DE102021204927A1

DE102021204927A1 - sensor system

Info

Publication number: DE102021204927A1
Application number: DE102021204927.3A
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart; Markus Hinterkausen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2022-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung von mindestens einer physikalischen Betriebsgröße eines Maschinenbauteils (10), umfassend eine Steuervorrichtung (2), eine Sensorvorrichtung (3), welche an dem Maschinenbauteil (10) befestigbar ist und welche zumindest einen Dehnungsmessstreifen (4) aufweist, und eine Auswerteeinheit (5), welche eingerichtet ist, basierend auf Messwerten des Dehnungsmessstreifens (4) die physikalische Betriebsgröße des Maschinenbauteils (10) zu bestimmen, wobei die Sensorvorrichtung (3) einen Radio-Frequenz-Identifikations(RFID)-Transponder bildet, und wobei die Steuervorrichtung (2) eingerichtet ist, mittels Radio-Frequenz-Identifikation (RFID) die Messwerte des Dehnungsmessstreifens (4) und/oder die ermittelte physikalische Betriebsgröße von der Sensorvorrichtung (3) zu empfangen.

The invention relates to a sensor system for detecting at least one physical operating variable of a machine component (10), comprising a control device (2), a sensor device (3) which can be attached to the machine component (10) and which has at least one strain gauge (4), and an evaluation unit (5) which is set up to determine the physical operating variable of the machine component (10) based on measured values of the strain gauge (4), the sensor device (3) forming a radio frequency identification (RFID) transponder, and wherein the control device (2) is set up to receive the measured values of the strain gauge (4) and/or the determined physical operating variable from the sensor device (3) by means of radio frequency identification (RFID).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung von mindestens einer physikalischen Betriebsgröße eines Maschinenbauteils, eine Getriebeanordnung, sowie ein Fahrzeug.The present invention relates to a sensor system for detecting at least one physical operating variable of a machine component, a transmission arrangement, and a vehicle.

Bekannt sind Sensorsysteme zur Erfassung von Drehmomenten einer Welle basierend auf einer induktiven Kopplung zwischen einem feststehenden Steuergerät und einem auf der Welle angebrachten rotierenden Sensor. Die induktive Kopplung macht es erforderlich, dass sich eine Stator-Antenne in geringer Distanz zum Sensor befindet, und sich um die gesamte Welle herum erstreckt. Der Sensor ist mit einer eigenen Rotor-Antenne ausgestattet, die um die ebenfalls um die gesamte Welle gewickelt ist. Das übertragene Signal ist zudem häufig störanfällig. Zudem ist eine Skalierung des Systems, beispielsweise für unterschiedlichen Wellendurchmesser, nicht oder nur schwierig möglich.Sensor systems are known for detecting torques of a shaft based on an inductive coupling between a stationary control device and a rotating sensor mounted on the shaft. Inductive coupling requires a stator antenna to be located close to the sensor and extending around the entire shaft. The sensor is equipped with its own rotor antenna, which is also wrapped around the entire shaft. The transmitted signal is also often susceptible to interference. In addition, scaling the system, for example for different shaft diameters, is not possible or only possible with difficulty.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das erfindungsgemäße Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine besonders einfache und kompakte Konstruktion aus, welche an vielfältigen Maschinenbauteilen verwendet werden kann, insbesondere ohne dass spezielle Maßnahmen zur Dimensionierung erforderlich sind. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Sensorsystem zur Erfassung von mindestens einer physikalischen Betriebsgröße eines Maschinenbauteils, umfassend eine Steuervorrichtung, eine Sensorvorrichtung, und eine Auswerteeinheit. Als physikalische Betriebsgröße werden dabei beliebige physikalische Größen angesehen, welche beim Betrieb von beliebigen Maschinenbauteilen, wie vorzugsweise Wellen oder Zahnrädern, während eines Betriebs wirken. Insbesondere werden als physikalische Betriebsgrößen physikalische Größen angesehen, welche eine mechanische Belastung des Maschinenbauteils angeben. Vorzugsweise ist das Sensorsystem eingerichtet, um Drehmomente und/oder Kräfte, welche am Maschinenbauteil wirken, zu erfassen.In contrast, the sensor system according to the invention with the features of claim 1 is characterized by a particularly simple and compact design, which can be used on a wide variety of machine components, in particular without the need for special measures for dimensioning. According to the invention, this is achieved by a sensor system for detecting at least one physical operating variable of a machine component, comprising a control device, a sensor device and an evaluation unit. In this case, any physical variables which act during operation of any machine components, such as preferably shafts or gear wheels, are regarded as physical operating variables. In particular, physical variables that specify a mechanical load on the machine component are regarded as physical operating variables. The sensor system is preferably set up to detect torques and/or forces acting on the machine component.

