DE102010062776A1

DE102010062776A1 - Apparatus and method for measuring a torsion angle

Info

Publication number: DE102010062776A1
Application number: DE201010062776
Authority: DE
Inventors: Ronny Ludwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-14
Also published as: WO2012076408A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Torsionswinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle, die über ein Torsionselement miteinander verbunden sind, weist einen ersten Zahnkranz der an der ersten Welle angeordnet ist und einen zweiten Zahnkranz der an der zweiten Welle angeordnet ist, auf. Ferner umfasst die Vorrichtung ein erstes Messzahnrad das dem ersten Zahnkranz zugeordnet ist und ein zweites Messzahnrad, das dem zweiten Zahnkranz zugeordnet ist, wobei auf dem ersten Messzahnrad und auf dem zweiten Messzahnrad jeweils mindestens ein Permanentmagnet angeordnet ist. Zur Erfassung der absoluten oder relativen Ausrichtung der Messzahnräder sind ein oder mehrere Sensorelemente vorgesehen, die die Ausrichtung mindestens eines der Magnetfelder der Permanentmagneten detektieren. Die beiden Zahnkränze sowie die beiden Messzahnräder sind so dimensioniert, dass das Übersetzungsverhältnis von dem ersten Zahnkranz zum ersten Messzahnrad gleich dem Übersetzungsverhältnis von dem zweiten Zahnkranz zum zweiten Messzahnrad ist.The device according to the invention for measuring a torsion angle between a first shaft and a second shaft, which are connected to one another via a torsion element, has a first toothed ring which is arranged on the first shaft and a second toothed ring which is arranged on the second shaft. Furthermore, the device comprises a first target wheel which is assigned to the first ring gear and a second target wheel which is assigned to the second ring gear, at least one permanent magnet being arranged on the first target wheel and on the second target wheel. To detect the absolute or relative alignment of the target wheels, one or more sensor elements are provided that detect the alignment of at least one of the magnetic fields of the permanent magnets. The two ring gears and the two target gears are dimensioned in such a way that the transmission ratio from the first ring gear to the first target wheel is equal to the transmission ratio from the second ring gear to the second target wheel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Torsionswinkels sowie ein Verfahren zur Messung eines Torsionswinkels.The invention relates to a device for measuring a torsion angle and to a method for measuring a torsion angle.

Stand der TechnikState of the art

Vorrichtungen und Verfahren zur Messung eines Torsionswinkels, die nach einem magnetischen Messprinzip funktionieren, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist beispielsweise in der Druckschrift DE 19818799 A1 eine Anordnung zur Messung eines Torsionswinkels an einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei werden magnetoresistive Sensorelemente und/oder Hall-Sensoren eingesetzt um ein oder mehrere ringförmig um die Welle angeordnete magnetische Codespuren auszulesen. Eine Codespur besteht aus einem gegenläufig gepolten Magnetring mit einer Abfolge von magnetischen Nord- und Südpolen. Das sich bei einer Drehbewegung ändernde magnetische Feld einer Codespur wird mit den Sensoren erkannt und das sich ergebende Signal in ein Torsions- bzw. Drehmomentsignal umgerechnet. Diese Vorrichtungen zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit und Auflösung aus. Für hochvolumige Massenanwendungen besteht der Nachteil dieser Art von Messvorrichtungen jedoch in den hohen Herstellungskosten, bedingt durch komplizierte und teure Bauteile wie den gegenläufig gepolten Magnetringen und metallischen Flussleitelementen, die zur Leitung des magnetischen Flusses notwendig sind. Die Sensorelemente müssen mit sehr hoher Positionsgenauigkeit zum magnetischen Fluss ausgerichtet werden und müssen über die gesamte Lebenszeit diese Position behalten, wodurch sich eine komplizierte Aufbau- und Verbindungstechnik ergibt. Ein weiterer Nachteil ist die vergleichsweise große axiale Bauhöhe.Devices and methods for measuring a torsion angle which operate according to a magnetic measuring principle are known from the prior art. For example, in the document DE 19818799 A1 an arrangement for measuring a torsion angle on a steering shaft of a motor vehicle known. In this case, magnetoresistive sensor elements and / or Hall sensors are used to read one or more ring-shaped arranged around the shaft magnetic code tracks. A code track consists of a counter-polarized magnetic ring with a sequence of magnetic north and south poles. The changing magnetic field of a code track during a rotational movement is detected by the sensors and the resulting signal is converted into a torsional or torque signal. These devices are characterized by a high accuracy and resolution. For high-volume mass applications, however, the disadvantage of this type of measuring devices is the high production costs, due to complicated and expensive components such as the counter-polarized magnetic rings and metallic flux guide, which are necessary for conducting the magnetic flux. The sensor elements must be aligned with very high positional accuracy to the magnetic flux and have to maintain this position over the entire lifetime, resulting in a complicated construction and connection technology. Another disadvantage is the comparatively large axial height.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Torsionswinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle, die über ein Torsionselement miteinander verbunden sind, weist den Vorteil auf, dass sie einfach und kostengünstig aufgebaut ist, eine geringe axiale Ausdehnung aufweist und dabei eine hohe Genauigkeit und Winkelauflösung erzielt.The inventive device for measuring a torsion angle between a first shaft and a second shaft, which are interconnected via a torsion element, has the advantage that it is simple and inexpensive, has a low axial extent and thereby achieves high accuracy and angular resolution ,

Dazu weist die Vorrichtung einen ersten Zahnkranz auf, der an der ersten Welle angeordnet ist, und einen zweiten Zahnkranz der an der zweiten Welle angeordnet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung ein erstes Messzahnrad das dem ersten Zahnkranz zugeordnet ist und ein zweites Messzahnrad, das dem zweiten Zahnkranz zugeordnet ist, wobei auf dem ersten Messzahnrad und auf dem zweiten Messzahnrad jeweils mindestens ein Permanentmagnet angeordnet ist. Zur Erfassung der absoluten oder relativen Ausrichtung der Messzahnräder sind ein oder mehrere Sensorelemente vorgesehen, die die Ausrichtung mindestens eines der Magnetfelder der Permanentmagneten detektieren.For this purpose, the device has a first sprocket, which is arranged on the first shaft, and a second sprocket which is arranged on the second shaft. Furthermore, the device comprises a first measuring gear which is assigned to the first toothed rim and a second measuring toothed wheel which is assigned to the second toothed rim, wherein at least one permanent magnet is arranged on the first measuring toothed wheel and on the second measuring toothed wheel. For detecting the absolute or relative orientation of the measuring gears, one or more sensor elements are provided which detect the alignment of at least one of the magnetic fields of the permanent magnets.

