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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Sensoranordnung dient der Erfassung einer Winkelstellung eines drehbaren Maschinenelements und gleichzeitig der Erfassung eines Drehmoments bzw. einer Kraft an dem drehbaren Maschinenelement. Solche Sensoranordnungen finden beispielsweise Anwendung in Getriebeanordnungen, Antriebssträngen oder ähnlichen Bestandteilen von Fahrzeugen oder Anlagen.
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Zur Erfassung von Drehwinkeln beispielsweiser einer Welle, welche Teil eines Getriebes oder Antriebsstrang eines Fahrzeugs sein kann, existieren bereits bekannte Sensoranordnungen. Zur Messung des Drehmoments an einem drehbaren Maschinenelement werden Dehnungsmessstreifen verwendet. So ist aus der
DE 10 2012 208 492 A1 ein Dehnungsmessstreifen als Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung bekannt. Die Direktbeschichtung besteht aus einem metallischen Material mit aufgebrachter Isolationsschicht und darauf angeordneter verformungssensitiver Schicht. Die verformungssensitive Schicht wird mittels Laser entsprechend der gewünschten Sensorform strukturiert.
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Die
EP 2 383 558 A1 beschreibt einen induktiven Drehwinkelsensor zu Bestimmung von Drehmoment und relativer Winkelstellung bezüglich einer Referenzposition. Dieser Sensor umfasst ein Indexierelement in Form eines Dauermagneten, sowie einen Hallsensor, welchem ein Flussleitbett zugeordnet ist.
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Die
EP 1 828 722 B1 beschreibt einen induktiven Positionsdetektor, welcher eine erste induktive Einrichtung, die als passiver Resonanzkreis ausgebildet ist, und eine zweite induktive Einrichtung, welche die Messstrecke definiert und mindestens zwei Empfangswindungen umfasst, aufweist. Im Gebrauch wird in dem passiven Resonanzkreis ein Wechselstrom induziert, sodass infolge der gegenseitigen Induktivität zwischen den Empfangswindungen und dem passiven Resonanzkreis ein Wechselsignal induziert wird, welches auf die Position der ersten induktiven Einrichtung schließen lässt.
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Die
DE 101 21 870 A1 beschreibt einen induktiven planar aufgebauten Winkelsensor, mit einem Stator, der eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule sowie mehrere Empfangsspulen aufweist, einem Rotor, der die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangsspulen beeinflusst, und mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors.
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Die
DE 197 38 836 A1 beschreibt einen induktiven Winkelsensor mit einem Statorelement, welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule sowie mehrere Empfangsspulen aufweist. Weiterhin umfasst der induktive Winkelsensor ein Rotorelement, welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangsspulen in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Statorelement vorgibt. Weiterhin weist der induktive Winkelsensor eine Auswerteschaltung auf, welche die Winkelposition aus der in den Empfangsspulen induzierten Spannung bestimmt.
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Die
DE 10 2013 225 921 A1 beschreibt einen induktiven Drehwinkel- und Drehmomentsensor mit einer mit Schwingkreisen bestückten Positionsgebereinheit. Der Drehwinkelsensor zur Erfassung der Position eines bewegten Elements, insbesondere eines Rotors eines elektrischen Motors, besitzt eine Erregerspule, welche ein Erregerfeld erzeugt, mindestens eine, vorzugsweise zwei, Empfangsspulen, die mit der Erregerspule derart gekoppelt sind, dass das Erregerfeld in den Empfangsspulen jeweils eine Spannung induziert. Weiterhin umfasst der Drehwinkelsensor eine Positionsgebereinheit, welche mit dem bewegten Element verbunden ist und die Spannung der Empfangsspule beeinflusst. Die Positionsgebereinheit ist aus mehreren Schwingkreisen mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen gebildet.
