DE102013215320A1

DE102013215320A1 - Device for detecting the torque in a shaft

Info

Publication number: DE102013215320A1
Application number: DE201310215320
Authority: DE
Inventors: Frank Benkert; Steffen Hochgräber; Stefan Glück
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-05
Also published as: WO2015018403A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines in eine Welle (01) eingeleiteten Drehmoments umfassend mindestens einen, auf der Welle (01) angeordneten, passiven elektrischen Schwingkreis (02) mit einer sich in Abhängigkeit des Drehmoments ändernden Resonanzfrequenz sowie eine in Bezug zur Welle (01) feststehende Auswerteeinheit (15) mit einer Spule (14), welche mit dem Schwingkreis (02) induktiv gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Teil des passiven elektrischen Schwingkreises (02) als mehrschichtige Beschichtung auf der Welle (01) realisiert ist.The invention relates to a device for detecting a torque introduced into a shaft (01) comprising at least one passive electrical oscillating circuit (02) arranged on the shaft (01) with a resonant frequency which changes as a function of the torque and with respect to the shaft ( 01) fixed evaluation unit (15) with a coil (14) which is inductively coupled to the resonant circuit (02). The device according to the invention is characterized in that at least a part of the passive electrical oscillating circuit (02) is realized as a multilayer coating on the shaft (01).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines in eine Welle eingeleiteten Drehmomentes. The invention relates to a device for detecting a torque introduced into a shaft.

Drehmomentsensoren werden in vielen Gebieten der Technik benötigt. Sie dienen der Erfassung des tatsächlichen Belastungszustandes von mechanischen Teilen, insbesondere rotierenden Wellen, und ermöglichen so eine Drehmoment optimierte Steuerung der die Welle antreibenden Leistung. Ein wesentliches Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Drehmomentmessung in Tretlagern, insbesondere bei Fahrrädern, Pedelecs, E-Bikes oder Ergometern. Vorbekannte Lösungen verwenden beispielsweise Tretlagereinheiten mit magnetischen Sensoren zur Drehmomentmessung. Beispielhaft sei auf die DE 20 2010 017 366 U1 und die DE 10 2012 215 022 A1 verwiesen. Torque sensors are needed in many fields of technology. They serve to detect the actual load condition of mechanical parts, in particular rotating shafts, and thus enable a torque-optimized control of the power driving the shaft. An essential field of application of the device according to the invention is the torque measurement in bottom brackets, especially in bicycles, pedelecs, e-bikes or ergometers. For example, prior art solutions use bottom bracket units with magnetic torque sensing sensors. Exemplary is on the DE 20 2010 017 366 U1 and the DE 10 2012 215 022 A1 directed.

Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt zur Messung eines an einer Welle angreifenden Drehmoments elektrische Schwingkreise zu verwenden. Die EP 1 026 492 A2 zeigt einen Drehmomentsensor, umfassend einen elektrischen Schwingkreis mit einer Anpassschaltung mit einem Wandler, einem akustischen Oberflächenwellenbauelement und einer Antenne. Der Wandler beinhaltet einen Kondensator mit einer ersten Elektrode, welcher an einer ersten Befestigungsstelle mit der Welle verbunden ist, und einer zweiten Elektrode, die an einer zweiten Befestigungsstelle mit der Welle verbunden ist, wobei die Befestigungsstellen axial voneinander beabstandet sind. Die beiden Elektroden sind relativ zueinander verschiebbar, so dass eine Verwindung der Welle durch ein Drehmoment eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bewirkt.From the prior art, it is also known to use for measuring a torque acting on a shaft electrical oscillating circuits. The EP 1 026 492 A2 shows a torque sensor comprising an electrical resonant circuit with a matching circuit with a transducer, a surface acoustic wave device and an antenna. The transducer includes a capacitor having a first electrode connected to the shaft at a first attachment location and a second electrode connected to the shaft at a second attachment location with the attachment locations axially spaced apart. The two electrodes are displaceable relative to each other, so that a torsion of the shaft by a torque causes a change in the resonant frequency of the resonant circuit.

Die GB 2195183 A beschreibt die Erfassung eines Drehmomentes in einer Welle anhand der Verzerrungen eines passiven Schwingkreises. Der Schwingkreis ist auf einer Welle befestigt und weist eine Resonanzfrequenz auf, welche sich in Abhängigkeit des Drehmoments ändert. Mit dem Schwingkreis ist eine Schaltung induktiv gekoppelt, welche Schwankungen der Resonanzfrequenz erfasst. The GB 2195183 A describes the detection of a torque in a shaft based on the distortions of a passive resonant circuit. The resonant circuit is mounted on a shaft and has a resonant frequency, which varies as a function of the torque. With the resonant circuit, a circuit is inductively coupled, which detects fluctuations in the resonant frequency.