Dabei greift erfindungsgemäß das erste Messzahnrad berührend in den Zahnkranz der ersten Welle ein. Das zweite Messzahnrad greift berührend in den Zahnkranz der zweiten Welle ein. Eine Drehung des ersten Zahnkranzes bewirkt also eine Drehung des ersten Messzahnrads, eine Drehung des zweiten Zahnkranzes bewirkt eine Drehung des zweiten Messzahnrads. Die Messzahnräder weisen demnach Drehachsen auf, die parallel aber versetzt zu der Drehachse der ersten und zweiten Welle angeordnet sind. Die beiden Zahnkränze sowie die beiden Messzahnräder sind so dimensioniert, dass das Übersetzungsverhältnis von dem ersten Zahnkranz zum ersten Messzahnrad gleich dem Übersetzungsverhältnis von dem zweiten Zahnkranz zum zweiten Messzahnrad ist.According to the invention, the first measuring gear engages in contact with the ring gear of the first shaft. The second measuring gear engages in contact with the ring gear of the second shaft. A rotation of the first ring gear thus causes a rotation of the first measuring gear, a rotation of the second ring gear causes a rotation of the second measuring gear. The measuring gears therefore have axes of rotation which are arranged parallel but offset from the axis of rotation of the first and second shaft. The two sprockets and the two measuring gears are dimensioned so that the transmission ratio of the first sprocket to the first measuring gear is equal to the transmission ratio of the second sprocket to the second measuring gear.

Das erfindungsgemäße Messverfahren funktioniert demnach folgendermaßen. Tritt eine Torsion zwischen beiden Wellen auf, verdrehen sich die Zahnkränze in Abhängigkeit des Torsionswinkels relativ zueinander. Abhängig vom Übersetzungsverhältnis zu den Messzahnrädern wird diese Verdrehung verstärkt. Die Sensorelemente liefern Signale abhängig von dem Verdrehwinkel zwischen den beiden Messzahnrädern. Aus dem Verdrehwinkel lässt sich mittels des Übersetzungsverhältnisses der Torsionswinkel berechnen.The measuring method according to the invention thus works as follows. If a torsion occurs between both shafts, the sprockets rotate relative to each other as a function of the torsion angle. Depending on the gear ratio to the measuring gears this rotation is amplified. The sensor elements deliver signals depending on the angle of rotation between the two measuring gears. From the angle of rotation can be calculated by means of the transmission ratio of the torsion angle.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit einem einfachen mechanischen Aufbau und wenigen Sensorelementen eine Torsionsmessung mit hoher Genauigkeit, hoher Auflösung und hoher Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen durchgeführt werden kann.The advantage of the invention is that a torsion measurement with high accuracy, high resolution and high stability to environmental influences can be performed with a simple mechanical structure and a few sensor elements.

Vorzugsweise sind die Permanentmagnete, die in oder auf den Messzahnrädern angeordnet sind, einfache Dipolmagnete und damit kostengünstig in der Herstellung. Da keine absolute Winkelmessung über 360° benötigt wird, können bevorzugt hochauflösende magnetoresistive Sensoren, wie ARM-Sensoren („Anisotropic magnetoresistance”), als Sensorelemente verwendet werden. Derartige Sensoren können über den bekannten anisotropen magnetoresistiven Effekt die Ausrichtung eines Magnetfeldes in einem Winkelbereich von 0° bis 180° mit hoher Genauigkeit messen.Preferably, the permanent magnets, which are arranged in or on the measuring gears, simple dipole magnets and thus inexpensive to manufacture. Since no absolute angle measurement over 360 ° is required, preferably high-resolution magnetoresistive sensors, such as ARM sensors ("anisotropic magnetoresistance"), can be used as sensor elements. Such sensors can measure the alignment of a magnetic field in an angular range of 0 ° to 180 ° with high accuracy over the known anisotropic magnetoresistive effect.

Die Genauigkeit, mit der der Torsionswinkel durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt werden kann, hängt maßgeblich von dem gewählten Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnkränzen und Messzahnrädern ab. Um trotz des Lagerspiels der Messzahnräder und des Zahnradspiels zwischen Zahnkranz und Messzahnrad eine hohe Genauigkeit zu erzielen, ist das Übersetzungsverhältnis vorzugsweise größer oder gleich 5:1 gewählt.The accuracy with which the torsion angle can be determined by the device according to the invention or the method according to the invention depends significantly on the selected transmission ratio between the sprockets and Measuring gears off. In order to achieve high accuracy despite the clearance of the measuring gears and the gear play between sprocket and measuring gear, the gear ratio is preferably greater than or equal to 5: 1 selected.

In vorteilhafter Weise ist die Anzahl der Zähne des ersten Zahnkranzes gleich der Anzahl der Zähne des zweiten Zahnkranzes, und die Anzahl der Zähne des ersten Messzahnrades gleich der Anzahl der Zähne des zweiten Messzahnrades. Durch einen derartig symmetrischen Aufbau ergibt sich eine besonders kompakte und kostensparende Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Advantageously, the number of teeth of the first ring gear is equal to the number of teeth of the second ring gear, and the number of teeth of the first measuring gear equal to the number of teeth of the second measuring gear. Such a symmetrical construction results in a particularly compact and cost-saving design of the device according to the invention.

Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit kann in vorteilhafter Weise erzielt werden indem eines oder beide Messzahnräder durch eine Feder gegen den jeweiligen zugeordneten Zahnkranz vorgespannt werden. Dadurch verringert sich der Einfluss des Lager- und Zahnradspiels auf die Messung des Torsionswinkels.A further improvement of the accuracy can be achieved in an advantageous manner by one or both measuring gears are biased by a spring against the respective associated sprocket. This reduces the influence of the bearing and gear play on the measurement of the torsion angle.

In einer bevorzugten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Drehachse des ersten Messzahnrads und die Drehachse des zweiten Messzahnrads versetzt zueinander angeordnet. Jedem der Messzahnräder ist mindestens ein Sensorelement zugeordnet, das die Ausrichtung des jeweiligen Messzahnrads detektiert. Ohne Torsion sind die Signale beider Messzahnräder bzw. beider Sensorelemente im Wesentlichen gleich. Eine Torsion der Wellen bewirkt eine Phasenverschiebung beider Messsignale zueinander. Diese relative Phasenverschiebung ist ein Maß für die Torsion, die mittels des Übersetzungsverhältnisses aus der Phasenverschiebung berechnet werden kann.In a preferred embodiment of a device according to the invention, the axis of rotation of the first measuring gear and the axis of rotation of the second measuring gear are offset from one another. Each of the measuring gears is associated with at least one sensor element which detects the orientation of the respective measuring gear. Without torsion, the signals of both measuring gears or both sensor elements are substantially the same. A torsion of the waves causes a phase shift of the two measuring signals to each other. This relative phase shift is a measure of the torsion, which can be calculated by means of the transmission ratio of the phase shift.