Die Sensorvorrichtung ist dabei an dem Maschinenbauteil befestigbar ausgebildet und weist mindestens einen Dehnungsmessstreifen auf. Vorzugsweise ist der Dehnungsmessstreifen in bekannter Weise ausgebildet, das heißt insbesondere in Form eines Metalldrahtes mit mehreren Windungen, wobei der Dehnungsmessstreifen einen elektrischen Widerstand aufweist, der sich bei mechanischer Dehnung ändert. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um basierend auf Messwerten des Dehnungsmessstreifens die zumindest eine physikalische Betriebsgröße des Maschinenbauteils zu ermitteln. Die Sensorvorrichtung ist weiterhin so ausgebildet, um einen Radio-Frequenz-Identifikations(RFID)-Transponder zu bilden. Zudem ist die Steuervorrichtung so eingerichtet, um mittels Radio-Frequenz-Identifikation (RFID) die Messwerte des Dehnungsmessstreifens und/oder die ermittelte physikalische Betriebsgröße von der Sensorvorrichtung zu empfangen.The sensor device is designed so that it can be fastened to the machine component and has at least one strain gauge. The strain gauge is preferably designed in a known manner, that is to say in particular in the form of a metal wire with a plurality of windings, the strain gauge having an electrical resistance which changes when mechanically stretched. The evaluation unit is set up to determine the at least one physical operating variable of the machine component based on measured values of the strain gauge. The sensor device is further configured to form a radio frequency identification (RFID) transponder. In addition, the control device is set up to receive the measured values of the strain gauge and/or the ascertained physical operating variable from the sensor device by means of radio frequency identification (RFID).

Mit anderen Worten weist das Sensorsystem die beiden Komponenten Steuervorrichtung und Sensorvorrichtung auf, welche mittels RFID miteinander kommunizieren können. Die Auswerteeinheit kann bevorzugt entweder in die Steuervorrichtung oder in die Sensorvorrichtung integriert sein. Vorzugsweise werden dabei, wenn die Auswerteeinheit in die Sensorvorrichtung integriert ist, die Messwerte nach der Auswertung durch die Auswerteeinheit, mittels der RFID-Kommunikation an die Steuervorrichtung übermittelt. Alternativ bevorzugt, wenn die Auswerteeinheit in die Steuervorrichtung integriert ist, werden von der Steuervorrichtung die Messwerte des Dehnungsmessstreifens an die Steuervorrichtung übermittelt und anschließend dort von der Auswerteeinheit ausgewertet.In other words, the sensor system has the two components control device and sensor device, which can communicate with one another using RFID. The evaluation unit can preferably be integrated either in the control device or in the sensor device. If the evaluation unit is integrated into the sensor device, the measured values are preferably transmitted to the control device by means of the RFID communication after the evaluation by the evaluation unit. Alternatively, preferably if the evaluation unit is integrated into the control device, the measured values of the strain gauge are transmitted from the control device to the control device and then evaluated there by the evaluation unit.

Das Sensorsystem bietet dabei den Vorteil, dass die Sensorvorrichtung besonders einfach und kostengünstig als RFID-Transponder gebildet ist, welcher flexibel auf jedem Ort auf dem Maschinenbauteil platziert werden kann. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung in Form eines Etiketts ausgebildet sein, welches vorzugsweise Außenabmessungen von wenigen Millimetern oder Zentimetern aufweist und somit einfach und flexibel auf Maschinenbauteilen beliebiger Größen angebracht werden kann. Durch die RFID-Kommunikation kann die Steuervorrichtung flexibel platziert werden. Somit kann das Sensorsystem flexibel für verschiedenste Anwendungen und räumliche Gegebenheiten verwendet werden.The sensor system offers the advantage that the sensor device is formed particularly simply and cost-effectively as an RFID transponder, which can be placed flexibly at any location on the machine component. For example, the sensor device can be designed in the form of a label, which preferably has external dimensions of a few millimeters or centimeters and can therefore be easily and flexibly attached to machine components of any size. The control device can be placed flexibly through the RFID communication. Thus, the sensor system can be used flexibly for a wide variety of applications and spatial conditions.

Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims relate to preferred developments of the invention.

Bevorzugt ist die Steuervorrichtung eingerichtet, die Sensorvorrichtung mittels Radio-Frequenz-Identifikation, also mittels des RFID-Signals, mit elektrischer Energie zu versorgen. Das heißt, die RFID-Kommunikation dient nicht nur zum Datenaustausch, sondern auch, um die Steuervorrichtung mit Energie zu versorgen. Insbesondere wird hierdurch eine Stromversorgung des zumindest einen Dehnungsmessstreifens bereitgestellt. Dadurch kann eine besonders einfache, kostengünstige, kompakte und flexible Anordnung des Sensorsystems bereitgestellt werden. Insbesondere kann dadurch ein besonders vorteilhafter Einsatz ermöglicht werden, wobei die Steuervorrichtung an einem stationären Bauteil, beispielsweise mit gewöhnlicher Energieversorgung der Steuervorrichtung, angeordnet ist, und wobei die Sensorvorrichtung an einem relativ zu dem stationären Bauteil beweglichen, beispielsweise rotierenden Maschinenbauteil befestigt werden kann.The control device is preferably set up to supply the sensor device with electrical energy by means of radio frequency identification, ie by means of the RFID signal. This means that the RFID communication not only serves to exchange data, but also to supply the control device with energy. In particular, this provides a power supply for the at least one strain gauge. As a result, a particularly simple, cost-effective, compact and flexible arrangement of the sensor system can be provided. In particular, a particularly advantageous use can be made possible in this way, with the control device on one stationary component, for example with the usual energy supply of the control device, and wherein the sensor device can be attached to a machine component that is movable, for example rotating, relative to the stationary component.