Die DE 10 2009 027 997 A1 zeigt eine Messeinrichtung zur telemetrischen Auswertung eines einen elektrischen Schwingkreis aufweisenden passiven Sensors, welcher beispielsweise für die Messung eines Druckes innerhalb einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann. Die Messeinrichtung umfasst mindestens eine Schwingungsquelle, eine Koppelspule und einen Phasendetektor, wobei mittels der Schwingungsquelle in einem Referenzzweig eine elektrische Referenzschwingung und in einem Messzweig eine elektrische Messschwingung erzeugbar ist. Die Koppelspule ist im Messzweig angeordnet und kann induktiv an eine Schwingkreisspule des Sensors angekoppelt werden. Der Phasendetektor greift die Referenzschwingung und die Messschwingung ab und ermittelt den Phasenunterschied zwischen Referenzschwingung und Messschwingung. The DE 10 2009 027 997 A1 shows a measuring device for telemetric evaluation of an electrical oscillating circuit having passive sensor, which can be used for example for the measurement of pressure within an exhaust system of a motor vehicle. The measuring device comprises at least one oscillation source, a coupling coil and a phase detector, wherein an electrical reference oscillation and in a measuring branch an electrical measuring oscillation can be generated by means of the oscillation source in a reference branch. The coupling coil is arranged in the measuring branch and can be inductively coupled to a resonant circuit coil of the sensor. The phase detector detects the reference oscillation and the measuring oscillation and determines the phase difference between the reference oscillation and the measuring oscillation.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ausgehend von der GB 2195183 A eine verbesserte Vorrichtung zur Erfassung des in eine Welle eingeleiteten Drehmomentes zur Verfügung zu stellen, welche sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, sich aufwandsarm an die Welle integrieren lässt und einen geringen Bauraum benötigt. The object of the present invention is, starting from the GB 2195183 A to provide an improved device for detecting the introduced into a shaft torque available, which is characterized by a simple structure, can be integrated with little effort on the shaft and requires a small space.

Zur Lösung der Aufgabe dient eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1. To solve the problem, a device according to claim 1 is used.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines in eine Welle eingeleiteten Drehmoments umfasst mindestens einen, auf der Welle angeordneten, passiven elektrischen Schwingkreis mit einer sich in Abhängigkeit des Drehmoments ändernden Resonanzfrequenz sowie eine in Bezug zur Welle feststehende Auswerteeinheit mit einer Spule, welche mit dem Schwingkreis induktiv gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Element des passiven elektrischen Schwingkreises als mehrschichtige Beschichtung auf der Welle realisiert ist. Vorzugsweise werden durch mehrere Schichten auf der Welle sämtliche durch mehrere Schichten auf der Welle sämtliche Elemente des passiven Schwingkreises realisiert.The device according to the invention for detecting a torque introduced into a shaft comprises at least one passive electrical oscillating circuit arranged on the shaft with a resonant frequency which changes as a function of the torque and an evaluation unit fixed in relation to the shaft with a coil which is inductively coupled to the resonant circuit is. The device according to the invention is characterized in that at least one element of the passive electrical resonant circuit is realized as a multilayer coating on the shaft. Preferably, all elements of the passive oscillating circuit are realized by several layers on the shaft all through multiple layers on the shaft.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die durch die Erfindung vorgeschlagene Lösung nicht nur auf die Erfassung von Drehmomenten beschränkt ist. Ebenso lassen sich Größen wie Kraft, Biegemoment und Drehmoment mit einer entsprechend aufgebauten Sensorik registrieren, solange diese zu einer auswertbaren Dehnung im Schichtsystem führen. Weiterhin ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäße Art der Sensorik, d. h. der Aufbau eines passiven elektrischen Schwingkreises in einer mehrlagigen Beschichtung selbstverständlich auch an planaren Maschinenelementen und auch stationär eingesetzt werden kann (nicht rotativ).It should be noted that the solution proposed by the invention is not limited to the detection of torques. Likewise, variables such as force, bending moment and torque can be registered with a correspondingly constructed sensor, as long as they lead to an evaluable strain in the layer system. Furthermore, it should be noted that the inventive type of sensor, d. H. The construction of a passive electrical resonant circuit in a multi-layer coating can of course also be used on planar machine elements and also stationary (not rotary).