Ein Vorteil dieser Ausführung der Erfindung besteht darin, dass der Einfluss von Umgebungsbedingungen, beispielsweise durch thermische Ausdehnung bei Temperaturschwankungen, sehr gering ist, da das Messprinzip auf der Erfassung einer relativen Winkeländerung zwischen beiden Messzahnrädern beruht, wodurch sich durch die Umgebung verursachte Effekte bei der Messung nahezu aufheben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Sensors hat aus diesem Grund nur einen geringen Einfluss auf die MessungAn advantage of this embodiment of the invention is that the influence of ambient conditions, for example due to thermal expansion with temperature fluctuations, is very low, since the measurement principle is based on the detection of a relative angular change between the two measuring gears, which results in environmental effects on the measurement almost cancel. Also, the temperature dependence of the sensor has for this reason only a small influence on the measurement

Um die Genauigkeit der Messung weiter zu verbessern, können in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung zwei Permanentmagnete auf jedem der Messzahnräder vorgesehen werden, sowie zwei, um 90° zueinander versetzt angeordnete Sensorelemente je Messzahnrad vorgesehen sein. Mit einer derartigen Anordnung kann die Ausrichtung jedes einzelnen Messzahnrads durch Mittelwertbildung der Signale beider dem Messzahnrad zugeordneten Sensorelemente mit höherer Genauigkeit bestimmt werden.In order to further improve the accuracy of the measurement, in a particularly preferred embodiment of the invention, two permanent magnets can be provided on each of the measuring gears, as well as two, each offset by 90 ° arranged sensor elements per measuring gear can be provided. With such an arrangement, the alignment of each individual measuring gear can be determined by averaging the signals of both the measuring elements associated with the measuring gear with higher accuracy.

In einer alternativen Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind das erste Messzahnrad, das zweite Messzahnrad und ein Sensorelement koaxial übereinander angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind das erste Messzahnrad und das zweite Messzahnrad über ein Gleitlager direkt übereinander gelagert. Jedes Messzahnrad weist einen Permanentmagneten auf, wobei die Permanentmagneten bevorzugt unterschiedlich stark ausgebildet sind, so dass der weiter entfernte Permanentmagnet des zweiten Messzahnrads ein entsprechend des größeren Abstandes ausgelegtes stärkeres Magnetfeld aufweisen kann, als der näher am Sensorelement befindliche Permanentmagnet des ersten Messzahnrades. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die sich überlagernden Magnetfelder beider Permanentmagneten am Ort des Sensorelements annähernd die gleiche Einflussstärke haben.In an alternative embodiment of a device according to the invention, the first measuring gear, the second measuring gear and a sensor element are arranged coaxially one above the other. In a particularly preferred embodiment, the first measuring gear and the second measuring gear are mounted directly above one another via a sliding bearing. Each measuring gear has a permanent magnet, the permanent magnets preferably having different strengths, so that the more distant permanent magnet of the second measuring gear can have a correspondingly larger magnetic field than the closer to the sensor element located permanent magnet of the first measuring gear. This has the advantage that as a result the overlapping magnetic fields of both permanent magnets at the location of the sensor element have approximately the same influence strength.

Die beiden Permanentmagneten sind bevorzugt in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Das Sensorelement detektiert ein resultierendes Magnetfeld, das sich aus der Überlagerung der magnetischen Felder beider Permanentmagneten am Ort des Sensors ergibt. Die Ausrichtung des resultierenden Magnetfeldes ist direkt vom Verdrehwinkel zwischen dem ersten Messzahnrad und dem zweiten Messzahnrad abhängig. Aus dem Sensorsignal kann erfindungsgemäß mittels des Übersetzungsverhältnisses der Torsionswinkel berechnet werden. Ein großes Übersetzungsverhältnis, vorteilhafterweise größer oder gleich 10:1, erhöht hierbei die Auflösung. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass zur Messung des Verdrehwinkels zwischen dem ersten und dem zweiten Messzahnrad nur ein einziges Sensorelement benötigt wird. Damit vereinfachen sich der Aufbau sowie die Signalauswertung.The two permanent magnets are preferably arranged in close proximity to each other. The sensor element detects a resulting magnetic field resulting from the superposition of the magnetic fields of both permanent magnets at the location of the sensor. The orientation of the resulting magnetic field is directly dependent on the angle of rotation between the first measuring gear and the second measuring gear. From the sensor signal can be calculated according to the invention by means of the transmission ratio of the torsion angle. A large transmission ratio, advantageously greater than or equal to 10: 1, increases the resolution here. The advantage of this design is that only a single sensor element is needed to measure the angle of rotation between the first and second measuring gears. This simplifies the structure and the signal evaluation.

Um den Einfluss des Lagerspiels und des Zahnradspiels zu verringern und somit die Genauigkeit der Messung des Torsionswinkels zu verbessern, können das erste Messzahnrad und das zweite Messzahnrad über ein Federelement gegeneinander verspannt sein.In order to reduce the influence of the bearing clearance and the gear play and thus to improve the accuracy of the measurement of the torsion angle, the first measuring gear and the second measuring gear can be braced against each other via a spring element.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1a zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 1a shows a section through an arrangement according to a first embodiment of the invention.

1b zeigt eine Seitenansicht der Anordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 1b shows a side view of the arrangement according to the first embodiment of the invention.

1c zeigt eine Draufsicht der Anordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 1c shows a plan view of the arrangement according to the first embodiment of the invention.

1d und 1e zeigen Details der Anordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 1d and 1e show details of the arrangement according to the first embodiment of the invention.

2 zeigt beispielhafte Sensorsignale, die mit der Anordnung aus 1 gemessen werden können. 2 shows exemplary sensor signals associated with the arrangement 1 can be measured.

3a zeigt eine Seitenansicht der Anordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 3a shows a side view of the arrangement according to a second embodiment of the invention.

3b zeigt eine Draufsicht der Anordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 3b shows a plan view of the arrangement according to the first embodiment of the invention.

4a zeigt eine Seitenansicht der Anordnung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 4a shows a side view of the arrangement according to a third embodiment of the invention.

4b zeigt eine Draufsicht der Anordnung gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 4b shows a plan view of the arrangement according to the third embodiment of the invention.

4c zeigt die Messzahnräder der Anordnung gemäß der dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung im Detail. 4c shows the measuring gears of the arrangement according to the third embodiment of the invention in detail.

4d illustriert die sich überlagernden Magnetfelder der Messzahnräder der Anordnung gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 4d illustrates the overlapping magnetic fields of the measuring gears of the arrangement according to the third embodiment of the invention.

5 illustriert das Messprinzip gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 5 illustrates the measuring principle according to the third embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung eines Torsionswinkels dargestellt. 1a zeigt die Anordnung im Schnitt. Eine erste Welle 12 ist mit einer zweiten Welle 14 über ein Torsionselement 13 verbunden. Das Torsionselement 13 ist in diesem Beispiel als Torsionsstab an der zweiten Welle 14 ausgebildet, der in einen entsprechenden Hohlraum 11 der ersten Welle 12 eingreift und mit seinem Stirnende in dem Hohlraum 11 befestigt ist. Wirkt ein Drehmoment auf eine der beiden Wellen 12 oder 14, so äußert sich dies in einem Torsionswinkel zwischen den Wellen 12 und 14.In 1 a first embodiment of an inventive arrangement for measuring a torsion angle is shown. 1a shows the arrangement in section. A first wave 12 is with a second wave 14 via a torsion element 13 connected. The torsion element 13 is in this example as a torsion bar on the second shaft 14 formed in a corresponding cavity 11 the first wave 12 engages and with its front end in the cavity 11 is attached. Acts a torque on one of the two shafts 12 or 14 , so this manifests itself in a torsion angle between the waves 12 and 14 ,