Besonders bevorzugt weist die Sensorvorrichtung einen Halbleiter-Chip auf, in welchen der zumindest eine Dehnungsmessstreifen integriert ist. Vorzugsweise ist der Halbleiter-Chip als vollintegriertes Halbleiterbauteil ausgebildet, von welchem der Dehnungsmessstreifen ein Teil ist. Durch die Integration kann neben einer besonders kompakten Anordnung eine besonders energiesparende Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, wodurch insbesondere die Versorgung mit elektrischer Energie über die RFID-Kommunikation besonders zuverlässig möglich ist.The sensor device particularly preferably has a semiconductor chip in which the at least one strain gauge is integrated. The semiconductor chip is preferably designed as a fully integrated semiconductor component, of which the strain gauge is a part. As a result of the integration, a particularly energy-saving sensor device can be provided in addition to a particularly compact arrangement, as a result of which the supply of electrical energy via the RFID communication is possible in a particularly reliable manner.

Vorzugsweise weist die Sensorvorrichtung eine Radio-Frequenz-Identifikations (RFID)-Antenne auf, welche ebenfalls in den Halbleiter-Chip der Sensorvorrichtung integriert ist. Dadurch ergeben sich ähnlich dem vorhergehenden Absatz dieselben Vorteile bezüglich Kompaktheit und besonders energiesparenden Betrieb. Alternativ bevorzugt kann die RFID-Antenne in einen separaten Antennen-Halbleiter-Chip integriert sein, wobei der Antennen-Halbleiter-Chip und der Halbleiter-Chip mit dem Dehnungsmessstreifen mittels einer Stack-Technik gestapelt miteinander verbunden und kontaktiert sind. Dadurch kann ein besonders flexibler Aufbau der Sensorvorrichtung bereitgestellt werden.The sensor device preferably has a radio frequency identification (RFID) antenna, which is also integrated into the semiconductor chip of the sensor device. Similar to the previous paragraph, this results in the same advantages in terms of compactness and particularly energy-saving operation. Alternatively, the RFID antenna can preferably be integrated into a separate antenna semiconductor chip, the antenna semiconductor chip and the semiconductor chip with the strain gauge being stacked and connected to one another and contacted using a stack technique. As a result, a particularly flexible construction of the sensor device can be provided.

Weiter bevorzugt ist die Auswerteeinheit in den Halbleiter-Chip der Sensorvorrichtung integriert. Insbesondere kann hierbei eine elektronische Auswertelogik in das vollintegrierte Halbleiterbauteil integriert sein. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn mittels der RFID-Kommunikation direkt die von der Auswerteeinheit ermittelte physikalische Größe an die Steuervorrichtung übermittelt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn nur eine vergleichsweise einfache Auswertelogik zur Auswertung der Messwerte des Dehnungsmessstreifens erforderlich ist. Alternativ bevorzugt ist die Auswerteeinheit in die Steuervorrichtung integriert. In diesem Fall werden bevorzugt die Messwerte des Dehnungsmessstreifens mittels der RFID-Kommunikation an die Steuervorrichtung übermittelt, und die Umrechnungen in die physikalische Größe erst danach durchgeführt. Dies kann besonders vorteilhaft sein bei höheren Anforderungen an die Auswertelogik.More preferably, the evaluation unit is integrated into the semiconductor chip of the sensor device. In particular, an electronic evaluation logic can be integrated into the fully integrated semiconductor component. In this case, it is particularly advantageous if the physical variable determined by the evaluation unit is transmitted directly to the control device by means of the RFID communication. This is particularly advantageous if only a comparatively simple evaluation logic is required to evaluate the measured values of the strain gauge. Alternatively, the evaluation unit is preferably integrated into the control device. In this case, the measured values of the strain gauge are preferably transmitted to the control device by means of the RFID communication, and the conversions into the physical variable are only carried out afterwards. This can be particularly advantageous in the case of higher demands on the evaluation logic.

Bevorzugt weist die Sensorvorrichtung ferner eine Halteschicht auf, auf welcher der Halbleiter-Chip angeordnet ist. Die Halteschicht ist dabei eingerichtet, um auf dem Maschinenbauteil befestigt zu werden. Insbesondere bildet die Halteschicht somit eine mechanische Schnittstelle zwischen dem Halbleiter-Chip und dem Maschinenbauteil. Die Halteschicht ist insbesondere so ausgebildet, um mechanische Dehnungen und/oder Spannungen von dem Maschinenbauteil auf den Halbleiter-Chip, insbesondere auf den Dehnungsmessstreifen, zu übertragen. Für eine besonders zuverlässige und genaue Erfassung weist die Halteschicht bevorzugt eine Dicke von maximal 1 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm, insbesondere maximal 0,3 mm, auf.The sensor device preferably also has a holding layer on which the semiconductor chip is arranged. The holding layer is designed to be attached to the machine component. In particular, the holding layer thus forms a mechanical interface between the semiconductor chip and the machine component. In particular, the holding layer is designed in such a way that mechanical strains and/or stresses are transferred from the machine component to the semiconductor chip, in particular to the strain gauge. For a particularly reliable and accurate detection, the holding layer preferably has a thickness of at most 1 mm, preferably at most 0.5 mm, in particular at most 0.3 mm.