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass durch Realisierung einiger oder aller des Komponenten elektrischen Schwingkreises als mehrschichtige Beschichtung der als Sensor dienende Schwingkreis aufwandsarm an die Welle integriert werden kann. Hierzu ist lediglich ein entsprechender Beschichtungsprozess erforderlich. Der bislang erforderliche Aufwand für die Verdrahtung der Sensorik entfällt dadurch vorzugsweise vollständig. Es ist keine zusätzliche Aufbau- und Verbindungstechnik erforderlich. Hierdurch können Arbeitsschritte eingespart werden, beispielsweise entfällt die Kontaktierung, da die Kontaktierung bereits Bestandteil des mehrschichtigen Schichtaufbaus ist. Diese Art der Realisierung hat auch den Vorteil, dass sich das Handling vereinfacht, so besteht zum Beispiel keine Gefahr mehr durch Abreißen von Kabeln bzw. Drähten, wodurch sich nicht zuletzt auch die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung erhöht. A significant advantage of the device according to the invention is that by implementing some or all of the components of the electrical resonant circuit as a multilayer coating, the resonant circuit serving as a sensor can be integrated with little effort on the shaft. For this purpose, only a corresponding coating process is required. The hitherto required effort for the wiring of the sensor eliminates thereby preferably completely. It is not an additional construction and Connection technology required. As a result, work steps can be saved, for example, eliminates the contact, since the contact is already part of the multilayer coating structure. This type of implementation also has the advantage that the handling is simplified, for example, there is no danger by tearing off cables or wires, which not least also increases the reliability of the measuring device.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die zur Ausbildung des passiven elektrischen Schwingkreises dienende Beschichtung folgende, radial übereinander angeordnete Schichten: eine kapazitive Leiterschicht mit einer Strukturierung, eine der kapazitiven Leiterschicht nachfolgende Dielektrikum-Schicht, welche sich teilweise auch in Hohlräume der Strukturierung der kapazitiven Leiterschicht erstreckt und beispielsweise aus Titanoxid besteht, eine induktive Leiterschicht mit einer Strukturierung, eine ohmsche Leiterschicht sowie Isolationsschichten, welche zwischen den Leiterschichten und auf der Welle angeordnet sind. Außerdem ist eine sich radial erstreckende Kontaktierung zur elektrischen Kontaktierung der Leiterschichten vorgesehen. In a preferred embodiment of the device according to the invention, the coating used to form the passive electrical oscillating circuit comprises the following layers arranged radially one above the other: a capacitive conductor layer having a structuring, a dielectric layer following the capacitive conductor layer, which partially also in cavities of the structuring of the capacitive Conductor layer extends and consists for example of titanium oxide, an inductive conductor layer having a structuring, an ohmic conductor layer and insulating layers, which are arranged between the conductor layers and on the shaft. In addition, a radially extending contact for electrical contacting of the conductor layers is provided.

Die Isolationsschichten können beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen oder als Plasma-Polymerschicht ausgebildet sein. Isolationsschichten sind aufgrund der übereinander angeordneten kapazitiven und induktiven Strukturen erforderlich. Die Leiterschichten bestehen vorzugsweise aus NiCr und weisen eine Strukturierung auf. Als zweckmäßig hat sich für die kapazitive Leiterschicht eine Strukturierung in Form von unter 45° zur Längsrichtung der Welle verlaufender Streifen erwiesen. Für die induktive Leiterschicht hat sich eine Strukturierung in Form von die Achse der Welle umlaufender Streifen bewährt. Es sind natürlich auch andere geeignete Ausführungsformen für die Strukturierungen von kapazitiver und induktiver Leiterschicht möglich. The insulating layers may for example consist of aluminum oxide or be formed as a plasma polymer layer. Insulation layers are required due to the stacked capacitive and inductive structures. The conductor layers are preferably made of NiCr and have a structuring. It has proven to be useful for the capacitive conductor layer structuring in the form of running at 45 ° to the longitudinal direction of the shaft strip. For the inductive conductor layer has a structuring in the form of the axis of the shaft circumferential strip has proven. Of course, other suitable embodiments for the structuring of capacitive and inductive conductor layer are possible.