Um den Torsionswinkel mit hoher Genauigkeit messen zu können weist die erste Welle 12 einen ersten Zahnkranz 22, der fest mit der Welle 12 verbunden ist, auf. Die zweite Welle 14 weist in gleicher Weise einen zweiten Zahnkranz 24 auf. Die Zahnkränze 22 und 24 liegen mit geringem Abstand konzentrisch übereinander, die Drehachse 100 ist für beide Zahnkränze 22 und 24 dieselbe. Die Zahnkränze 22 und 24 weisen im Wesentlichen den gleichen Durchmesser auf und besitzen dieselbe Anzahl von Zähnen. Alternativ ist es auch möglich, beide Zahnkränze 22 und 24 mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Zähnen auszubilden.In order to measure the torsion angle with high accuracy, the first wave 12 a first sprocket 22 that stuck to the shaft 12 is connected. The second wave 14 has in the same way a second sprocket 24 on. The sprockets 22 and 24 lie concentrically over each other at a small distance, the axis of rotation 100 is for both sprockets 22 and 24 same. The sprockets 22 and 24 have substantially the same diameter and have the same number of teeth. Alternatively, it is also possible to use both sprockets 22 and 24 with different diameters and / or a different number of teeth form.

Beide Zahnkränze 22 und 24 treiben jeweils ein Messzahnrad 32 bzw. 34 an. Die Messzahnräder 32 und 34 sind gleich dimensioniert, und besitzen insbesondere die gleiche Anzahl von Zähnen. Das mechanische Übersetzungsverhältnis von Zahnkranz 22 zu Messzahnrad 32 ist damit gleich dem Übersetzungsverhältnis von Zahnkranz 24 zu Messzahnrad 34. Alternativ ist es auch möglich, beide Messzahnräder 32 und 34 mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Zähnen auszubilden, jedoch ist das mechanische Übersetzungsverhältnis von Zahnkranz 22 zu Messzahnrad 32 erfindungsgemäß gleich dem Übersetzungsverhältnis von Zahnkranz 24 zu Messzahnrad 34.Both sprockets 22 and 24 each drive a measuring gear 32 respectively. 34 at. The measuring gears 32 and 34 are the same size, and in particular have the same number of teeth. The mechanical gear ratio of sprocket 22 to measuring gear 32 is equal to the gear ratio of sprocket 24 to measuring gear 34 , Alternatively it is also possible to use both measuring gears 32 and 34 with different diameters and / or a different number of teeth form, but is the mechanical gear ratio of sprocket 22 to measuring gear 32 According to the invention equal to the gear ratio of sprocket 24 to measuring gear 34 ,

Die Messzahnräder 32 und 34 weisen jeweils einen Permanentmagneten 42 und 44 auf. Beide Permanentmagnete 42 und 44 sind als einfache Dipolmagnete ausgebildet und weisen die gleiche Ausrichtung auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Messzahnräder 32 und 34 jeweils einen langgezogenen Sockel 32a bzw. 34a auf. Die Permanentmagnete 42 und 44 sind so in dem jeweiligen Sockel 32a und 34a angeordnet, dass sie im Wesentlichen auf gleicher Höhe, oberhalb der Zahnkränze 22 und 24 angeordnet sind. Direkt oberhalb der Permanentmagnete 42 und 44 ist eine Leiterplatte 60 angeordnet.The measuring gears 32 and 34 each have a permanent magnet 42 and 44 on. Both permanent magnets 42 and 44 are designed as simple dipole magnets and have the same orientation. In the illustrated embodiment, the measuring gears 32 and 34 one elongated base each 32a respectively. 34a on. The permanent magnets 42 and 44 are so in the respective socket 32a and 34a arranged that they are essentially at the same height, above the sprockets 22 and 24 are arranged. Directly above the permanent magnets 42 and 44 is a circuit board 60 arranged.

Die Messzahnräder 32 und 34 bzw. die zugeordneten Sockel 32a und 34a besitzen Lagerzapfen 35, 36 und werden in einem Träger 70 und in metallisierten Bohrungen 62 und 64 der Leiterplatte 60 gelagert. Die Leiterplatte 60 ist an dem Träger 70 befestigt, beispielsweise über durch Warmverstemmzapfen. Es sind aber auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Auf der Leiterplatte 60 befindet sich weiterhin eine Lichtschranke 56. Durch einen umlaufenden „Finger” 52 am Zahnkranz 22 können somit zusätzlich die Umdrehungen der Welle 12 gezählt werden.The measuring gears 32 and 34 or the associated sockets 32a and 34a own journals 35 . 36 and become in a carrier 70 and in metallized holes 62 and 64 the circuit board 60 stored. The circuit board 60 is on the carrier 70 fastened, for example, over by Warmverstemmzapfen. But there are also other mounting options conceivable. On the circuit board 60 there is still a light barrier 56 , By a circumferential "finger" 52 on the sprocket 22 can thus additionally the revolutions of the shaft 12 be counted.

Die Bohrungen 62 und 64 sind so angeordnet, dass die Drehachsen 102 und 104 der Messzahnräder 32 und 34 und die Drehachse 100 der Wellen 12 und 14 einen Winkel von 90° bilden. Alternativ können auch andere Winkel gewählt werden. Aus fertigungstechnischer Sicht bietet sich jedoch ein Winkel von 90° an. Der Winkel sollte nicht zu klein gewählt werden, so dass sich die Magnetfelder der beiden Permanentmagnete 42 und 44 nicht gegenseitig beeinflussen. Ein zu großer Winkel (ab 120°) kann Probleme bei der Montage, beispielsweise beim seitlichen Fügen, verursachen.The holes 62 and 64 are arranged so that the axes of rotation 102 and 104 the measuring gears 32 and 34 and the rotation axis 100 the waves 12 and 14 form an angle of 90 °. Alternatively, other angles can be selected. From a manufacturing point of view, however, offers an angle of 90 °. The angle should not be too small so that the magnetic fields of the both permanent magnets 42 and 44 do not influence each other. Too large an angle (from 120 °) can cause problems during assembly, for example during lateral joining.

Die Leiterplatte 60 ist entsprechend geformt. Auf der Leiterplatte befinden sich Sensorelemente 82 und 84, die jeweils exakt über den Lagerbohrungen 62 und 64 angeordnet sind und parallel ausgerichtet sind. Die Sensorelemente 82 und 84, sind beispielsweise als AMR-Sensoren ausgebildet. Alternativ können andere Sensortypen verwendet werden, die zur Messung einer Magnetfeldausrichtung geeignet sind, wie beispielsweise GMR-Sensoren. Die Sensorelemente 82 und 84 sind als SMD („Surface Mounted Device”) Bauteile ausgeführt. Die Verdrehung eines Messzahnrads 32 bzw. 34 kann somit über die Messung der Ausrichtung des jeweiligen Permanentmagneten 42 bzw. 44 mit dem jeweiligen Sensorelement 82 bzw. 84 gemessen werden.The circuit board 60 is shaped accordingly. On the circuit board are sensor elements 82 and 84 , each exactly over the bearing bores 62 and 64 are arranged and aligned in parallel. The sensor elements 82 and 84 , For example, are designed as AMR sensors. Alternatively, other sensor types suitable for measuring magnetic field orientation, such as GMR sensors, may be used. The sensor elements 82 and 84 are designed as SMD ("Surface Mounted Device") components. The rotation of a measuring gear 32 respectively. 34 can thus via the measurement of the orientation of the respective permanent magnet 42 respectively. 44 with the respective sensor element 82 respectively. 84 be measured.