Vorzugsweise umfasst die Sensorvorrichtung eine Wheatstone-Brücke aus mehreren Dehnungsmessstreifen. Dadurch kann zum einen die physikalische Betriebsgröße besonders genau in verschiedensten Richtungen erfasst werden. Zum anderen erlaubt dies eine Kompensation der Dehnung der Dehnungsmessstreifen aufgrund von Temperatureffekten. Das heißt, durch Temperaturänderungen verursachte Dehnungen und/oder Stauchung der Dehnungsmessstreifen können kompensiert werden, wodurch die gewünschte zu erfassende physikalische Betriebsgröße besonders präzise ermittelt werden kann.The sensor device preferably comprises a Wheatstone bridge made up of a number of strain gauges. As a result, on the one hand, the physical operating variable can be recorded particularly precisely in a wide variety of directions. On the other hand, this allows compensation for the expansion of the strain gauges due to temperature effects. This means that expansion and/or compression of the strain gauges caused by temperature changes can be compensated for, as a result of which the desired physical operating variable to be detected can be determined particularly precisely.

Vorzugsweise weist die Sensorvorrichtung ferner einen Inertialsensor auf, welcher eingerichtet ist, mindestens eine weitere physikalische Betriebsgröße des Maschinenbauteils zu erfassen. Insbesondere ist der Inertialsensor eingerichtet, als weitere physikalische Betriebsgröße eine Temperatur und/oder eine Beschleunigung und/oder eine Drehrate des Maschinenbauteils zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensorvorrichtung eingerichtet, die vom Inertialsensor erfasste weitere physikalische Betriebsgröße ebenfalls mittels der RFID-Kommunikation an die Steuervorrichtung zu übermitteln. Beispielsweise kann der Inertialsensor ebenfalls in den Halbleiter-Chip der Sensorvorrichtung integriert sein.The sensor device preferably also has an inertial sensor which is set up to record at least one further physical operating variable of the machine component. In particular, the inertial sensor is set up to detect a temperature and/or an acceleration and/or a yaw rate of the machine component as a further physical operating variable. The sensor device is preferably set up to also transmit the further physical operating variable detected by the inertial sensor to the control device by means of the RFID communication. For example, the inertial sensor can also be integrated into the semiconductor chip of the sensor device.

Weiterhin führt die Erfindung zu einer Getriebeanordnung, welche das beschriebene Sensorsystem umfasst, und welche ferner ein Maschinenbauteil umfasst. Die Sensorvorrichtung des Sensorsystems ist dabei an dem Maschinenbauteil befestigt. Das Maschinenbauteil kann ein beliebiges Bauteil der Getriebeanordnung sein, vorzugsweise ein relativ zu einem Gehäuse der Getriebeanordnung bewegliches, beispielsweise rotierendes, Bauteil. Die Steuervorrichtung des Sensorsystems ist vorzugsweise an einem stationären Teil der Getriebeanordnung, beispielsweise am Gehäuse, befestigt.Furthermore, the invention leads to a transmission arrangement which includes the sensor system described and which also includes a machine component. The sensor device of the sensor system is attached to the machine component. The machine component can be any component of the gear arrangement, preferably a component that is movable, for example rotating, relative to a housing of the gear arrangement. The control device of the sensor system is preferably attached to a stationary part of the transmission arrangement, for example to the housing.

Besonders bevorzugt ist das Maschinenbauteil eine Welle. Das Sensorsystem ist dabei eingerichtet, als physikalische Betriebsgröße ein Drehmoment, welches auf die Welle wirkt, zu erfassen. Insbesondere ist die Sensorvorrichtung des Sensorsystems dabei unmittelbar auf einem Umfang der Welle befestigt. Der Einsatz des Sensorsystems zur Erfassung des Drehmoments einer Welle ist besonders vorteilhaft, da eine solche Welle ein rotierendes Bauteil, welches relativ zu anderen Bauteilen rotiert. Durch die spezielle Befestigbarkeit alleine der Sensorvorrichtung an der Welle und die RFID-Kommunikation zwischen Steuervorrichtung und Sensorvorrichtung, kann ein besonders flexibles und für verschiedenste Größendimensionen der Getriebeanordnung geeignetes System zur Erfassung des Drehmoments bereitgestellt werden.The machine component is particularly preferably a shaft. The sensor system is set up to detect a torque acting on the shaft as a physical operating variable. In particular, the sensor device is the sensor systems attached directly to a circumference of the shaft. The use of the sensor system for detecting the torque of a shaft is particularly advantageous since such a shaft is a rotating component which rotates relative to other components. Due to the special fixability of the sensor device alone on the shaft and the RFID communication between the control device and the sensor device, a particularly flexible system for detecting the torque can be provided, which is suitable for a wide variety of size dimensions of the transmission arrangement.

