DE102011052043A1

DE102011052043A1 - Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor

Info

Publication number: DE102011052043A1
Application number: DE102011052043A
Authority: DE
Inventors: Dr. Klimenko Valeri; Johann Jahrstorfer
Original assignee: Bourns Inc
Current assignee: Bourns Inc
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: CN102889852B; KR101951043B1; JP5656128B2; DE102011052043B4; US8910532B2; JP2013024866A; KR20130011920A; US20130019693A1; CN102889852A

Abstract

Der Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor hat zwei drehfest mit Wellenabschnitten (1, 2) verbundene Zahnräder (4, 5), die mit Zahnräder (6, 7) in Eingriff stehen. An einem der Zahnräder (7) ist ein zwei- oder mehrpoliger Magnet (12, 13) befestigt. An dem anderen Zahnrad (6) sind entsprechend der Polzahl magnetische Flussleitstücke (17, 18) befestigt, die L-förmig ausgebildet sind. Ein Schenkel der Flussleitstücke (17, 18) weist in Richtung zu dem mehrpoligen Magneten (12, 13) während die anderen Schenkel parallel zu dem Zahnrad (6) verlaufen und zwar einer auf einer und der andere auf der anderen Seite des Zahnrades (6), wobei diese Schenkel einen zweiten Sensor (16) zwischen sich einschließen, der im Zahnrad (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Sensor ist aus der DE 198 34 322 A1 bekannt.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Lenkung von Kraftfahrzeugen, bei der nicht nur der Drehwinkel einer Lenkwelle gemessen werden soll sondern auch die auf die Lenkwelle ausgeübten Kräfte, die sich als Drehmoment auswirken. Dieses Drehmoment kann als Torsionswinkel eines zwischen zwei Wellenabschnitten der Lenkwelle angeordneten Torsionsstabes gemessen werden. Die sonstigen Parameter des Torsionsstabes sind dabei bekannt.
Die eingangs genannte DE 198 34 322 A1 zeigt einen Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor zum gleichzeitigen Messen von Drehmoment und Drehwinkel einer drehbaren Welle. An zwei Wellenabschnitten ist jeweils ein erstes bzw. ein zweites Zahnrad angebracht, das sich mit dem zugeordneten Wellenabschnitt dreht. Das erste Zahnrad steht mit einem dritten Zahnrad in Eingriff, das einen Magnet trägt. Dem Magnet ist ein erster Magnetsensor zugeordnet. Das zweite Zahnrad des anderen Wellenabschnittes steht mit einem vierten und fünften Zahnrad in Eingriff, wobei auch diesen Zahnrädern je ein Magnet und je ein Magnetsensor zugeordnet sind. Die Zähnezahl des vierten und fünften Zahnrades unterscheidet sich um mindestens 1, so dass in bekannter Weise der absolute Drehwinkel des Wellenabschnittes ermittelt werden kann und zwar auch für Drehwinkel größer 360°. Die Zähnezahl des dritten und vierten Zahnrades ist gleich und ebenso die des ersten und zweiten Zahnrades, so dass sich bei torsionsfreier Drehung das dritte und vierte Zahnrad synchron drehen. Tritt dagegen eine Torsion auf, so tritt zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt eine Verdrehung bzw. ein Torsionswinkel auf, so dass das dritte und vierte Zahnrad unterschiedliche Drehstellungen aufweisen, was durch Auswertung der dem dritten und vierten Zahnrad zugeordneten Magnetsensoren ermittelt werden kann, indem ein Differenzsignal aus den Ausgangssignalen dieser beiden Sensoren gebildet wird. Kurz zusammengefasst hat der bekannte Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor fünf Zahnräder, drei Magneten und drei Magnetsensoren.
Ähnliche Sensoren zur Messung eines Drehwinkels und/oder eines Torsionswinkels sind auch aus der EP 1 426 750 A1 und US 7,258,027 B2 bekannt, wo ebenfalls Zahnräder, Magnete und Magnetsensoren eingesetzt werden.