Das Lagerspiel und/oder Zahnradspiel zwischen dem jeweiligen Zahnkranz 22 bzw. 24 und dem zugeordneten Messzahnrad 32 bzw. 34 hat einen direkten Einfluss auf die Auflösung bzw. den Fehler der Messung. Bei konstantem Zahnradspiel und Lagerspiel kann die Auflösung durch ein größeres Übersetzungsverhältnis von Zahnkranz zu Messzahnrad verbessert werden. Dies bedingt jedoch einen größeren radialen Bauraum der Messvorrichtung. In den 1d und 1e sind Möglichkeiten gezeigt, das Lagerspiel und/oder Zahnradspiel zwischen dem jeweiligen Zahnkranz 22 bzw. 24 und dem zugeordneten Messzahnrad 32 bzw. 34 zu verringern und damit die Messgenauigkeit weiter zu verbessern. Dazu ist das jeweilige Messzahnrad 32 bzw. 34 gegen den zugeordneten Zahnkranz 22 bzw. 24 vorgespannt. Bei dem in 1d gezeigten Beispiel wird die Vorspannung durch eine umlaufende Wickelfeder 57 erreicht, die mit einem Ende am Träger 70 und mit dem anderen Ende an dem Messzahnrad 32. 1e zeigt, wie zusätzlich oder alternativ eine Vorspannung durch eine in radiale Richtung wirkende Spanfeder 58 erzielt werden kann. Die Spanfeder 58 ist dazu mit einem Ende an einem Befestigungselement 71 am Träger 70 und mit dem anderen Ende an dem Messzahnrad 34 befestigt.The bearing clearance and / or gear play between the respective sprocket 22 respectively. 24 and the associated measuring gear 32 respectively. 34 has a direct influence on the resolution or error of the measurement. With constant gear play and bearing clearance, the resolution can be improved by a larger gear ratio from sprocket to gauge wheel. However, this requires a larger radial space of the measuring device. In the 1d and 1e possibilities are shown, the bearing clearance and / or gear play between the respective sprocket 22 respectively. 24 and the associated measuring gear 32 respectively. 34 to reduce and thus further improve the measurement accuracy. This is the respective measuring gear 32 respectively. 34 against the associated sprocket 22 respectively. 24 biased. At the in 1d shown example, the bias voltage by a rotating clock spring 57 reached, with one end on the carrier 70 and with the other end on the measuring gear 32 , 1e shows how additionally or alternatively a bias voltage by acting in the radial direction chip spring 58 can be achieved. The chip spring 58 is to one end to a fastener 71 on the carrier 70 and with the other end on the measuring gear 34 attached.

In 2 sind typische Messsignale gezeigt, die die Sensorelemente 82 und 84 der in 1 dargestellten Anordnung liefern, und aus denen der Torsionswinkel zwischen der ersten und der zweiten Welle 12 und 14 bestimmt werden kann. Ein AMR-Element liefert typischerweise zwei, um 90° zueinander phasenverschobene, Messkurven. Das erste Messzahnrad 32 ergibt demnach die beiden Messkurven 112 und 113 am Sensorelement 82. Ohne Torsion liegen die Signale beider Messzahnräder 32 und 34 bzw. beider Sensorelemente 82 und 84 exakt übereinander. Tritt eine Torsion auf, verdrehen sich die Zahnkränze 22 und 24 in Abhängigkeit des Torsionswinkels relativ zueinander unterschiedlich stark. Anhängig vom Übersetzungsverhältnis zu den Messzahnrädern 32 und 34 wird diese Verdrehung verstärkt. Bei einem beispielhaften Torsionswinkel von 3° in positiver Richtung, sowie einem Übersetzungsverhältnis von 5:1 ergibt sich ein Verdrehwinkel von 15° zwischen dem ersten Messzahnrad 32 und dem zweiten Messzahnrad 34. Es kommt zu einer Phasenverschiebung der Signale beider Sensorelemente zueinander. Der Verdrehwinkel äußert sich in einer Phasenverschiebung der Signale 202 und 212 des zweiten Sensorelements 84 relativ zu den Signalen 112 und 113 des ersten Sensorelements 82. Diese Phasenverschiebung ist ein Maß für die Torsion. Analog ergeben sich bei einem Torsionswinkel von 3° in negativer Richtung die Signale 204 und 214 des zweiten Sensorelements 84, die relativ zu den Signalen 112 und 113 des ersten Sensorelements 82 um einen entsprechenden Betrag in negative Richtung phasenverschoben sind.In 2 typical measuring signals are shown that the sensor elements 82 and 84 the in 1 provide shown arrangement, and from which the torsion angle between the first and the second shaft 12 and 14 can be determined. An AMR element typically provides two traces 90 ° out of phase with each other. The first measuring gear 32 therefore gives the two traces 112 and 113 on the sensor element 82 , Without torsion, the signals of both measuring gears are located 32 and 34 or both sensor elements 82 and 84 exactly above each other. If a torsion occurs, the sprockets will twist 22 and 24 depending on the torsion angle relative to each other different degrees. Depending on the gear ratio to the measuring gears 32 and 34 this twist is amplified. With an exemplary torsion angle of 3 ° in the positive direction, as well as a transmission ratio of 5: 1 results in a twist angle of 15 ° between the first measuring gear 32 and the second measuring gear 34 , There is a phase shift of the signals of both sensor elements to each other. The angle of rotation manifests itself in a phase shift of the signals 202 and 212 of the second sensor element 84 relative to the signals 112 and 113 of the first sensor element 82 , This phase shift is a measure of the torsion. Analogously, the signals are produced at a torsion angle of 3 ° in the negative direction 204 and 214 of the second sensor element 84 that are relative to the signals 112 and 113 of the first sensor element 82 are out of phase by a corresponding amount in the negative direction.

