatte 14a angeordnet beziehungsweise auf diese aufgedruckt ist.
7 zeigt eine Welle mit einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 7 ist eine Teilwelle W_v, mit einer hülsenförmigen Vorrichtung gemäß 2b gezeigt. Im Unterschied zu der Welle W gemäß 2b ist in 7 nur eine Teilwelle W_v gezeigt, d. h. deren Erstreckung entlang der Achse der Vorrichtung 1 ist nur wenig größer als die entsprechende Erstreckung der Vorrichtung 1. Die Teilwelle W_v ragt dabei jeweils über das Gehäuse 9 in vertikaler Richtung heraus und weist ausserhalb des Gehäuses 9 der Vorrichtung 1 Anschlüsse V₁, V₂ auf, um die Teilwelle W_v an eine externe Welle W anschließen zu können. Der Anschluss V₁ ist dabei beispielsweise eine Schraubverbindung mit Innengewinde ausgebildet, wohingegen der Anschluss V₂ als Schraubverbindung mit einem Außengewinde ausgebildet ist. Auf diese Weise kann je nach Wunsch die Teilwelle W_v zusammen mit der auf ihr angeordneten Vorrichtung 1 an verschiedene Orte, beispielsweise innerhalb eines Lenkgestänges eines Fahrzeugs eingebaut werden.
8a, b zeigt eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 8a ist analog zur 3b eine Mantelfläche der Hülse 2 gezeigt. Wie in 3b weist diese am oberen und unteren Rand Schweißpunkte 3a auf, mit denen die Hülse 2 auf einer Welle festlegbar ist. Des Weiteren ist ein Elektronikbaustein 11 angeordnet, der mit einer Spule 6a elektrisch verbunden ist. Im Unterschied zu 3b ist auf dem Biegebalken 5' keine Wheatstone-Brücke 5 direkt angeordnet, sondern der Biegebalken 5' umfasst einen Bereich B_M, insbesondere in Form einer Aussparung, in dem ein Modul M, welches beispielsweise eine Wheatstone-Brücke 5 umfasst, festlegbar ist. Hierzu ist der Bereich B_M am oberen und unteren Ende gemäß 8a mit Bereichen 3_M Versehen, mit denen ein Modul M an der Hülse festgelegt werden kann, beispielsweise mittels Schweißen. Um eine elektrische Verbindung zwischen Modul M und Elektronikbaustein 11 zu ermöglichen, sind oberhalb des Bereichs 3_M zu festlegung des Moduls M Kontakte in Form von Bondpads K angeordnet. Diese Kontakte sind elektrisch leitend mit dem Elektronikbaustein verbunden.
In 8b ist nun die Anordnung einer Wheatstone-Brücke 5 auf einem entsprechenden Modul M gezeigt. Das Modul M ist dabei im Bereich B_M auf dem Biegebalken 5' festgelegt. Das Modul M umfasst dabei eine Wheatstone-Brücke 5 sowie vier Kontakte in Form von Bondpads K_M, die mit den entsprechenden Kontakten K korrespondieren. Zwischen den Kontakten K, K_M ist ein Festlegungsbereich 3_M angeordnet. Die Kontakte K, K_M werden deshalb mittels Drahtbonden D elektrisch leitend verbunden. Anschließend kann das Modul M samt Drahtbonden und Kontakten K_M, K zum Schutz vor Umwelteinflüssen passiviert werden.
9 zeigt einen Teil einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 9a ist nun im Detail ein Modul M gemäß 8b gezeigt. Das Modul M umfasst dabei eine Wheatstone-Brücke 5 mit vier Widerständen W₁, W₂, W₃, W₄. Die Wheatstone-Brücke 5 ist dabei mit den vier Kontakten des Moduls K_M über entsprechende Leitungen verbunden. Die Widerstände W₁, W₂, W₃, W₄ sind piezo-resistiv und werden in Dünnschichttechnologie, beispielsweise mittels chemischer Gasphasen-Abscheidung, auf das Modul M aufgebracht. Die Widerstände W₁, W₂, W₃, W₄ bestehen beispielsweise aus NiCrSi und sind mäandriert ausgebildet.
In 9b ist ein Querschnitt des Moduls gemäß 9a gezeigt. An den Rändern des Moduls M sind die Festlegungsbereiche 3_M des Moduls M auf einer Hülse 2 gezeigt, wohingegen in der Mitte des Moduls M die Wheatstone-Brücke 5 angeordnet ist.