Problematisch bei dem eingangs genannten Sensor ist die wechselseitige Abschirmung der Magneten, deren Magnetfelder jeweils nur den zugeordneten Magnetsensor beeinflussen dürfen, nicht aber den Magnetsensor benachbarter Magnete. Im Hinblick auf eine Miniaturisierung solcher Sensoren können daher Probleme auftreten. Auch spielen die Materialkosten der Magnete eine wichtige Rolle.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfacheren und störsicheren Drehwinkel- und Torsionswinkel zu schaffen, der auch kostengünstiger herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor der Erfindung verwendet, wie der Stand der Technik, fünf Zahnräder und drei Sensoren, jedoch nur zwei Magnete. Einem der Magnete sind zwei Magnetsensoren zugeordnet. Der erste Magnetsensor ist unmittelbar dem entsprechenden Magneten zugeordnet und erfasst dessen Drehstellung. Die Erfindung sieht vor, dass dem ersten Magneten mindestens zwei kreissegmentförmige Magnetleitstücke zugeordnet sind, deren Segmente einen Abstand zueinander haben. Magnetfelder dieser kreissegmentförmigen Magnetleitstücke werden durch eine entsprechende Anzahl von magnetischen Flussleitstücken zum zweiten Magnetsensor geleitet, der die magnetische Feldstärke misst und vorzugsweise ein Hall-Sensor ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische perspektivische Ansicht des Drehwinkel- und Torsionswinkelsensors nach der Erfindung, gesehen schräg von oben;
2 eine perspektivische schematische Ansicht des Drehwinkel- und Torsionswinkelsensors der 1 gesehen schräg von unten;
3 einen Querschnitt des Drehwinkel- und Torsionswinkelsensors der 1 und 2;
4 eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linie A-A der 3;
5 eine Schnittansicht ähnlich 4 eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung;
6 eine Ansicht ähnlich 1 für das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 eine Ansicht ähnlich 6 jedoch mit fortgelassenem Zahnrad zur Verdeutlichung der Anordnung der magnetischen Flussleitstücke.
Der Sensor der 1 bis 3 ist an einer Welle angebracht, die einen ersten Wellenabschnitt 1 hat, der beispielsweise die Lenkwelle einer Kraftfahrzeuglenkeinrichtung ist sowie einen zweiten Wellenabschnitt 2, der beispielsweise die sog. Ritzelwelle der Kraftfahrzeuglenkung ist. Die beiden Wellenabschnitte 1 und 2 sind durch einen Torsionsstab 3 miteinander verbunden.
Ein erstes Zahnrad 4 mit einer Zähnezahl N1 ist drehfest mit dem ersten Wellenabschnitt 1 verbunden. Ein zweites Zahnrad 5 mit derselben Zähnezahl N1 ist mit dem zweiten Wellenabschnitt 2 verbunden. Das erste Zahnrad 4 steht in Eingriff mit einem dritten Zahnrad 6, das eine zweite Zähnezahl N2 aufweist, die zum Zwecke einer Übersetzung im Regelfall wesentlich kleiner ist als die Zähnezahl N1. Das zweite Zahnrad 5 steht mit einer vierten Zahnrad 7 in Eingriff, das dieselbe Zähnezahl N2 und das dieselbe Zahnradmodul wie das dritte Zahnrad 6 hat. Weiter steht das zweite Zahnrad 5 mit einem fünften Zahnrad 8 in Eingriff dessen Zähnezahl N3 ebenfalls wesentlich kleiner ist als die Zähnezahl N1 des zweiten Zahnrades 5, sich jedoch von der Zähnezahl N2 unterscheidet und zwar vorzugsweise um mindestens einen Zahn.
Dem vierten Zahnrad 7 ist ein erster Magnet 9 zugeordnet, der sich zusammen mit dem Zahnrad 7 dreht und der diametral magnetisiert ist.
Dem fünften Zahnrad 8 ist ein zweiter Magnet 10 zugeordnet, der sich mit dem fünften Zahnrad 8 dreht und ebenfalls diametral magnetisiert ist.
Dem ersten Magnet 9 ist ein erster Sensor 11 zugeordnet, der ortsfest an einer Leiterbahnplatte 24 angeordnet ist und die Drehstellung des ersten Magneten 9 erfasst. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen AMR-Sensor handeln.
Der erste Sensor 11 ist an der zum zweiten Wellenabschnitt 2 hinweisenden Seite des vierten Zahnrades 7 angeordnet. Auf der zum ersten Wellenabschnitt 1 hinweisenden Seite des vierten Zahnrades 7 sind mindestens zwei kreissegmentförmige Magnetleitstücke 12 und 13 angeordnet, die magnetisch mit dem ersten Magneten 9 gekoppelt sind. Zwischen den kreissegmentförmigen Magnetleitstücken ist ein Abstand 14 vorhanden, der einen Luftspalt bildet. Die beiden Magnetleitstücke 12 und 13 aus ferromagnetischem Material sind drehfest mit dem vierten Zahnrad 7 verbunden und als ebene Scheiben ausgebildet. Das Magnetleitstück 12 ist durch den ersten Magneten 9 in einer ersten Magnetrichtung (z. B. Süd) magnetisiert, während das andere Magnetleitstück 13 in der entgegengesetzten Richtung (z. B. Nord) magnetisiert ist. Der Abstand 14 zwischen den beiden Magnetleitstücken 12 und 13 bildet damit einen Luftspalt. Das vierte Zahnrad 7 ist selbstverständlich aus nicht-magnetischem Material.