Eine Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ist in 3 dargestellt. 3a zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung, 3b eine Draufsicht. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Aufbau, gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, weist diese Vorrichtung eine zweite Leiterplatte 61 auf, die unterhalb des zweiten Zahnkranzes 24 angeordnet ist. Die zweite Leiterplatte 61 ist Deckungsgleich zur ersten Leiterplatte 60 und weist zwei metallisierte Bohrungen 65 und 66 auf, die die unteren Lagerzapfen 36 der beiden Messzahnräder 32 und 34 aufnehmen. Die oberen Lagerzapfen 35 der Messzahnräder 32 und 34 sind, analog zur Ausführung aus 1, in den Bohrungen 62 und 64 der Leiterplatte 60 drehbar gelagert. Die Leiterplatte 61 kann beispielsweise über Warmverstemmzapfen mit einem Kunststoffträger 70 verbunden werden. Es sind aber auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Beispielsweise könnten beide Leiterplatten 60 und 61 mittels Einpresstechnik mechanisch befestigt und gleichzeitig elektrisch miteinander verbunden werden. Der Träger 70 lagert auf einer in dieser Ansicht nicht dargestellten Hülse des zweiten Zahnkranzes 24 zwischen beiden Zahnkränzen 22 und 24 und ist beispielsweise über ein Gleitlager gelagert.A variation of the in 1 illustrated embodiment is in 3 shown. 3a shows a side view of the device, 3b a top view. The structure is essentially the same as in 1 shown construction, like elements are provided with the same reference numerals. In contrast to the first embodiment, this device has a second circuit board 61 on, below the second sprocket 24 is arranged. The second circuit board 61 is the same as the first printed circuit board 60 and has two metallized holes 65 and 66 on which the lower journals 36 the two measuring gears 32 and 34 take up. The upper journals 35 the measuring gears 32 and 34 are, analogous to the execution of 1 in the holes 62 and 64 the circuit board 60 rotatably mounted. The circuit board 61 For example, over Warmverstemmzapfen with a plastic carrier 70 get connected. But there are also other mounting options conceivable. For example, both circuit boards could 60 and 61 mechanically fastened by means of press-in technology and at the same time electrically connected to one another. The carrier 70 superimposed on a sleeve of the second sprocket, not shown in this view 24 between both sprockets 22 and 24 and is stored for example via a plain bearing.

Die beiden Messzahnräder 32 und 34 weisen jeweils einen zusätzlichen Permanentmagneten 42' und 44' auf. Die Permanentmagneten 42' und 44' sind direkt oberhalb der Leiterplatte 61, jeweils in dem Sockel 32a bzw. 34a angeordnet. In diesem Beispiel sind die Permanentmagneten 42' und 44' ebenfalls als einfache Dipolmagnete ausgebildet. Die Permanentmagnete 42 und 42' des ersten Messzahnrads 32 liegen sich gegenüber und sind im Wesentlichen gleich ausgerichtet. Dasselbe gilt für die Permanentmagnete 44 und 44' des zweiten Messzahnrads 34. Auf der zweiten Leiterplatte 61 ist direkt unterhalb der Lagerbohrungen 65 und 66 jeweils ein weiteres Sensorelement 83 und 85 angeordnet. Das Sensorelement 83 ist um 90° gedreht zu dem Sensorelement 82 montiert. Die Signale des Sensorelements 83 sind demnach um 90° phasenverschoben zu den Signalen des Sensorelements 82. Analog dazu, ist das Sensorelement 85 um 90° gedreht zu dem Sensorelement 84 montiert. Die Signale des Sensorelements 85 sind demnach um 90° phasenverschoben zu den Signalen des Sensorelements 84. Durch diese Anordnung der Sensorelemente 82, 83, 84 und 85 kann die Gesamtauflösung der Vorrichtung verbessert werden, indem die relative Phasenverschiebung bei Torsion aus dem Mittelwert der Signale der Sensorelemente 82 und 83 und dem Mittelwert der Signale der Sensorelemente 84 und 85 bestimmt wird.The two measuring gears 32 and 34 each have an additional permanent magnet 42 ' and 44 ' on. The permanent magnets 42 ' and 44 ' are directly above the circuit board 61 , each in the socket 32a respectively. 34a arranged. In this example, the permanent magnets 42 ' and 44 ' also formed as a simple dipole magnets. The permanent magnets 42 and 42 ' of the first measuring gear 32 lie opposite each other and are aligned essentially the same. The same goes for the permanent magnets 44 and 44 ' of the second measuring gear 34 , On the second circuit board 61 is directly below the bearing holes 65 and 66 in each case a further sensor element 83 and 85 arranged. The sensor element 83 is rotated 90 ° to the sensor element 82 assembled. The signals of the sensor element 83 are therefore 90 ° out of phase with the signals of the sensor element 82 , Analogously, is the sensor element 85 rotated 90 ° to the sensor element 84 assembled. The signals of the sensor element 85 are therefore 90 ° out of phase with the signals of the sensor element 84 , By this arrangement of the sensor elements 82 . 83 . 84 and 85 For example, the overall resolution of the device can be improved by taking the relative phase shift in torsion from the average of the signals of the sensor elements 82 and 83 and the mean value of the signals of the sensor elements 84 and 85 is determined.

In 4 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen eines Torsionswinkels dargestellt. 4a zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung, 4b eine Draufsicht. Analog zu den vorangegangenen Beispielen weist die erste Welle 12 einen ersten Zahnkranz 22, der fest mit der Welle 12 verbunden ist, auf. Die zweite Welle 14 weist in gleicher Weise einen zweiten Zahnkranz 24 auf. Die Zahnkränze 22 und 24 liegen mit geringem Abstand konzentrisch übereinander, die Drehachse 100 ist für beide Zahnkränze 22 und 24 dieselbe. Die Zahnkränze 22 und 24 weisen im Wesentlichen den gleichen Durchmesser auf und besitzen dieselbe Anzahl von Zähnen.In 4 a third embodiment of a device according to the invention for measuring a torsion angle is shown. 4a shows a side view of the device, 4b a top view. Analogous to the previous examples, the first wave 12 a first sprocket 22 that stuck to the shaft 12 is connected. The second wave 14 has in the same way a second sprocket 24 on. The sprockets 22 and 24 lie concentrically over each other at a small distance, the axis of rotation 100 is for both sprockets 22 and 24 same. The sprockets 22 and 24 have substantially the same diameter and have the same number of teeth.

Beide Zahnkränze 22 und 24 treiben jeweils ein exakt gleich dimensioniertes Messzahnrad 32 und 34 an. Das mechanische Übersetzungsverhältnis von ersten Zahnkranz 22 zum ersten Messzahnrad 32 ist gleich dem Übersetzungsverhältnis von zweiten Zahnkranz 24 zum zweiten Messzahnrad 34.Both sprockets 22 and 24 each drive a precisely identically dimensioned measuring gear 32 and 34 at. The mechanical gear ratio of first sprocket 22 to the first measuring gear 32 is equal to the gear ratio of second sprocket 24 to the second measuring gear 34 ,

Das erste Messzahnrad 32 und das zweite Messzahnrad 34 sind koaxial gelagert und weisen demnach dieselbe Drehachse 103 auf. Wie in 4c im Detail dargestellt ist, lagert sich das erste Messzahnrad 32 direkt auf dem zweiten Messzahnrad 34. Dazu ist zwischen den Messzahnrädern 32 und 34 ein Gleitlager 38 ausgebildet. Das erste Messzahnrad 32 weist dazu einen hohlzylinderartigen Abschnitt 32b auf. In den Abschnitt 32b greift ein zapfenartiger Abschnitt 34b des zweiten Messzahnrads 34 ein. Zwischen beiden Messzahnrädern 32 und 34 befindet sich eine ringförmige Spannfeder 59, wodurch beide Messzahnräder 32 und 34 leicht gegeneinander verspannt werden. Dadurch wird erreicht, dass an den jeweiligen Zahnkränzen 22 bzw. 24 immer eine Zahnradflanke des jeweiligen Messzahnrades 32 bzw. 34 anliegt. Der Einfluss des Zahnradspiels auf die Genauigkeit der Winkelmessung wird dadurch reduziert.The first measuring gear 32 and the second measuring gear 34 are coaxially mounted and therefore have the same axis of rotation 103 on. As in 4c is shown in detail, superimposed the first measuring gear 32 directly on the second measuring gear 34 , This is between the measuring gears 32 and 34 a plain bearing 38 educated. The first measuring gear 32 has a hollow cylinder-like section 32b on. In the section 32b engages a peg-like section 34b of the second measuring gear 34 one. Between both measuring gears 32 and 34 there is an annular tension spring 59 , causing both gauges 32 and 34 be easily braced against each other. This ensures that at the respective sprockets 22 respectively. 24 always a gear edge of the respective measuring gear 32 respectively. 34 is applied. The influence of the gear play on the accuracy of the angle measurement is thereby reduced.