Die induktive und/oder die kapazitive Leiterschicht sind vorzugsweise derart ausgeführt, dass sich die Kapazität und/oder Induktivität infolge einer mechanischen Krafteinwirkung auf die Welle ändert. Durch Änderung einer dieser beiden elektrischen Kenngrößen ändert sich bekanntlich die Resonanzfrequenz von elektrischen Schwingkreisen, wodurch Rückschlüsse auf die wirkende Kraft bzw. das an die Welle angreifende Drehmoment möglich sind. Im Zusammenhang mit der Realisierung der Leiterschichten wird auf die sogenannte Sensotect-Beschichtung der Anmelderin verwiesen. Die ohmsche Leiterschicht kann eine separate Schicht sein oder als Bestandteil der kapazitiven oder induktiven Leiterschicht ausgeführt sein. The inductive and / or the capacitive conductor layer are preferably designed such that the capacitance and / or inductance changes as a result of a mechanical force acting on the shaft. By changing one of these two electrical parameters, as is known, the resonant frequency of electrical oscillating circuits changes, which makes it possible to draw conclusions about the acting force or the torque acting on the shaft. In connection with the realization of the conductor layers reference is made to the so-called Sensotect coating of the applicant. The ohmic conductor layer may be a separate layer or be embodied as part of the capacitive or inductive conductor layer.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung eine zusätzliche Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit auf, welche benachbart zur induktiven Leiterschicht und von dieser durch eine Isolationsschicht getrennt, angeordnet ist. Diese zusätzliche Schicht, welche beispielsweise als Ferritschicht ausgeführt sein kann, dient zur Führung des magnetischen Flusses und damit zur Optimierung der induktiven Kopplung. Zur weiteren Optimierung der magnetischen Flussführung können an der induktiven Leiterschicht sich radial ausdehnende Flussleitelemente axial angeordnet werden. According to a preferred embodiment, the coating has an additional layer of high permeability and low electrical conductivity, which is adjacent to the inductive conductor layer and separated from it by an insulating layer. This additional layer, which may be embodied, for example, as a ferrite layer, serves to guide the magnetic flux and thus to optimize the inductive coupling. To further optimize the magnetic flux guidance, radially expanding flux-conducting elements can be arranged axially on the inductive conductor layer.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn auf der Welle zwei gleichartige, passive elektrische Schwingkreise angeordnet sind, wobei jeder Schwingkreis mit jeweils einer Spule der Auswerteeinheit induktiv gekoppelt ist. Eine derartige Ausführung hat den großen Vorteil, dass eine Temperaturkompensation im verwendeten Auswerteverfahren implementiert werden kann. Des Weiteren kann ein Driften der Kennwerte durch Alterung oder ähnliche Effekte kompensiert werden, was ebenfalls entsprechend im Auswerteverfahren implementiert werden kann. It has proven to be advantageous if two similar, passive electrical resonant circuits are arranged on the shaft, wherein each resonant circuit is inductively coupled to one coil of the evaluation unit. Such an embodiment has the great advantage that a temperature compensation in the evaluation method used can be implemented. Furthermore, drifting of the characteristic values due to aging or similar effects can be compensated, which can likewise be correspondingly implemented in the evaluation method.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spule der Auswerteeinheit Bestandteil eines zweiten Schwingkreises der Auswerteeinheit. Bei dieser Ausführung kann der Schwingkreis auf der Welle als zusätzlicher Blindwiderstand im Schwingkreis der Auswerteeinheit aufgefasst werden, dessen Wert durch die Deformation des Maschinenelements variiert wird. Wird nun der Schwingkreis der Auswerteeinheit als Oszillator betrieben, hängt dessen Resonanzfrequenz von der Deformation der Welle ab. Das Ausgangssignal des Oszillators kann beispielsweise in ein Rechtecksignal gewandelt werden, um eine Auswertung, zum Beispiel über die Periodendauer möglichst einfach zu gestalten. According to a preferred embodiment, the coil of the evaluation unit is part of a second resonant circuit of the evaluation unit. In this embodiment, the resonant circuit can be interpreted on the shaft as an additional reactance in the resonant circuit of the evaluation, the value of which is varied by the deformation of the machine element. If the resonant circuit of the evaluation unit is now operated as an oscillator, its resonant frequency depends on the deformation of the shaft. The output signal of the oscillator can, for example, be converted into a square wave signal in order to make an evaluation as simple as possible over the period duration, for example.

Der Schwingkreis auf der Welle kann jedoch auch als zusätzliche Impedanz in der Auswerteeinheit aufgefasst werden, dessen Wert durch die Deformation der Welle variiert wird. Hierbei kann jedes Verfahren zur Bestimmung einer Impedanz zur Auswertung herangezogen werden, beispielsweise eine Brückenschaltung.However, the resonant circuit on the shaft can also be understood as an additional impedance in the evaluation unit, whose value is varied by the deformation of the shaft. In this case, any method for determining an impedance can be used for the evaluation, for example a bridge circuit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise in ein Tretlager eingebaut sein und dort als Alternative zu den bislang gebräuchlichen magnetoelastischen Vorrichtungen dienen. The device according to the invention can preferably be installed in a bottom bracket and serve there as an alternative to the hitherto conventional magnetoelastic devices.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further advantages, details and developments emerge from the following description of preferred embodiments of the invention with reference to the drawing. Show it:

1: eine Welle mit einem als mehrschichtige Beschichtung ausgeführten Schwingkreis in perspektivischer Ansicht; 1 a wave with a designed as a multilayer coating resonant circuit in perspective view;

2: die Welle mit dem als mehrschichtige Beschichtung ausgeführten Schwingkreis in einer stark vereinfachten Schnittansicht; 2 : the shaft with the resonant circuit designed as a multilayer coating in a greatly simplified sectional view;

3: eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 3 a schematic diagram of a first embodiment of a device according to the invention;

4: eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 4 a schematic diagram of a second embodiment of the device according to the invention;

5: eine Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 5 a schematic diagram of a third embodiment of the device according to the invention;

6: eine Prinzipskizze einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 6 a schematic diagram of a fourth embodiment of the device according to the invention;

7: eine Prinzipskizze einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 7 : A schematic diagram of a fifth embodiment of the device according to the invention.

Anhand der 1 und 2 soll die die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnende Ausführung eines auf einer Welle 01 als mehrschichtige Beschichtung ausgeführten passiven elektrischen Schwingkreises 02 erläutert werden. 1 zeigt die Welle 01 mit dem Schwingkreis 02 in perspektivischer Ansicht, wobei zur Erkennbarkeit der einzelnen Schichten diese teilweise geschnitten dargestellt sind, während 2 die Welle 01 mit dem Schwingkreis 02 in einer strukturellen Querschnittansicht zeigt (auf die Darstellung der Umfangskrümmung wurde verzichtet). Based on 1 and 2 the device of the invention characterizing execution of a on a shaft 01 designed as a multilayer coating passive electrical resonant circuit 02 be explained. 1 shows the wave 01 with the resonant circuit 02 in a perspective view, wherein the recognizability of the individual layers are shown partially cut, while 2 the wave 01 with the resonant circuit 02 in a structural cross-sectional view shows (on the representation of the circumferential curvature was omitted).