Vorzugsweise weist die Sensorvorrichtung eine Wheatstone-Brücke aus mehreren Dehnungsmessstreifen auf. Die Wheatstone-Brücke ist dabei so auf der Welle ausgerichtet, um eine durch Torsion der Welle verursachte Dehnung und/oder Stauchung der Welle zu erfassen, um dadurch das Drehmoment, welches auf die Welle wirkt, mittels der Dehnungsmessstreifen zu erfassen.The sensor device preferably has a Wheatstone bridge made up of a number of strain gauges. In this case, the Wheatstone bridge is aligned on the shaft in order to detect an expansion and/or compression of the shaft caused by torsion of the shaft in order to thereby detect the torque which acts on the shaft by means of the strain gauges.

Besonders bevorzugt ist die Wheatstone-Brücke aus den mehreren Dehnungsmessstreifen so auf der Welle ausgerichtet, dass eine Diagonale der Wheatstone-Brücke parallel zu einer Achse der Welle ist. Dadurch kann die Dehnung und/oder Stauchung und damit auch das Drehmoment der Welle sehr präzise richtungs- und amplitudenselektiv gemessen werden.Particularly preferably, the Wheatstone bridge made up of the multiple strain gauges is aligned on the shaft in such a way that a diagonal of the Wheatstone bridge is parallel to an axis of the shaft. As a result, the expansion and/or compression and thus also the torque of the shaft can be measured very precisely in terms of direction and amplitude.

Weiter bevorzugt ist das Maschinenbauteil ein Zahnrad der Getriebeanordnung. Das Sensorsystem ist dabei eingerichtet, eine Kraft, welche zumindest auf einen Teil des Zahnrads, vorzugsweise auf einen Zahn, wirkt, zu erfassen. Das Sensorsystem mit der RFID-Kommunikation ist dabei auch beim Einsatz an einem Zahnrad besonders vorteilhaft, da es sich hierbei, wie bei der Welle, um ein rotierendes Bauteil handelt.More preferably, the machine component is a gear wheel of the transmission arrangement. The sensor system is set up to detect a force which acts on at least part of the gear wheel, preferably on a tooth. The sensor system with the RFID communication is also particularly advantageous when used on a gear wheel, since, like the shaft, it is a rotating component.

Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung mittels einer Klebeverbindung und/oder mittels einer Lötverbindung und/oder mittels einer Pressverbindung an dem Maschinenbauteil befestigt. Je nach zu erwartenden mechanischen Belastungen kann dabei die Art der Verbindung entsprechend gewählt werden, um bei kostengünstiger Herstellung eine zuverlässige und präzise Übertragung der physikalischen Betriebsgrößen vom Maschinenbauteil auf den zumindest einen Dehnungsmessstreifen zu ermöglichen. Beispielsweise eignet sich eine Lötverbindung dabei für besonders hoch belastete Maschinenbauteile, da die Lötverbindung beispielsweise eine Scherfestigkeit etwa bis zu 40 N/mm² ermöglicht. Mit einer Klebeverbindung, beispielsweise mit einem Epoxid-, Silikon- , und/oder einem Acrylharzkleber, kann insbesondere eine Scherfestigkeit etwa bis zu 20 N/mm² erreicht werden. Bei Anwendungen mit geringerer mechanischer Belastung kann weiterhin eine Pressverbindung, welche beispielsweise durch ein Klemmen der Sensorvorrichtung an das Maschinenbauteil, zum Beispiel mittels einer Feder und/oder einer Schraube, ermöglicht werden kann, verwendet werden, wobei dies besonders vorteilhaft bei rauen Oberflächen des Maschinenbauteils ist. In jedem Fall sorgt die entsprechende Befestigung der Sensorvorrichtung am Maschinenbauteil für eine zuverlässige Übertragung beispielsweise der mechanischen Dehnungen und/oder Stauchungen zum Dehnungsmessstreifen, um mittels diesem die physikalische Betriebsgröße ermitteln zu können.The sensor device is preferably attached to the machine component by means of an adhesive connection and/or by means of a soldered connection and/or by means of a press connection. Depending on the mechanical loads to be expected, the type of connection can be selected accordingly in order to enable reliable and precise transmission of the physical operating variables from the machine component to the at least one strain gauge with cost-effective production. For example, a soldered connection is suitable for machine components that are subject to particularly high loads, since the soldered connection enables a shear strength of up to about 40 N/mm ² , for example. With an adhesive connection, for example with an epoxy, silicone, and/or an acrylic resin adhesive, a shear strength of up to about 20 N/mm ² can be achieved in particular. In applications with lower mechanical loads, a press connection can also be used, which can be made possible, for example, by clamping the sensor device to the machine component, for example by means of a spring and/or a screw, with this being particularly advantageous for rough surfaces of the machine component . In any case, the appropriate attachment of the sensor device to the machine component ensures a reliable transmission, for example, of the mechanical expansion and/or compression to the strain gauge, in order to be able to use this to determine the physical operating variable.

Weiterhin führt die Erfindung zu einem Fahrzeug, vorzugsweise einem mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betreibbaren Fahrzeug, besonders bevorzugt einem Elektrofahrrad, welches die beschriebene Getriebeanordnung umfasst. Besonders bevorzugt eignet sich das Sensorsystem zum Einsatz an einem Antrieb eines Elektrofahrrads, um insbesondere ein Drehmoment des Antriebs zu überwachen.Furthermore, the invention leads to a vehicle, preferably a vehicle that can be operated with muscle power and/or motor power, particularly preferably an electric bicycle, which includes the described transmission arrangement. The sensor system is particularly preferably suitable for use on a drive of an electric bicycle, in order in particular to monitor a torque of the drive.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:

1 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Getriebeanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Detail-Ansicht der Getriebeanordnung der 1, und
3 eine Detail-Schnittansicht der Getriebeanordnung der 1.