10 zeigt einen Teil eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 10 bezeichnet Bezugszeichen 20 ein Stahlsusbtrat. Auf dem Stahlsubstrat 20 werden nun in Dünnschlichttechnologie analog der Herstellung von Wafern in der Halbleiterindustrie eine Vielzahl von Modulen M schachbrettartig auf dem Stahlsubstrat 20 aufgebracht Die einzelnen Module M sind dabei voneinander durch Bereiche T₁, T₂ getrennt. Entlang dieser Bereiche T₁, T₂ erfolgt dann eine Vereinzelung der Module M mittels Laser, Sägen, Erodieren oder dergleichen.
Zusammenfassend weist die Erfindung folgende Vorteile auf: Zu einen benötigt die Vorrichtung wenig Bauraum aufgrund des Aufbringens der Messstrukturen mit bereits bekannten und bewährten Verfahren, wie beispielsweise der chemischen Gasphasenabscheidung. Weiterhin ist eine Messung eines Drehmoments mittels Vorrichtung äußerst zuverlässig. Gleichzeitig wird durch die kontaktlose Signalübertragung von elektrischer Energie durch induktive Kopplung keine Reibung verursacht, ebenso keine Geräusche und kein Verschleiß. Die Vorrichtung ist weiterhin kostengünstig, da keine teuren Bauelemente wie beispielsweise Magnete, Hall-Elektronikbausteine, etc. verwendet werden müssen. Ebenso ist die Vorrichtung einfach und kostgünstig herstellbar. Gleichzeitig ist es möglich, die Ausfallsicherheit der Vorrichtung erheblich zu erhöhen, beispielsweise durch Verdopplung der Messstrukturen auf der Hülse.
Obwohl die Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2005011196 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Erfassung eines Drehmoments, umfassend eine Basis (2), zumindest einen Bereich (3) zur Festlegung der Vorrichtung (1), insbesondere auf einer Welle (W, W_v), eine dehnungssensible Messstruktur (4, 5'), Messmittel (5) zur Erzeugung eines Messsignals (S) anhand einer Änderung der Form und/oder Position des Messstruktur (4, 5') sowie Mittel (6a, 6b) zum Übertragen des Messsignals (S).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Messstruktur (4, 5') mechanisch strukturiert ist und insbesondere Aussparungen (4) und/oder einen Biegebalken (5') umfasst.
Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–2, wobei die Basis (2) hülsenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–3, wobei die Mittel (6a, 6b) zum Übertragen des Messsignals (S) zum berührungslosen Übertragen des Messsignals ausgebildet sind, und insbesondere induktive Mittel, vorzugsweise in Form zumindest einer Spule (6a, 6b) umfassen.
Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–4, wobei die Messstruktur (4, 5') im Wesentlichen mäandriert und/oder balkenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–5, wobei Mittel (4) zur Vermeidung einer Überlastung der Vorrichtung (1) angeordnet sind, insbesondere in Form zumindest einer Anschlagsfläche (A₁, A₂).
Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–6, wobei die Vorrichtung (1) einen radial vorstehenden Randbereich (V) aufweist, wobei zumindest teilweise die Messmittel (5) und/oder die Mittel (6a, 6b) zum Übertragen auf dem Randbereich (V) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse (9) umfasst, in dem insbesondere weitere Mittel (6b) zum Übertragen von Messsignalen (S) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments, insbesondere gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–8, umfassend die Schritte Anordnen zumindest einer dehnungssensiblen Messstruktur (4, 5') an einer Basis (2), Anordnen von Messmitteln (5) zur Erzeugung eines Messsignals (S) anhand einer Änderung der Form und/oder Position des Messstruktur (4, 5') an der Basis (2), Anordnen von Mitteln zum Übertragen des Messsignals (S) an der Basis (2).
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Anordnen von Messmitteln (5) an der Basis (2) die nachfolgenden Schritte umfasst: Anordnen von Messmitteln (5), insbesondere einer Wheatstone-Brücke, auf einem Substrat, vorzugsweise einem Stahlsubstrat (20), Vereinzeln zumindest eines Moduls (M), umfassend die Messmittel (5) und einen Teil des Substrats (20), Festlegen des Moduls (M) auf der Basis (2), sowie Kontaktieren des Moduls (M), insbesondere mittels Drahtbonden (D).
Welle (W_v) mit einer Vorrichtung (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–8, wobei die Vorrichtung (1) auf zumindest einem Teilabschnitt der Welle (W_v) festgelegt ist und die Welle (W_v) Mittel (V₁, V₂) zum Anschluss an eine externe Welle (W) umfasst.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–8 zur Erfassung eines Drehmoments.