Die Welle 01, welche beispielsweise aus einem Chrom-legierten Wälzlagerstahl, wie 100Cr6 besteht, trägt als erstes eine Isolationsschicht 03, die zum Beispiel als Aluminiumoxidschicht oder als Plasma-Polymerschicht ausgeführt ist. Der Isolationsschicht 03 schließt sich radial nach außen eine kapazitive Leiterschicht 04 an, welche eine Strukturierung 05 aufweist und beispielsweise aus NiCr besteht. Die Strukturierung 05 der kapazitiven Leiterschicht 04 kann in Form von unter 45° zur Längsrichtung der Welle 01 verlaufender Streifen ausgeführt sein. Der kapazitiven Leiterschicht 04 schließt sich eine Dielektrikum-Schicht 06, zum Beispiel aus Titanoxid, an, welche sich teilweise auch in Hohlräume der Strukturierung 05 erstreckt. Die Kanten der Strukturierung 05 stellen die Kondensatorplatten dar, zwischen denen sich Dielektrikum 06 befindet. Die Kapazität ist vorzugsweise als Kammstruktur ausgebildet. Es ist jedoch auch eine flächige Anordnung in beliebiger Geometrie möglich. The wave 01 , which consists for example of a chromium-alloyed bearing steel, such as 100Cr6, first carries an insulating layer 03 , which is designed for example as an aluminum oxide layer or as a plasma polymer layer. The insulation layer 03 closes radially outward a capacitive conductor layer 04 on which a structuring 05 has and, for example, consists of NiCr. The structuring 05 the capacitive conductor layer 04 can be in the form of less than 45 ° to the longitudinal direction of the shaft 01 be running strip running. The capacitive conductor layer 04 closes a dielectric layer 06 , For example, of titanium oxide, which partially also in cavities of structuring 05 extends. The edges of the structuring 05 represent the capacitor plates, between which are dielectric 06 located. The capacity is preferably formed as a comb structure. However, it is also possible a planar arrangement in any geometry.

Unter Krafteinfluss kommt es zu einer Änderung der Geometrie der kapazitiven Leiterschicht 04. Ebenso kann sich die Permittivität der Dielektrikum-Schicht 06 ändern. Under the influence of force, there is a change in the geometry of the capacitive conductor layer 04 , Likewise, the permittivity of the dielectric layer 06 to change.

Der Dielektrikum-Schicht 06 schließt sich eine weitere Isolationsschicht 03a an. Dieser weiteren Isolationsschicht 03a folgt eine Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit 07, welche beispielsweise als Ferritschicht, wie NiFe₂O₄ oder ZnFe₂O₄, ausgeführt ist. Der Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit 07 folgt eine weitere Isolationsschicht 03b, welcher sich eine induktive Leiterschicht 08 anschließt. Die induktive Leiterschicht 08 kann aus NiCr bestehen und weist eine Strukturierung 09 auf. Die Strukturierung 09 kann in Form von die Achse der Welle 01 umlaufender Streifen ausgeführt sein. Nach einer bevorzugten Ausführung wird eine helixförmige Induktivität realisiert. Alternativ sind jedoch auch eine Planarspule oder Kombinationen aus beiden möglich. The dielectric layer 06 closes another insulation layer 03a at. This further insulation layer 03a follows a layer of high permeability and low electrical conductivity 07 , which is designed for example as a ferrite layer, such as NiFe ₂ O ₄ or ZnFe ₂ O ₄ . The layer of high permeability and low electrical conductivity 07 follows another insulation layer 03b , which is an inductive conductor layer 08 followed. The inductive conductor layer 08 can consist of NiCr and has a structuring 09 on. The structuring 09 can be in the form of the axis of the shaft 01 be executed circumferential strip. According to a preferred embodiment, a helical inductance is realized. Alternatively, however, a planar coil or combinations of both are possible.

Unter Krafteinfluss ändert sich die Geometrie der induktiven Leiterschicht 08. Ebenso kann sich die Permeabilität der induktiven Leiterschicht 08 ändern. Under the influence of force, the geometry of the inductive conductor layer changes 08 , Likewise, the permeability of the inductive conductor layer 08 to change.

Der induktiven Leiterschicht 08 schließt sich eine abschließende Isolationsschicht 03c an. Ausgehend von der kapazitiven Leiterschicht 04 erstreckt sich in radialer Richtung bis zur induktiven Leiterschicht 08 eine Kontaktierung 10, welche zur elektrischen Kontaktierung der Leiterschichten 04, 08 dient. Die Kontaktierung besteht vorzugsweise aus NiCr.The inductive conductor layer 08 closes a final insulation layer 03c at. Starting from the capacitive conductor layer 04 extends in the radial direction to the inductive conductor layer 08 a contact 10 , which for electrical contacting of the conductor layers 04 . 08 serves. The contacting is preferably made of NiCr.

Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit 07 auch entfallen. Diese Schicht 07 hat jedoch den Vorteil, dass durch diese eine Führung des magnetischen Flusses erreicht wird und damit die induktive Kopplung optimiert wird. In modified embodiments, the layer may have high permeability and low electrical conductivity 07 also omitted. This layer 07 However, it has the advantage that a guidance of the magnetic flux is achieved by this and thus the inductive coupling is optimized.

Die ohmsche Leiterschicht ist im gezeigten Ausführungsbeispiel Bestandteil der kapazitiven Leiterschicht 04. Die Strukturierung 05 stellt auch den ohmschen Anteil dar. Bei alternativen Ausführungsformen kann die ohmsche Leiterschicht auch Bestandteil der induktiven Leiterschicht 08 sein. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen die ohmsche Leiterschicht als separate Leiterschicht ausgeführt ist. Die ohmschen Strukturen sind vorzugsweise als Mäander (DMS) ausgebildet. Es ist jedoch auch eine andere beliebige ein- oder mehrdimensionale Geometrie möglich.The ohmic conductor layer is in the embodiment shown part of the capacitive conductor layer 04 , The structuring 05 also represents the ohmic portion. In alternative embodiments, the ohmic conductor layer may also be part of the inductive conductor layer 08 be. Embodiments are also possible in which the ohmic conductor layer is designed as a separate conductor layer. The ohmic structures are preferably designed as meanders (DMS). However, any other one- or multi-dimensional geometry is possible.

3 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vereinfachten Blockschaltbild. Auf der Welle 01 ist der passive elektrische Schwingkreis 02 angeordnet, welcher, wie bereits im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben, als mehrschichtige Beschichtung ausgeführt ist. Der passive elektrische Schwingkreis besteht aus einem Widerstand 11, einer Kapazität 12 und einer Induktivität 13. Durch entsprechende Gestaltung mindestens eines dieser Elemente ändert sich dessen Kennwert durch Einbringen einer mechanischen Deformation. 3 shows a first embodiment of a device according to the invention in a simplified block diagram. On the wave 01 is the passive electrical resonant circuit 02 arranged, which, as already in connection with the 1 and 2 described as a multi-layer coating is executed. The passive electrical resonant circuit consists of a resistor 11 , a capacity 12 and an inductance 13 , By appropriate design of at least one of these elements changes its characteristic value by introducing a mechanical deformation.

Der Schwingkreis 02 ist mit einer Spule 14 einer in Bezug zur Welle 01 feststehenden Auswerteeinheit 15 induktiv gekoppelt. Der Schwingkreis 02 wird mittels Spule 14 von der Auswerteeinheit 15 zum Schwingen in seiner Resonanzfrequenz angeregt. Hierzu wird ein bestimmter Frequenzbereich, beispielsweise mittels eines Sinussweeps durchfahren. Ein Sinussweep ist bekanntlich ein Signal mit einem Sinusverlauf mit ansteigender Frequenz und gleichbleibender Amplitude. Wird hierbei der Schwingkreis 02 mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, ist seine Energieabsorption maximal, was sich deutlich in seiner Leistungsaufnahme zeigt. Wird nun die aufgenommene elektrische Leistung des Schwingkreises 02 beispielsweise durch Messung des Spulenstromes überwacht, ist ein Rückschluss auf die Resonanzfrequenz und somit auf die mechanische Deformation der Welle und damit auch auf das in die Welle 01 eingeprägte Drehmoment möglich. Dieses Messprinzip ist als DIP-Meter-Prinzip bekannt. The resonant circuit 02 is with a coil 14 one in relation to the wave 01 fixed evaluation unit 15 inductively coupled. The resonant circuit 02 is by means of coil 14 from the evaluation unit 15 stimulated to vibrate in its resonant frequency. For this purpose, a certain frequency range is traversed, for example by means of a sine sweep. A sinusweep is known to be a signal with a sinusoidal waveform of increasing frequency and constant amplitude. If this is the resonant circuit 02 With its resonant frequency excited, its energy absorption is maximum, which is clearly reflected in its power consumption. Will now be the recorded electrical power of the resonant circuit 02 monitored for example by measuring the coil current is a conclusion on the resonance frequency and thus on the mechanical deformation of the shaft and thus also in the shaft 01 impressed torque possible. This measuring principle is known as the DIP meter principle.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vereinfachten Blockschaltbild. Bei dieser Ausführung findet eine lastabhängige Frequenzmodulation statt. Hierzu weist die Auswerteeinheit 15 einen zweiten Schwingkreis 17 mit einer Spule 14 und einer Kapazität 19 auf. Die Spule 14 des zweiten Schwingkreises 17 ist derart angeordnet, dass sie mit der Spule 13 des auf der Welle 01 angeordneten Schwingkreises 02 einen Übertrager bildet. Hierbei kann der Schwingkreis 02 auf der Welle 01 als zusätzlicher Blindwiderstand im zweiten Schwingkreis 17 aufgefasst werden, dessen Wert durch die Deformation der Welle 01 variiert wird. Wenn nun der zweite Schwingkreis 17 als Oszillator betrieben wird, hängt dessen Resonanzfrequenz von der Deformation der Welle 01 ab. Das Ausgangssignal des Oszillators kann vorzugsweise in ein Rechtecksignal gewandelt werden, um eine Auswertung, beispielsweise über die Periodendauer möglichst einfach zu gestalten. 4 shows a second embodiment of the device according to the invention in a simplified block diagram. In this embodiment, a load-dependent frequency modulation takes place. For this purpose, the evaluation unit 15 a second resonant circuit 17 with a coil 14 and a capacity 19 on. The sink 14 of the second resonant circuit 17 is arranged such that it is connected to the coil 13 of the on the wave 01 arranged resonant circuit 02 forms a transformer. Here, the resonant circuit 02 on the wave 01 as an additional reactance in the second resonant circuit 17 whose value is due to the deformation of the shaft 01 is varied. If now the second resonant circuit 17 is operated as an oscillator, whose resonance frequency depends on the deformation of the shaft 01 from. The output signal of the oscillator can preferably be converted into a square wave signal in order to make an evaluation as simple as possible, for example over the period duration.