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Ausgehend vom Stand der Technik wird eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen, eine zeitgleiche kombinierte Drehmoment- und Drehwinkelmessung an einem drehbaren Maschinenelement aufwandsarm zu realisieren, wobei eine drahtlose Übertragung der Messgrößen vom rotierenden Maschinenelement nach außen ermöglicht sein soll.
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Die genannte Aufgaben wird durch eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmoments bzw. einer Kraft und einer Winkelstellung an einem drehbaren Maschinenelementgemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst zunächst in bekannter Weise eine Sensorplatine, die in der Nähe des Maschinenelements positioniert ist. Bevorzugt besitzt die Sensorplatine einen Durchlass, durch welchen das drehbare Maschinenelement hindurchgeführt ist. Die Sensorplatine kann als Vollkreisscheibe oder auch als Kreissegment ausgeführt sein. Das Maschinenelement rotiert, die Sensorplatine ist gehäusefest positioniert. Weiterhin ist eine Erregerspule vorgesehen, welche auf der Sensorplatine koaxial zum Maschinenelement angeordnet ist und beim Einspeisen eines Erregerstroms ein elektromagnetisches Erregerfeld generiert. Eine am drehbaren Maschinenelement befestigte Targetplatine besitzt mindestens einen elektrisch leitfähigen Abschnitt, der im Erregerfeld rotiert. Weiterhin sind auf der Sensorplatine koaxial zum Maschinenelement eine erste und eine zweite Empfangsspule angeordnet, die jeweils nicht-rotationssymmetrisch gebildet sind und in denen bei generiertem Erregerfeld und Rotation der Targetplatine zwei von der Winkelstellung der Targetplatine abhängige Winkelsignale induziert werden. Schließlich ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche den Erregerstrom an die Erregerspule bereitstellt und aus den von den Empfangsspulen gelieferten Winkelsignalen die Winkelstellung des Maschinenelements bestimmt.
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Erfindungsgemäß ist am Maschinenelement außerdem ein dehnungsempfindliches Sensorelement angeordnet, welches beim Einwirken eines Drehmoments auf das Maschinenelement seinen elektrischen Widerstand ändert. Das Sensorelement kann beispielsweise auf der Oberfläche des Maschinenelements befestigt sein oder als Beschichtung ausgebildet sein. Auf der Targetplatine ist darüber hinaus mindestens eine Targetspule ausgebildet, welche mit dem dehnungsempfindlichen Sensorelement einen elektrisch geschlossenen Sensorstromkreis bildet, in welchem bei generiertem Erregerfeld ein vom elektrischen Widerstand des dehnungsempfindlichen Sensorelements abhängiger Sensorstrom fließt. Schließlich ist auf der Sensorplatine koaxial zum Maschinenelement eine dritte rotationssymmetrische Empfangsspule angeordnet, in welcher bei generiertem Erregerfeld und Rotation der Targetplatine ein vom Sensorstrom abhängiges Drehmomentsignal induziert wird. Die Steuereinheit bestimmt aus dem von der dritten Empfangsspule gelieferten Drehmomentsignal das auf das Maschinenelement wirkende Drehmoment.