The invention is described below using an exemplary embodiment in conjunction with the figures. In the figures, components that are functionally the same are each identified by the same reference symbols. It shows:

1 a simplified schematic view of a transmission arrangement according to a preferred embodiment of the invention,
2 a detailed view of the gear assembly of 1 , and
3 a detailed sectional view of the transmission arrangement 1 .

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred Embodiments of the Invention

Die 1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Getriebeanordnung 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In den 2 und 3 sind Detailansichten der Getriebeanordnung 100 der 1 dargestellt.the 1 12 shows a simplified schematic view of a transmission assembly 100 according to a preferred embodiment of the invention. In the 2 and 3 10 are detailed views of transmission assembly 100 of FIG 1 shown.

Bevorzugt ist die Getriebeanordnung 100 Teil eines (nicht dargestellten) Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrrads.The transmission arrangement 100 is preferably part of a drive (not shown) of a vehicle, in particular an electric bicycle.

Die Getriebeanordnung 100 weist ein Maschinenbauteil 10, welches eine Welle ist, die zur Übertragung eines Drehmoments vorgesehen ist, auf. Ferner weist die Getriebeanordnung 100 ein Sensorsystem 1 auf, mittels welchem zumindest eine physikalische Betriebsgröße der Welle 10 ermittelt werden kann.The transmission arrangement 100 has a machine component 10, which is a shaft that is provided for the transmission of a torque. Furthermore, the transmission arrangement 100 has a sensor system 1, by means of which at least one physical operating variable of the shaft 10 can be determined.

Im Detail kann mittels des Sensorsystems 1 als physikalische Betriebsgröße ein Drehmoment 15, welches an der Welle 10 wirkt, ermittelt werden. Hierfür umfasst das Sensorsystem 1 eine Steuervorrichtung 2 und eine Sensorvorrichtung 3. Die Sensorvorrichtung 3 bildet dabei einen Radio-Frequenz-Identifikations(RFID)-Transponder und ist auf einem Außenumfang 17 der Welle 10 befestigt.In detail, using the sensor system 1 as a physical operating variable, a torque 15, which acts on the shaft 10 can be determined. For this purpose, the sensor system 1 includes a control device 2 and a sensor device 3 . The sensor device 3 forms a radio frequency identification (RFID) transponder and is attached to an outer circumference 17 of the shaft 10 .

Die Sensorvorrichtung 3 weist zum Ermitteln des Drehmoments 15 der Welle 10 mehrere Dehnungsmessstreifen 4 und eine Auswerteeinheit 5 auf, wobei die Auswerteeinheit 5 eingerichtet ist, basierend auf Messwerten der Dehnungsmessstreifen 4 das Drehmoment 15 an der Welle 10 zu ermitteln.To determine the torque 15 of the shaft 10 , the sensor device 3 has a plurality of strain gauges 4 and an evaluation unit 5 , the evaluation unit 5 being set up to determine the torque 15 on the shaft 10 based on measured values of the strain gauges 4 .

Der genauere Aufbau der Sensorvorrichtung 3, welcher das Ermitteln des Drehmoments 15 der Welle 10 ermöglicht, wird nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben.The more precise structure of the sensor device 3, which enables the determination of the torque 15 of the shaft 10, is described below with reference to FIG 2 and 3 described.

Die Sensorvorrichtung 3 weist insgesamt vier Dehnungsmessstreifen 4 auf, welche zusammen eine Wheatstone-Brücke 40 bilden. Dies erlaubt eine Kompensation der Dehnung der Dehnungsmessstreifen 4 aufgrund von Temperatureffekten, und damit eine besonders genaue Bestimmung des Drehmoments 15.The sensor device 3 has a total of four strain gauges 4 which together form a Wheatstone bridge 40 . This allows compensation for the elongation of the strain gauges 4 due to temperature effects, and thus a particularly accurate determination of the torque 15.

Durch eine entsprechende Ausrichtung der Dehnungsmessstreifen 4 können hierbei Dehnungen und Stauchungen der Welle 10, welche durch Torsion der Welle 10 verursacht werden, mittels der Dehnungsmessstreifen 4 erfasst werden, wie in der 2 mittels der gekennzeichneten Spannungen σ angedeutet. Dies wird ermöglicht durch eine entsprechende Ausrichtung der Wheatstone-Brücke 40 so, dass eine Diagonale 45 der Wheatstone-Brücke 40 parallel zu einer Achse 11 der Welle 10 ist. Dadurch kann über die Dehnung der Dehnungsmesstreifen 4 das momentan auf die Welle 10 wirkende Drehmoment 15 ermittelt werden. Zur technischen Umsetzung der Erfassung mittels der Dehnungsmessstreifen 4 kann die Sensorvorrichtung 3 ferner (nicht in den Figuren dargestellte) Mittel zur Stromversorgung sowie zur Spannungsmessung und Strommessung aufweisen.By appropriately aligning the strain gauges 4, expansion and compression of the shaft 10, which are caused by torsion of the shaft 10, can be detected by means of the strain gauges 4, as shown in FIG 2 indicated by the marked stresses σ. This is made possible by appropriately aligning the Wheatstone bridge 40 such that a diagonal 45 of the Wheatstone bridge 40 is parallel to an axis 11 of the shaft 10 . As a result, the torque 15 currently acting on the shaft 10 can be determined via the elongation of the strain gauges 4 . For the technical implementation of the detection by means of the strain gauges 4, the sensor device 3 can also have means (not shown in the figures) for power supply and for voltage measurement and current measurement.