5 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vereinfachten Blockschaltbild, bei welcher eine lastabhängige Amplitudenmodulation stattfindet. Diese Ausführung verwendet ebenfalls einen zweiten Schwingkreis 17 in der Auswerteeinheit 15, dessen Spule 14 zusammen mit der Spule 13 des Schwingkreises 02 auf der Welle 01 einen Übertrager bildet. Der Schwingkreis 02 auf der Welle 01 kann von der Auswerteeinheit 15 als zusätzliche Impedanz aufgefasst werden, deren Wert durch die Deformation der Welle 01 variiert wird. Zur Auswertung können bekannte Verfahren zur Bestimmung einer Impedanz herangezogen werden, beispielsweise Brückenschaltung o. ä. 5 shows a third embodiment of the device according to the invention in a simplified block diagram in which a load-dependent amplitude modulation takes place. This embodiment also uses a second resonant circuit 17 in the evaluation unit 15 whose coil 14 along with the coil 13 of the resonant circuit 02 on the wave 01 forms a transformer. The resonant circuit 02 on the wave 01 can from the evaluation unit 15 as an additional impedance whose value is due to the deformation of the shaft 01 is varied. For evaluation, known methods for determining an impedance can be used, for example bridge circuit or the like.

6 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In den Schwingkreis 02 auf der Welle 01 wird mittels einer Spule 14 der Auswerteeinheit 15 eine breitbandige Anregung mit konstantem Leistungsdichtespektrum eingekoppelt, beispielsweise weißes Rauschen in einem bestimmten HF-Band. Wird nun das Signal nach der Kopplung, beispielsweise mittels Fouriertransformation, ausgewertet, wird sich bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 02 auf der Welle 01, bedingt durch dessen Absorptionsverhalten bei Resonanz, ein Einbruch der Leistung bei Resonanzfrequenz ergeben. Da die Resonanzfrequenz eine Funktion der elastischen Deformation der Welle 01 darstellt, lässt dies einen Rückschluss auf die Deformation und somit auf die verursachende Kraft zu. 6 shows a fourth embodiment of the device according to the invention. In the resonant circuit 02 on the wave 01 is by means of a coil 14 the evaluation unit 15 coupled a broadband excitation with a constant power density spectrum, such as white noise in a particular RF band. If now the signal after the coupling, for example by means of Fourier transformation, evaluated, is at the resonant frequency of the resonant circuit 02 on the wave 01 , caused by the absorption behavior at resonance, a collapse of the power at resonant frequency. Since the resonance frequency is a function of the elastic deformation of the shaft 01 This allows a conclusion on the deformation and thus on the causative force.