Das dritte Zahnrad 6 und das vierte Zahnrad 7 sind um eine gemeinsame Drehachse 15 drehbar, die parallel zur Drehachse der Welle liegt.
In einer zentralen Öffnung 20 des dritten Zahnrades 6 ist ein zweiter Magnetsensor 16 angeordnet. Weiter sind an dem dritten Zahnrad 6 mehrere magnetische Flussleitstücke 17 und 18 angebracht entsprechend der Anzahl der kreissegmentförmigen Magnetleitstücke 12 und 13. Die magnetischen Flussleitstücke 17 und 18 sind im Querschnitt der 3 im wesentlichen L-förmig, wobei jeweils ein Schenkel in Richtung zu den kreissegmentförmigen Magnetleitstücken 12 und 13 ragt und dort in einem geringen Abstand 19 endet, wobei dieser Abstand 19 einen Luftspalt bildet. Die anderen Schenkel der magnetischen Flussleitstücke 17 und 18 verlaufen parallel zur Ebene des dritten Zahnrades 6, wobei einer dieser horizontalen Schenkel auf der einen und der andere dieser parallelen Schenkel auf der anderen Seite des dritten Zahnrades 6 verläuft. Damit liegt der zweite Sensor 16 zwischen den beiden horizontalen Schenkeln der magnetischen Flussleitstücke 17 und 18, wofür das dritte Zahnrad 6 eine Ausnehmung 20 aufweist. Der zweite Magnetsensor 16 ist von einem Stift 21 gehalten, der an einer ortsfesten Leiterbahnplatte 22 befestigt ist. Der Stift 21 ragt durch eine Öffnung 23 im horizontalen Schenkel des magnetischen Flussleitstückes 17 hindurch, wobei auch elektrische Zuleitungen zu dem zweiten Magnetsensor 16 durch diesen Stift 21 hindurch geführt sind. An Stelle des Stiftes 21 können auch lediglich die elektrischen Zuleitungen zur Halterung des zweiten Magnetsensors 16 verwendet werden, sofern sie ausreichende mechanische Festigkeit haben.
Die kreissegmentförmigen Magnetleitstücke 12 und 13 einerseits und die magnetischen Flussleitstücke 17 und 18 andererseits sind so angeordnet, dass die zu den Magnetleitstücken 12 und 13 weisenden Schenkel der Flussleitstücke 17 und 18 in neutraler Stellung, die durch einen Torsionswinkel von Null definiert ist, genau über dem Abstand 14 zwischen den beiden kreissegmentförmigen Magnetleitstücken 12 und 13 stehen. Der Magnetkreis zwischen den Polen der kreissegmentförmigen Magnetleitstücke 12 und 13 verläuft somit durch die genannten Schenkel der Flussleitstücke 17 und 18 und den Spalt, wo der zwiete Sensor 16 platziert ist, so dass zwischen den horizontalen Schenkeln der Flussleitstücke 17 und 18 kein Magnetfeld auftritt und der zweite Sensor 16 noch kein Ausgangssignal erzeugt. Tritt nun ein Torsionswinkel zwischen den beiden Wellenabschnitten 1 und 2 auf, so werden das dritte und vierte Zahnrad 6 und 7 unterschiedlich verdreht, so dass die zu den kreissegmentförmigen Magnetleitstücken 12 und 13 ragenden Schenkel der Flussleitstücke 17 und 18 aus dem durch den Abstand 14 gebildeten Luftspalt verdreht werden und das Magnetfeld über die Flussleitstücke 17 und 18 zu dem zweiten Sensor 16 geleitet wird, der ein der Stärke des Magnetfeldes proportionales Ausgangssignal liefert, das ein Maß für den zu messenden Torsionswinkel ist.