Ferner weist die Sensorvorrichtung 3 eine RFID-Antenne 6 auf, um mittels Radio-Frequenz-Identifikation (RFID) mit der Steuervorrichtung 2 kommunizieren zu können. Dadurch wird eine drahtlose Kommunikation der Sensorvorrichtung 3 und Steuervorrichtung 2 miteinander ermöglicht, wodurch das Drehmoment 15 der Welle 10 aus der Ferne überwacht werden kann. Das heißt, die Steuervorrichtung 2 kann unabhängig von Welle 10 und Sensorvorrichtung 3 angeordnet werden, um den empfangenen Wert für das Drehmoment 15 weiter verarbeiten zu können.Furthermore, the sensor device 3 has an RFID antenna 6 in order to be able to communicate with the control device 2 by means of radio frequency identification (RFID). This enables wireless communication between the sensor device 3 and the control device 2 with one another, as a result of which the torque 15 of the shaft 10 can be monitored remotely. This means that the control device 2 can be arranged independently of the shaft 10 and sensor device 3 in order to be able to further process the value received for the torque 15 .

Durch die Verwendung der RFID-Kommunikation kann neben dem Übermitteln des von der Auswerteeinheit 5 ermittelten Drehmoments 15 an die Steuervorrichtung 2 auch ermöglicht werden, dass die Sensorvorrichtung 3 von der Steuervorrichtung 2 über RFID mit elektrischer Energie versorgt wird. Dadurch kann das Sensorsystem 1 besonders einfach, kostengünstig und flexibel anwendbar ausgebildet werden. Die spezielle, nachfolgend beschriebene Konstruktion der Sensorvorrichtung 3 ermöglicht es dabei, dass ein besonders niedriger Energiebedarf der Sensorvorrichtung 3 erreicht wird, wodurch zuverlässig sichergestellt wird, dass die Möglichkeit der Versorgung mit elektrischer Energie über die RFID-Kommunikation in flexiblen Anwendungen möglich ist.In addition to transmitting the torque 15 determined by the evaluation unit 5 to the control device 2 , the use of RFID communication also makes it possible for the sensor device 3 to be supplied with electrical energy by the control device 2 via RFID. As a result, the sensor system 1 can be implemented in a particularly simple, cost-effective and flexible manner. The special construction of the sensor device 3 described below enables a particularly low energy requirement of the sensor device 3 to be achieved, which reliably ensures that the possibility of supplying electrical energy via RFID communication is possible in flexible applications.

Die Sensorvorrichtung 3 weist hierbei einen Halbleiter-Chip 30 auf, in welchen die Wheatstone-Brücke 40 mit den Dehnungsmessstreifen 4 sowie die Auswerteeinheit 5 integriert sind (vgl. 3). Der Halbleiter-Chip 30 bildet somit ein vollintegriertes Halbleiterbauteil, in welchem in einer gemeinsamen Schicht sowohl die Dehnungsmessstreifen 4 als auch die Auswerteeinheit 5 integriert sind, wodurch eine besonders kompakte Konstruktion und ein energiesparender Betrieb der Sensorvorrichtung 3 möglich ist.The sensor device 3 has a semiconductor chip 30 in which the Wheatstone bridge 40 with the strain gauges 4 and the evaluation unit 5 are integrated (cf. 3 ). The semiconductor chip 30 thus forms a fully integrated semiconductor component in which both the strain gauges 4 and the evaluation unit 5 are integrated in a common layer, as a result of which a particularly compact construction and energy-saving operation of the sensor device 3 is possible.

Der Halbleiter-Chip 30 ist dabei auf einer Halteschicht 7, welche vorzugsweise aus einem Silizium-Substrat gebildet ist, angeordnet. Die Halteschicht 7 weist eine, vorzugsweise gleichmäßige, Dicke 31 von maximal 0,3 mm auf, um eine genaue Übertragung der Dehnungen und Spannungen von der Welle 10 an die Dehnungsmessstreifen 4 zu ermöglichen.The semiconductor chip 30 is arranged on a holding layer 7, which is preferably formed from a silicon substrate. The holding layer 7 has a preferably uniform thickness 31 of at most 0.3 mm in order to enable the strains and stresses from the shaft 10 to be transmitted precisely to the strain gauges 4 .