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Die Winkelstellung des drehbaren Maschinenelements wird durch die an sich bekannte induktive Positionssensorik mithilfe der Erregerspule sowie der ersten und zweiten Empfangsspule bestimmt. Die Erfindung eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, eine das Drehmoment repräsentierende Messgröße zu erfassen und einzugehöriges Messsignal drahtlos vom Maschinenelement an nicht drehende Einheiten zu übertragen. Dazu wird drahtlos ein Wirbelstrom in dem drehenden Maschinenelement induziert und dieser Strom wird durch eine Widerstandsänderung des dehnungsempfindlichen Sensorelements bei mechanischer Belastung des Maschinenelements variiert. Dazu wird durch die dritte Empfangsspule die Intensität des Wirbelstroms bestimmt, welche abhängig von der mechanische Belastung im Bereich des Sensorelements ist. Aus der veränderten Amplitude in der dritten Empfangsspule kann dann ein Drehmoment bestimmt werden, gleichzeitig zur Erfassung der Winkelstellung.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der elektrisch leitfähige Abschnitt der Targetplatine durch die Targetspule selbst gebildet. Die Targetspule ist auf der Targetplatine vorzugsweise als Leiterbahn ausgebildet. Vorzugsweise ist die Targetspule in mindestens zwei Leiterbahnabschnitte unterteilt, die in unterschiedlichen Winkelsegmenten der Targetplatine verlaufen und die jeweils mit einem eigenen am Maschinenelement angebrachten dehnungsempfindlichen Sensorelement einen elektrisch geschlossenen Sensorstromkreis bilden. Die Targetspulen können auf der Targetplatine anstelle der einfachen leitfähigen Abschnitte auch in verschiedenen Ebenen einer mehrlagigen Targetplatine ausgeführt werden. Die Leiterbahnen, welche die Targetspulen bilden, können am Rand der Targetplatine verlaufen. Die Targetplatine kann aber auch eine größere Erstreckung als die Targetspule aufweisen. Aus Kostengründen wird die Targetplatine vorzugsweise so klein wie möglich ausgeführt.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform ist der elektrisch leitfähige Abschnitt der Targetplatine als mindestens eine Leiterbahn ausgebildet, welche elektrisch isoliert ist von der ebenfalls als Leiterbahn gebildeten Targetspule. Für das Sensorprinzip ist ein Stromfluss in der Targetspule relevant, sodass diese mit dem dehnungsempfindlichen Sensorelement auf dem Maschinenelement zu einem geschlossen Stromkreis verbunden wird. Bevorzugt wird der Stromfluss über einen Spannungsteiler über das Sensorelement geführt. Besonders bevorzugt werden die Funktionen der Stromkreise auf der Targetplatine aufgeteilt. Der erste Stromfluss in der ersten Leiterbahn der Targetfläche dient hierbei herkömmlich zur Winkelbestimmung. Der zweite Stromfluss erfolgt in der Targetspule über das Sensorelement, wodurch über die Widerstandsänderung auf das Drehmoment geschlossen werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das dehnungsempfindliche Sensorelement als ein Dehnungsmessstreifen ausgebildet. Insbesondere kann es als eine Direktbeschichtung ausgebildet sein, welche aus mindestens einer auf der Oberfläche des Maschinenelements aufgebrachten Isolationsschicht und mindestens einer auf der Isolationsschicht aufgebrachten, strukturierten dehnungsempfindlichen elektrisch leitfähigen Beschichtung besteht. Die Direktbeschichtung kann insbesondere ein Mehrschichtsystem gemäß der
DE 10 2012 208 492 A1 sein. Besonders bevorzugt ist die Direktbeschichtung in Form einer sogenannten Sensotect
®-Beschichtung gestaltet. Vorteile einer solchen Direktbeschichtung sind die hohe Präzision und der geringe erforderliche Bauraum. Bevorzugt weist die Direktbeschichtung eine mäandernde Struktur auf, in welcher aufgrund einer mechanische Dehnung oder Stauchung eine Widerstandsänderung eintritt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Targetplatine als ringförmige Scheibe mit einer zentralen Öffnung ausgebildet, wobei das Maschinenelement durch diese zentrale Öffnung hindurchgeführt ist. Vorzugsweise ist die Targetspule auf der Targetplatine mit elektrischen Kontakten ausgerüstet, an welche das dehnungsempfindliche Sensorelement angeschlossen ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Erregerspule und die Empfängerspulen als Leiterbahnen auf der Sensorplatine aufgebracht sind. Vorzugsweise besitzt die Sensorplatine mehrere voneinander isolierte Schichten, in welchen die Erregerspule und die Empfängerspulen (RX1, RX2, RX3) getrennt voneinander ausgebildet sind.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Sensorplatine einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
- 2 eine vereinfachte Seitenansicht eines drehbaren Maschinenelements mit der Sensorplatine und einer Targetplatine;
- 3 eine vereinfachte Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Targetplatine;
- 4 eine vereinfachte Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Targetplatine.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Sensorplatine 01 einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in symbolischer Draufsicht gezeigt. Die Sensorplatine ist bevorzugt als mehrlagige gedruckte Leiterplatte gebildet und besitzt beispielsweise die Form einer rotationssymmetrischen Scheibe. Alternativ kann die Sensorplatine die Form eines Kreissegments besitzen. Im Zentrum der Sensorplatine ist ein Durchlass vorhanden (nicht gezeigt), durch welchen ein drehbares Maschinenelement 02 (2) hindurchgeführt ist.