Beide Messzahnräder 32 und 34 beinhalten jeweils einen Permanentmagneten 42 und 44, wobei der Permanentmagnet 44 im zweiten Messzahnrad 34 vorteilhafterweise eine höhere magnetische Feldstärke besitzt. In der Darstellung der 4c ist dies abstrahiert durch die scheinbar größeren Abmessungen des Permanentmagneten 44.Both measuring gears 32 and 34 each contain a permanent magnet 42 and 44 , wherein the permanent magnet 44 in the second measuring gear 34 advantageously has a higher magnetic field strength. In the presentation of the 4c This is abstracted by the seemingly larger dimensions of the permanent magnet 44 ,

Die Messzahnräder 32 und 34 besitzen weiterhin Lagerzapfen 35 bzw. 36 und werden in einem Träger 70 und in einer metallisierten Bohrung 62 einer Leiterplatte 60 gelagert. Auf der über dem ersten Messzahnrad 32 angeordneten Leiterplatte 60 befindet sich ein einziges AMR-Sensorelement 80 exakt über der Lagerbohrung 62 für das erste Messzahnrad 32.The measuring gears 32 and 34 still own journals 35 respectively. 36 and become in a carrier 70 and in a metallized hole 62 a circuit board 60 stored. On the above the first measuring gear 32 arranged circuit board 60 There is a single AMR sensor element 80 exactly above the bearing bore 62 for the first measuring gear 32 ,

Tritt eine Torsion zwischen den beiden Wellen 12 und 14 auf, verdrehen sich die Zahnkränze 22 und 24 in Abhängigkeit des Torsionswinkels relativ zueinander. Abhängig vom Übersetzungsverhältnis zu den Messzahnrädern 32 und 34 wird diese Verdrehung verstärkt.Kick a twist between the two waves 12 and 14 on, the sprockets twist 22 and 24 depending on the torsion angle relative to each other. Depending on the gear ratio to the measuring gears 32 and 34 this twist is amplified.

Wie aus 4c deutlich wird befinden sich die beiden Permanentmagneten 42 und 44 in den Messzahnrädern 32 und 34 durch die Übereinanderanordnung der beiden Messzahnräder 32 und 34 in unmittelbarer Nähe zueinander und auch in unmittelbarer Nähe zu dem Sensorelement 80. Tritt keine Torsion auf (Torsionswinkel von 0°) sind die Permanentmagneten 42 und 44 magnetisch gleich ausgerichtet. In 4d sind schematisch die Feldlinien 172 und 174 der Permanentmagnete 32 und 34 dargestellt. Im Bereich des Sensorelements 80 überlagern sich die Feldlinien zu einem resultierenden Magnetfeld 176, dessen Ausrichtung mit dem Sensorelement 80 gemessen werden kann. Liegt eine Torsion an der ersten Welle 12 an (typischerweise zwischen 0 und +/–4°) wird über das Übersetzungsverhältnis des Zahnkranzes 22 zum ersten Messzahnrad 32 dieses um den Übersetzungsfaktor verdreht. Die Feldrichtungen der Permanentmagneten 42 und 44 von Messzahnrad 32 und Messzahnrad 34 unterscheiden sich. Die aus den beiden unterschiedlichen überlagerten Feldrichtungen bzw. Vektorkomponenten resultierende Feldrichtung im Bereich des Sensorelements 80 stellt ein Maß für den Torsionswinkel dar.How out 4c clearly the two permanent magnets are located 42 and 44 in the measuring gears 32 and 34 by the superposition of the two measuring gears 32 and 34 in close proximity to each other and also in close proximity to the sensor element 80 , If no torsion occurs (torsion angle of 0 °), the permanent magnets are 42 and 44 magnetically aligned. In 4d are schematically the field lines 172 and 174 the permanent magnets 32 and 34 shown. In the area of the sensor element 80 the field lines overlap to a resulting magnetic field 176 , its alignment with the sensor element 80 can be measured. If there is a torsion on the first shaft 12 (typically between 0 and +/- 4 °) is determined by the gear ratio of the sprocket 22 to the first measuring gear 32 this twisted by the translation factor. The field directions of the permanent magnets 42 and 44 of measuring gear 32 and measuring gear 34 differ. The field direction resulting from the two different superimposed field directions or vector components in the region of the sensor element 80 represents a measure of the torsion angle.

Dieses Prinzip wird in 5 an mehreren Beispielen verdeutlicht. Hierbei ist ein Übersetzungsverhältnis von 10:1 angenommen.This principle is in 5 illustrated by several examples. Here, a gear ratio of 10: 1 is assumed.

5a zeigt die Ausrichtung der beiden Permanentmagnete 42 und 44 bei einem Torsionswinkel von 0°. Die beiden Permanentmagnete 42 und 44 liegen in gleicher Ausrichtung übereinander, der Verdrehwinkel α_a zwischen den beiden Messzahnrädern beträgt 0°. Die resultierende Magnetfeldrichtung 76a, die vom Sensorelement 80 gemessen wird, stimmt mit der Ausrichtung der beiden Permanentmagnete 42 und 44 überein. 5a shows the alignment of the two permanent magnets 42 and 44 at a torsion angle of 0 °. The two permanent magnets 42 and 44 lie one above the other in the same orientation, the angle of rotation α _a between the two measuring gears is 0 °. The resulting magnetic field direction 76a . that of the sensor element 80 is measured, agrees with the orientation of the two permanent magnets 42 and 44 match.

5b zeigt die Ausrichtung der beiden Permanentmagnete 42 und 44 bei einem Torsionswinkel von 2°. Mit dem Übersetzungsverhältnis ergibt sich daraus zwischen den beiden Permanentmagnete 42 und 44 ein Verdrehwinkel α_b von 20°. Die resultierende Magnetfeldrichtung 76b, die vom Sensorelement 80 gemessen wird, ergibt sich aus der Vektorsumme der Magnetfelder der beiden Permanentmagnete 42 und 44 im Bereich des Sensorelements 80. Sie beträgt in diesem Beispiel 10°. 5b shows the alignment of the two permanent magnets 42 and 44 at a torsion angle of 2 °. With the gear ratio results from between the two permanent magnets 42 and 44 a twist angle α _b of 20 °. The resulting magnetic field direction 76b that from the sensor element 80 is measured, resulting from the vector sum of the magnetic fields of the two permanent magnets 42 and 44 in the region of the sensor element 80 , It is 10 ° in this example.