Mittels der Halteschicht 7 erfolgt zudem die Befestigung der Sensorvorrichtung 3 an der Welle 10. Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt dies mittels einer Klebeverbindung 9 in Form einer dünnen Klebeschicht zwischen der Halteschicht 7 und der Welle 10. Alternativ kann je nach Anforderungen an die Scherfestigkeit der Verbindung, beispielsweise in Abhängigkeit einer Höhe des Drehmoments 15 in der Anwendung, anstatt der Klebeverbindung 9 eine Lötverbindung oder eine Pressverbindung verwendet werden.The sensor device 3 is also attached to the shaft 10 by means of the holding layer 7. In the preferred exemplary embodiment shown, this is done by means of an adhesive connection 9 in the form of a thin adhesive layer between the holding layer 7 and the shaft 10. Alternatively, depending on the requirements for the shear strength of the connection , For example depending on a level of torque 15 in the application, instead of the adhesive connection 9, a soldered connection or a press connection can be used.

Die RFID-Antenne 6 umgibt im gezeigten Ausführungsbeispiel den Halbleiter-Chip 30 und ist auf einer oberen Ebene 35 über dem Halbleiter-Chip 30 angeordnet. Dies kann beispielsweise eine Zuverlässigkeit der RFID-Übertragung verbessern, um auch größere Distanzen zwischen Steuervorrichtung 2 und Sensorvorrichtung 3 überbrücken zu können. Alternativ ist es besonders vorteilhaft, die RFID-Antenne 6 ebenfalls direkt in den Halbleiter-Chip 30 zu integrieren, wodurch eine besonders kompakte Anordnung und ein besonders energiesparender Betrieb der Sensorvorrichtung 3 ermöglicht werden kann.In the exemplary embodiment shown, the RFID antenna 6 surrounds the semiconductor chip 30 and is arranged on an upper level 35 above the semiconductor chip 30 . This can, for example, improve the reliability of the RFID transmission in order to also be able to bridge greater distances between control device 2 and sensor device 3 . Alternatively, it is particularly advantageous to also integrate the RFID antenna 6 directly into the semiconductor chip 30, resulting in a particularly compact Arrangement and a particularly energy-saving operation of the sensor device 3 can be made possible.

Claims

Sensor system for detecting at least one physical operating variable of a machine component (10), comprising: - a control device (2), - a sensor device (3) which can be fastened to the machine component (10) and which has at least one strain gauge (4), and - an evaluation unit (5), which is set up to determine the physical operating variable of the machine component (10) based on measured values of the strain gauge (4), - wherein the sensor device (3) forms a radio frequency identification (RFID) transponder, and - wherein the control device (2) is set up to receive the measured values of the strain gauge (4) and/or the determined physical operating variable from the sensor device (3) by means of radio frequency identification (RFID).

sensor system claim 1 , wherein the control device (2) is set up to supply the sensor device (3) with electrical energy by means of radio frequency identification (RFID).

Sensor system according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (3) has a semiconductor chip (30) in which the strain gauge (4) is integrated.

sensor system claim 3 , wherein the sensor device (3) has a radio frequency identification (RFID) antenna (6) which is integrated into the semiconductor chip (30) of the sensor device (3), or which is integrated into a separate antenna semiconductor chip is integrated, which is stacked with the semiconductor chip (30).

Sensor system according to one of claims 3 or 4 , wherein the evaluation unit (5) is integrated into the semiconductor chip (30) of the sensor device (3), or wherein the evaluation unit (5) is integrated into the control device (2).

Sensor system according to one of claims 3 until 5 , wherein the sensor device (3) has a retaining layer (7) on which the semiconductor chip (30) is arranged, and wherein the retaining layer (7) is set up for attachment to the machine component (10), in particular wherein the retaining layer ( 7) has a thickness of at most 1 mm, preferably at most 0.5 mm, particularly preferably at most 0.3 mm.

Sensor system according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (3) comprises a Wheatstone bridge (40) of a plurality of strain gauges (4).

Sensor system according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (3) also has an inertial sensor (8) which is set up to detect at least one further physical operating variable, in particular a temperature and/or an acceleration and/or a yaw rate, of the machine component (10) capture.

Transmission assembly (100) comprising: - A sensor system (1) according to any one of the preceding claims, and - A machine component (10), wherein the sensor device (3) of the sensor system (1) is attached to the machine component (10).

Gear arrangement according to claim 9 , wherein the machine component (10) is a shaft, and wherein the sensor system (1) is set up to detect a torque (15), which acts on the shaft, as a physical operating variable.

Gear arrangement according to claim 10 , wherein the sensor device (3) comprises a Wheatstone bridge (40) of a plurality of strain gauges (4), and wherein the Wheatstone bridge (40) is aligned on the shaft (10) to a strain caused by torsion and / or To detect compression of the shaft (10) to determine the torque (15).

Gear arrangement according to claim 11 , wherein a diagonal (45) of the Wheatstone bridge (40) is parallel to an axis (11) of the shaft (10).

Gear arrangement according to claim 9 , wherein the machine component (10) is a gear, and wherein the sensor system (1) is set up to detect a force which acts on at least part of the gear.

Transmission arrangement according to one of claims 9 until 13 , wherein the sensor device (3) is attached to the machine component (10) by means of an adhesive connection (9) and/or by means of a soldered connection and/or by means of a press connection.

Vehicle, in particular a vehicle that can be operated with muscle power and/or engine power, preferably an electric bicycle, comprising a gear arrangement (100) according to one of the claims 9 until 14 .