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Auf der Sensorplatine ist eine Erregerspule 03 vorgesehen, die hier mit mehreren Windungen ausgeführt ist und rotationssymmetrisch am äußeren Rand der Sensorplatine angebracht ist. Weiterhin trägt die Sensorplatine 01 ein erste Empfangsspule 04 und eine zweite Empfangsspule 05, die jeweils nicht-rotationssymmetrisch geformt und vorzugsweise um 90° versetzt angeordnet sind, um winkelveränderliche Signale, vorzugsweise Sinus- und Cosinus-Signale zu liefern.
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Die Erregerspule 03 erzeugt bei Versorgung mit einem Erregerstrom ein elektromagnetisches Erregerfeld, welches von den Empfangsspulen 04, 05 empfangen wird.
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Ebenfalls im Erregerfeld bewegt sich bei drehendem Maschinenelement 02 eine Targetplatine 07 (2) mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Abschnitt 08, auch Target genannt (3), der als Resonator wirkt. Im Resonator prägt sich ein Wirbelstrom. Somit besteht eine elektromagnetische Kopplung zwischen allen Spulen, wobei die Einkopplung des Erregerfelds in das Target nach der Lenz'schen Regel dafür sorgt, dass ein Gegenfeld aufgebaut wird, welches seiner Ursache entgegen wirkt. Daher wird, wo das Traget in der Nähe ist, die Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangsspule verringert. Diese Verringerung lässt sich als Änderung in der induzierten Spannung messen und daraus lässt sich die Winkelstellung des Targets bzw. des Maschinenelements ableiten. Das aus erster und zweiter Empfangsspule resultierende Winkelsignal ist - je nach Geometrie der Empfangsspulen und des Targets - ein periodisches Wechselsignal (Sinus), entsprechend der Erregerfrequenz der Erregerspule. Die Amplitude der induzierten Spannung (die Einhüllende) ändert sich über der Winkelstellung des Targets und wird von einer Steuereinheit bestimmt und ausgegeben. Mit dieser Anordnung aus einer Erreger- und zwei Empfangsspulen kann über eine Arcustangens-Bildung der Winkel des Maschinenelements präzise bestimmt werden. Allerdings ist die Amplitude der induzierten Spannung nicht ohne Kenntnis der Winkellage eindeutig zu bestimmen, da lageabhängig.
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Auf der Sensorplatine 01 ist koaxial zum Maschinenelement 02 eine dritte rotationssymmetrische Empfangsspule 09 angeordnet, die mehrere Windungen umfassen kann. Auch in der dritten Empfangsspule 09 wird bei generiertem Erregerfeld und Rotation der Targetplatine eine Spannung induziert. Die dritte Empfangsspule 09 ist vollständig symmetrisch aufgebaut. Sie liegt wie die erste und die zweite Empfangsspule im Erregerfeld der Erregerspule 03. Aufgrund des rotationssymmetrischen Aufbaus der dritten Empfangsspule ist die dort induzierte Spannung aber immer gleich groß, unabhängig von der Position des Targets 07. Das Drehmomentsignal in der dritten Empfangsspule ändert sich nur, wenn sich die absolute Beeinflussung durch das Target ändert. Dies ist der Fall, wenn die Intensität des induzierten Wirbelstroms sich ändert (siehe dazu unten).