Der dem zweiten Magneten 10 zugeordnete dritte Sensor 25 ist analog dem ersten Sensor 11 aufgebaut und an einer ortsfesten Leiterbahnplatte 24 befestigt, wobei der erste Sensor 11 und der dritte Sensor 25 an einer gemeinsamen Leiterbahnplatte 24 angebracht sein können. Da das vierte und das fünfte Zahnrad 7 und 8 eine unterschiedliche Zähnezahl (N2 bzw. N3) haben, die sich vorzugsweise um mindestens 1 unterscheiden, kann auch in bekannter Weise ein Winkelbereich von mehr als 360° für den Drehwinkel des zweiten Wellenabschnittes 2 erfasst werden.
Die Empfindlichkeit des für den Torsionswinkel zuständigen zweiten Sensors 16 hängt wesentlich vom Übersetzungsverhältnis N1:N2 der Zahnräder ab. Je größer das Übersetzungsverhältnis desto größer ist die relative Verdrehung der beiden Zahnräder 6 und 7 gegeneinander bei Vorliegen eines Torsionswinkels.
Ein hohes Übersetzungsverhältnis bedingt jedoch eine sehr kleinen Durchmesser und damit kleine Zähnezahl des dritten und vierten Zahnrades 6 und 7. Da diese Zahnräder 6 und 7 in der Praxis aus Kunststoff sind, kann die Zähnezahl nicht beliebig klein gemacht werden, da bei schnelleren Drehbewegungen der Wellenabschnitte 1 und 2 aufgrund Reibung höhere Temperaturen auftreten und damit höherer Verschleiß der Zahnräder.
Um gleichwohl eine höhere Messempfindlichkeit bzw. ein höheren Auflösungsvermögen für den Torsionswinkel zu erhalten, sieht die Weiterbildung der Erfindung gemäß den 5 bis 7 vor, einen mehrpoligen sektorenförmigen axial magnetisierten Magnet und eine größere Anzahl von magnetischen Flussleitstücken zu verwenden.
Im Ausführungsbeispiel der 5 ist an dem vierten Zahnrad 7 ein mehrpoliger Magnet mit sechs kreissegmentförmigen Magnetsegmenten 26, 27, 28, 29, 30, 31 angeordnet, die abwechselnd in Nord- und Südrichtung magnetisiert sind. Entsprechend der Anzahl von kreissegmentförmigen Magnetsegmenten sind entsprechend viele magnetische Flussleitstücke 32, 33, 34, 35, 36, 37 vorgesehen, wobei die Flussleitstücke 32, 34, 36 miteinander verbunden und mit ihren horizontalen Schenkeln auf der einen Seite des dritten Zahnrades 6 verlaufen, während die anderen Flussleitstücke 33, 35 und 37 miteinander verbunden sind und mit ihren horizontalen Schenkeln auf der anderen Seite des dritten Zahnrades 6 verlaufen. Bei dieser Anordnung führen schon kleinere relative Drehwinkel zwischen dem dritten und dem vierten Zahnrad 6 und 7 zu einer größeren Änderung des Magnetfeldes am zweiten Sensor 16 und damit zu einem verbesserten Auflösungsvermögen für die Messung des Torsionswinkels.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann nach einer Variante der erste Magnet 9 als zweipoliger, diametral magnetisierter Magnet wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 vorgesehen sein, wobei der erste Magnet 9 auf einer Seite und der mehrpolige Magnet auf der anderen Seite des vierten Zahnrades 7 durch ein Magnetschirmblech 39 voneinander entkoppelt sind, damit der erste Magnet 9 dieselbe Funktion wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel hat. Nach einer Alternative kann der erste Magnet 9 auch durch Magnetleitungen ersetzt werden, die einen Nord- und einen Südpol des mehrpoligen Magneten durch das vierte Zahnrad 7 und durch Öffnungen im Magnetschirmblech 39 hindurchleiten, um die entsprechende Magnetfeldwirkung eines zweipoligen Magneten auf den ersten Magnetsensor 11 zu übertragen.
Der Einsatz des mehrpoligen Magneten hat auch den Vorteil, dass beim Auftreten eines Drehmomentes die auf den zweiten Sensor 16 wirkende resultierende Magnetfeldstärke stärker ist als wenn der zweipolige Magnet 9 des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3 verwendet wird.