7 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführung sind auf der Welle 01 zwei gleichartige Schwingkreise 02 angeordnet. Jeder der beiden Schwingkreise 02 ist mit jeweils einem eigenen Schwingkreis 17 der Auswerteeinheit 15 gekoppelt. Adäquat zu der in 4 beschriebenen Ausführung findet hier ebenfalls eine lastabhängige Frequenzmodulation statt. Natürlich sind auch die im Zusammenhang mit den anderen Ausführungen beschriebenen Auswerteverfahren möglich. Die zwei Schwingkreise 17 der Auswerteeinheit 15 werden als Oszillator betrieben. Die Resonanzfrequenz hängt wiederum von der Deformation der Welle 01 ab. Durch die zweifache Ausführung der Schwingkreise 02 auf der Welle 01 kann eine Temperaturkompensation im entsprechenden Auswerteverfahren implementiert werden. Des Weiteren kann ein Driften der Kennwerte durch Alterung oder ähnliche Effekte kompensiert werden, was entsprechend im Auswerteverfahren implementiert werden kann. 7 shows a fifth embodiment of the device according to the invention. In this version are on the shaft 01 two similar resonant circuits 02 arranged. Each of the two oscillating circuits 02 is each with its own resonant circuit 17 the evaluation unit 15 coupled. Adequate to the in 4 described embodiment also takes place here, a load-dependent frequency modulation. Of course, the evaluation methods described in connection with the other embodiments are also possible. The two oscillating circuits 17 the evaluation unit 15 are operated as an oscillator. The resonant frequency in turn depends on the deformation of the shaft 01 from. Due to the double version of the oscillating circuits 02 on the wave 01 a temperature compensation can be implemented in the corresponding evaluation method. Furthermore, drifting of the characteristic values due to aging or similar effects can be compensated, which can be correspondingly implemented in the evaluation method.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101: Welle wave
0202: Schwingkreis auf der Welle Oscillatory circuit on the shaft
0303: Isolationsschicht insulation layer
0404: kapazitive Leiterschicht capacitive conductor layer
0505: Strukturierung der kapazitiven Leiterschicht Structuring of the capacitive conductor layer
0606: Dielektrikum-Schicht Dielectric layer
0707: Schicht mit hoher Permeabilität und geringer elektrischer Leitfähigkeit Layer with high permeability and low electrical conductivity
0808: induktive Leiterschicht inductive conductor layer
0909: Strukturierung der induktiven Leiterschicht Structuring of the inductive conductor layer
1010: Kontaktierung contact
1111: Widerstand des Schwingkreises auf der Welle Resistance of the resonant circuit on the shaft
1212: Kapazität des Schwingkreises auf der Welle Capacitance of the resonant circuit on the shaft
1313: Spule des Schwingkreises auf der Welle Coil of the resonant circuit on the shaft
1414: Spule der Auswerteeinheit Coil of the evaluation unit
1515: Auswerteeinheit evaluation
16 16
1717: Schwingkreis der Auswerteeinheit Oscillation circuit of the evaluation unit
1818
1919: Kapazität der Auswerteeinheit Capacity of the evaluation unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202010017366 U1 [0002]
DE 102012215022 A1 [0002]
EP 1026492 A2 [0003]
GB 2195183 A [0004, 0006]
DE 102009027997 A1 [0005]

Claims

Device for detecting one in a wave ( 01 ) introduced torque comprising: - at least one, on the shaft ( 01 ), passive electrical resonant circuit ( 02 ) having a resonant frequency which varies as a function of the torque; - as well as in relation to the wave ( 01 ) fixed evaluation unit ( 15 ) with a coil ( 14 ), which with the resonant circuit ( 02 ) is inductively coupled, characterized in that at least one component of the passive electrical resonant circuit ( 02 ) as a multilayer coating on the shaft ( 01 ) is realized.

Apparatus according to claim 1, characterized in that for the formation of the passive electrical resonant circuit ( 02 ) has the following layers: a capacitive conductor layer ( 04 ) with a structuring ( 05 ); - one of the capacitive conductor layer ( 04 ) subsequent dielectric layer ( 06 ), which partly also in cavities of structuring ( 05 ) of the capacitive conductor layer ( 04 ) extends; An inductive conductor layer ( 08 ) with a structuring ( 09 ); An ohmic conductor layer; - insulation layers ( 03 ), which between the conductor layers ( 04 . 08 ) and on the wave ( 01 ) are arranged; and a radially extending through said insulating layers contacting ( 10 ) for electrically contacting the conductor layers ( 04 . 08 ).

Apparatus according to claim 2, characterized in that the coating further comprises a layer ( 07 ) having high permeability and low electrical conductivity, which adjacent to the inductive conductive layer ( 08 ) and from this by an insulating layer ( 03b ) is arranged separately.

Device according to claim 2 or 3, characterized in that the capacitive conductor layer ( 04 ) and / or the inductive conductor layer ( 08 ) is / are designed such that the capacitance and / or inductance due to a mechanical force acting on the shaft ( 01 ) changes.

Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the inductive conductor layer ( 08 ) a structuring ( 09 ) in the form of the axis of the shaft ( 01 ) has circumferential strip, and / or that the capacitive conductor layer ( 04 ) a structuring ( 05 ) in the form of strips.

Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the conductor layers ( 04 . 08 ) consist of NiCr.

Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the insulating layers ( 03 ) are designed as a plasma polymer layer or aluminum oxide layer.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that it has two similar, on the shaft ( 01 ), passive electrical circuits ( 02 ), each resonant circuit ( 02 ) each with a coil ( 14 ) of the evaluation unit ( 15 ) is inductively coupled.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the coil ( 14 ) of the evaluation unit ( 15 ) Component of a second resonant circuit ( 17 ) of the evaluation unit ( 15 ).

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that it is installed in a bottom bracket.