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2 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Seitenansicht des drehbaren Maschinenelements 02 mit der daran befestigten Targetplatine 07 und der koaxial angeordneten, nicht drehbaren Sensorplatine 01. Dargestellt ist auch ein dehnungsempfindliches Sensorelement 12, welches an der Oberfläche des Maschinenelements 02 angebracht und an elektrische Kontakten 11 an der Targetplatine 07 angeschlossen ist.
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3 zeigt in vereinfachter Draufsicht die Targetplatine 07 gemäß einer ersten Ausführungsform. Auf der Targetplatine 07 sind zwei elektrisch leitfähige Abschnitte bzw. Targets 08 als Leiterbahnen aufgebracht. In dieser Ausführungsform funktionieren die Targets gleichzeitig als jeweils eine Targetspule 13. Jede der beiden Targetspulen 13 ist jedoch aufgetrennt und bildet mit jeweils einem zugeordneten dehnungsempfindlichen Sensorelement 12 am Maschinenelement 02 einen geschlossenen Stromkreis. Der Stromkreis läuft entweder direkt über das widerstandsveränderliche dehnungsempfindliche Sensorelement 12 oder es wird ein Spannungsteiler realisiert, in welchem der Strom einen nicht zu detektierenden zweiten Weg nimmt. Jedenfalls ist sicherzustellen, dass der Widerstand des dehnungsempfindlichen Sensorelements 12 mit der mechanischen Belastung des Maschinenelements 02 korreliert. Die Targetspulen 13 sind über die elektrischen Kontakte 11 mit dem jeweiligen dehnungsempfindlichen Sensorelement 12 verbunden. Die dehnungsempfindlichen Sensorelemente 12 nehmen mechanische Spannungen am Maschinenelement auf und setzen diese in eine Änderung ihre elektrischen Widerstands um. Vorzugsweise ist das dehnungsempfindliche Sensorelement 12 ein Dehnungsmessstreifen in Dickschichttechnik.
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Die Steuereinheit bestimmt aus dem von der dritten Empfangsspule 09 gelieferten Drehmomentsignal das auf das Maschinenelement 02 wirkende Drehmoment. Da die in solchen Steuereinheiten üblicherweise genutzten Sensorchips eine automatische gain-Control aufweisen, werden diese bei der Winkelbestimmung nicht auf die Manipulation der Amplitude der induzierten Spannung ansprechen. Es wird lediglich vereinfacht ein Arcustangens gebildet. Lediglich die dritte Empfängerspule 09 detektiert die Änderung des Wirbelstroms, sodass sich daraus das wirkende Drehmoment bestimmen lässt.
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4 zeigt in vereinfachter Draufsicht die Targetplatine 07 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Auf der Targetplatine 07 sind zwei elektrisch leitfähige Abschnitte bzw. Targets 08 als Leiterbahnen in unterschiedlichen Winkelsegmenten der Targetplatine 07 aufgebracht. Die Leiterbahnen, welche die Targets bilden, werden hier nicht aufgetrennt. In dieser Ausführungsform wird eine eigenständig gebildete Targetspule 13 genutzt, die am äußeren Rand der Targetplatine 07 verläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Sensorplatine
- 02
- Maschinenelement
- 03
- Erregerspule
- 04
- erste Empfangsspule
- 05
- zweite Empfangsspule
- 06
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- 07
- Targetplatine
- 08
- elektrisch leitfähiger Abschnitt/ Target
- 09
- dritte Empfangsspule
- 10
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- 11
- elektrische Kontakte
- 12
- dehnungsempfindliches Sensorelement
- 13
- Targetspule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012208492 A1 [0002, 0015]
- EP 2383558 A1 [0003]
- EP 1828722 B1 [0004]
- DE 10121870 A1 [0005]
- DE 19738836 A1 [0006]
- DE 102013225921 A1 [0007]