Der Vollständigkeit halber sei noch einmal darauf hingewiesen, dass alle Zahnräder 4 bis 8 aus nicht-magnetischem Material, wie z. B. Kunststoff sind. Die Zahnräder 6, 7 und 8 sind in einem Spannrahmen bekannter Bauart gehalten, wie z. B. in der DE 199 62 241 A1 beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19834322 A1 [0001, 0003]
EP 1426750 A1 [0004]
US 7258027 B2 [0004]
DE 19962241 A1 [0033]

Claims

Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor mit zwei Wellenabschnitten (1, 2), zwischen denen ein Torsionsstab (3) angeordnet ist, mit einem ersten Zahnrad (4) das drehfest mit dem ersten Wellenabschnitt (1) verbunden ist, mit einem zweiten Zahnrad (5), das drehfest mit dem zweiten Wellenabschnitt (2) verbunden ist, wobei das erste und das zweite Zahnrad (4, 5) die gleich Anzahl (N1) von Zähnen haben, mit einem dritten Zahnrad (6), das mit dem ersten Zahnrad (4) in Eingriff steht, mit einem vierten Zahnrad (7) und einem fünften Zahnrad (8), die mit dem zweiten Zahnrad (5) in Eingriff stehen, wobei das dritte und das vierte Zahnrad (6, 7) die gleiche Anzahl (N2) von Zähnen haben, die kleiner ist, als die Anzahl (N1) der Zähne des ersten und des zweiten Zahnrades (4, 5) wobei das fünfte Zahnrad (8) eine Anzahl (N3) von Zähnen hat, die sich um mindestens 1 von der Anzahl (N2) des vierten Zahnrades (7) unterscheidet, mit zwei Magneten (9, 10), die dem vierten und fünften Zahnrad (7, 8) zugeordnet sind und mit Magnetsensoren (11, 16, 25), die dem dritten, vierten und fünften Zahnrad (6, 7, 8) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass am vierten Zahnrad (7), kreissegmentförmige Magnetleitstücke (12, 13) befestigt sind, dass am dritten Zahnrad (6) magnetische Flussleitstücke (17, 18) angebracht sind, deren Enden in einem Abstand (19) zu den kreissegmentförmigen Magnetleitstücken (12, 13) angeordnet sind, wobei Schenkel der Magnetleitstücke (17, 18) beidseitig des dem dritten Zahnrad (6) zugeordneten Magnetsensors (16) angeordnet sind.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kreissegmentförmigen Magnetleitstücke (12, 13) zwischen sich einen Abstand (14) aufweisen, der einen Luftspalt bildet.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Flussleitstücke (17, 18) an der zum dritten Zahnrad (6) weisenden Seite des vierten Zahnrades (7) angeordnet sind und dass der erste Sensor (11) auf der dazu gegenüberliegenden Seite des vierten Zahnrades (7) angeordnet ist.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Flussleitstücke (17, 18) einen L-förmigen Querschnitt aufweisen mit einem parallel zum dritten Zahnrad (6) und einem senkrecht zum dritten Zahnrad (6) verlaufenden Schenkel, wobei einer der parallel verlaufenden Schenkel auf einer Seite des dritten Zahnrades (6) und ein parallel verlaufender Schenkel des anderen Flussleitstückes auf der anderen Seite des dritten Zahnrades (6) verläuft, wobei der zweite Sensor (16) zwischen diesen parallelen Schenkeln angeordnet ist.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (16) in einer Öffnung (20) des dritten Zahnrades (6) angeordnet ist und durch einen Stift (23) und/oder elektrische Zuleitungen, die durch eine Öffnung (23) in einem der parallel zum dritten Zahnrad (6) verlaufenden Schenkel hindurchragen, mit einer ortsfesten Leiterplatte (22) verbunden ist.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (11) ein AMR-Sensor und der zweite Sensor (16) ein Hall-Sensor ist.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kreissegmentförmigen Magnetleitstücke durch einen mehrpoligen Magnet gebildet sind, der eine Vielzahl von Magnetsegmenten (26, 27, 28, 29, 30, 31) aufweist, die abwechselnd in Nord- und Südrichtung magnetisiert sind und dass zwei Gruppen von magnetischen Flussleitstücken (32, 33, 34, 35, 36, 37 vorgesehen sind, wobei eine erste Gruppe (32, 34, 36) horizontale Schenkel auf einer Seite des dritten Zahnrades (6) und die andere Gruppe (33, 35, 37) horizontale Schenkel aufweist, die auf der anderen Seite des dritten Zahnrades (6) angeordnet sind.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrpolige Magnet durch ein Magnetschirmblech (39) gegenüber dem ersten Sensor (11) magnetisch abgeschirmt ist.
Drehwinkel- und Torsionswinkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nordpol (27) und ein Südpol (30) des mehrpoligen Magneten mit Magnetleitern (40) verbunden ist, die sich durch das vierte Zahnrad (7) und das Magnetschirmblech (39) hindurch in Richtung zu dem ersten Sensor (11) erstrecken.