5c zeigt die Ausrichtung der beiden Permanentmagnete 42 und 44 bei einem Torsionswinkel von 4°. Mit dem Übersetzungsverhältnis ergibt sich daraus zwischen den beiden Permanentmagnete 42 und 44 ein Verdrehwinkel α_c von 40°. Die resultierende Magnetfeldrichtung 76b, die vom Sensorelement 80 gemessen wird beträgt nun 20°. 5c shows the alignment of the two permanent magnets 42 and 44 at a torsion angle of 4 °. With the gear ratio results from between the two permanent magnets 42 and 44 a twist angle α _c of 40 °. The resulting magnetic field direction 76b that from the sensor element 80 is measured is now 20 °.

Es ergibt sich demnach ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Signal des Sensorelements 80 und dem Torsionswinkel. Die Genauigkeit der Messung wird maßgeblich vom Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnkränzen 22 bzw. 24 und den Messzahnrädern 32 bzw. 34 bestimmt.This results in a clear relationship between the signal of the sensor element 80 and the torsion angle. The accuracy of the measurement is determined by the gear ratio between the sprockets 22 respectively. 24 and the measuring gears 32 respectively. 34 certainly.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19818799 A1 [0002]

Claims

Device for measuring a torsion angle between a first shaft ( 12 ) and a second wave ( 14 ), which via a torsion element ( 13 ), comprising - a first sprocket ( 22 ) at the first wave ( 12 ), - a second sprocket ( 24 ) at the second wave ( 14 ), - a first measuring gear ( 32 ), the first sprocket ( 22 ), - a second measuring gear ( 34 ), the second sprocket ( 24 ), wherein on the first measuring gear ( 32 ) and on the second measuring gear ( 34 ) at least one permanent magnet ( 42 . 42 ' . 44 . 44 ' ), - at least one sensor element ( 80 . 82 . 83 . 84 . 85 ) for detecting the alignment of the measuring gears ( 32 . 34 ) over at least one of the magnetic fields of the permanent magnets ( 42 . 42 ' . 44 . 44 ' ), characterized in that - the first measuring gear ( 32 ) touching in the sprocket ( 22 ) of the first wave ( 12 ) and the second measuring gear ( 34 ) touching in the sprocket ( 24 ) of the second wave ( 14 ), - the axes of rotation ( 102 . 103 . 104 ) of the measuring gears ( 32 . 34 ) each different from the axis of rotation ( 100 ) of the waves ( 12 . 14 ), and - the transmission ratio of the first sprocket ( 22 ) to the first measuring gear ( 32 ) equal to the gear ratio of the second sprocket ( 24 ) to the second measuring gear ( 34 ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that at least one sensor element ( 80 . 82 . 83 . 84 . 85 ) is designed as a magnetoresistive sensor, in particular as an AMR sensor.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the transmission ratio is greater than or equal to 5: 1.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the number of teeth of the first sprocket ( 22 ) is equal to the number of teeth of the second sprocket ( 24 ) and the number of teeth of the first measuring gear ( 32 ) equal to the number of teeth of the second measuring gear ( 34 ).

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the measuring gears ( 32 . 34 ) by a spring ( 57 . 58 ) against the respective associated sprocket ( 22 . 24 ) is biased.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the axis of rotation ( 102 ) of the first measuring gear ( 32 ) and the axis of rotation ( 104 ) of the second measuring gear ( 34 ) are arranged offset to one another, wherein the first measuring gear ( 32 ) at least one first sensor element ( 82 . 83 ), the orientation of the first measuring gear ( 32 ), and wherein the second measuring gear ( 34 ) at least one second sensor element ( 84 . 85 ), the orientation of the second measuring gear ( 34 ) detected.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first measuring gear ( 32 ), the second measuring gear ( 34 ) and a sensor element ( 80 ) are arranged coaxially, wherein the magnetic fields of a first permanent magnet ( 42 ) of the first measuring gear ( 32 ) and a second permanent magnet ( 44 ) of the second measuring gear ( 34 ) and an angle difference between the first measuring gear ( 32 ) and the second measuring gear ( 34 ) dependent, resulting magnetic field, by the sensor element ( 80 ) is detectable.

Device according to claim 7, characterized in that the magnetic field of the permanent magnet ( 44 ) further from the sensor element ( 80 ) is arranged stronger than the magnetic field of the permanent magnet ( 42 ), which is arranged closer to the sensor element.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the first measuring gear ( 32 ) and the second measuring gear ( 34 ) via a plain bearing ( 38 ) are stored directly above one another.

Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the first measuring gear ( 32 ) and the second measuring gear ( 34 ) via a spring element ( 59 ) are braced against each other.

Method for measuring a torsion angle between a first shaft ( 12 ) and a second wave ( 14 ), by means of a device, in particular according to one of claims 1 to 10, comprising - a first sprocket ( 22 ) at the first wave ( 12 ), - a second sprocket ( 24 ) at the second wave ( 14 ), - a first measuring gear ( 32 ), the first sprocket ( 22 ), - a second measuring gear ( 34 ), the second sprocket ( 24 ), wherein on the first measuring gear ( 32 ) and on the second measuring gear ( 34 ) at least one permanent magnet ( 42 . 42 ' . 44 . 44 ' ), - at least one sensor element ( 80 . 82 . 83 . 84 . 85 ) for detecting a rotation angle between the first and the second measuring gear ( 32 . 34 ) over at least one of the magnetic fields of the permanent magnets ( 42 . 42 ' . 44 . 44 ' ), characterized in that The gear ratio of the first sprocket ( 22 ) to the first measuring gear ( 32 ) equal to the gear ratio of the second sprocket ( 24 ) to the second measuring gear ( 34 ), and - the angle of rotation between the first and the second measuring gear ( 32 . 34 ) from the signal of the at least one sensor element ( 80 . 82 . 83 . 84 . 85 ), and from this the torsion angle between the first wave ( 12 ) and the second wave ( 14 ) is calculated by means of.

Method for measuring a torsion angle according to claim 11 by means of a device according to claim 6, characterized in that - the alignment of the first measuring gear ( 32 ) by an evaluation of the signals of the first sensor elements ( 82 . 83 ), - the orientation of the second measuring gear ( 34 ) by an evaluation of the signals of the second sensor elements ( 84 . 85 ) is determined, - the angle of rotation from the difference of the orientations of both measuring gears ( 32 . 24 ), - from the angle of rotation of the measuring wheels ( 32 . 24 ) is calculated by means of the transmission ratio of the torsion angle.

Method for measuring a torsion angle according to claim 11 by means of a device according to one of claims 7 to 9, characterized in that - by the evaluation of the signals of the one sensor element ( 80 ) the angle of rotation between the measuring gears ( 32 . 24 ), and - from the angle of rotation of the measuring gears ( 32 . 24 ) is calculated by means of the transmission ratio of the torsion angle.