DE10240049A1

DE10240049A1 - Drehmomentsensor

Info

Publication number: DE10240049A1
Application number: DE10240049A
Authority: DE
Inventors: John Laidlaw
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: US20030037622A1; DE10240049B4; US6701792B2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Drehmomentsensor zur Messung eines an einer Welle angreifenden Drehmoments, wobei die Welle in zwei Teilwellen geteilt ist, nämlich in eine erste Welle (12) und eine zweite Welle (14), und zwischen der ersten Welle (12) und der zweiten Welle (14) eine Torsionsfeder (16) angeordnet ist, die die erste Welle (12) und die zweite Welle (14) drehelastisch miteinander verbindet. Dabei ist auf der ersten Welle (12) eine Buchse (18) angeordnet, die mit der ersten Welle (12) drehfest verbunden ist, wobei die Buchse (18) zumindest einen Magneten (20) trägt. Auf der zweiten Welle ist der Stator (28) einer Sensor-Stator-Anordnung (22) angeordnet, der mit der zweiten Welle (14) drehfest verbunden ist. Dabei weist der Stator (28) zwei Pole (30, 32) auf, die sich zumindest über den Magneten (20) erstrecken und einen Zwischenraum (36) ausbilden. Dabei hängt der vom Magneten (20) im Zwischenraum (36) erzeugte magnetische Fluss von der Drehwinkellage zwischen Stator (28) und Buchse (18) ab. im Zwischenraum (36) ist ein magnetfeldempfindlicher Sensor (38) angeordnet, der auf den magnetischen Fluss im Zwischenraum (36) sensitiv ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor zur Messung der relativen Drehbewegung zwischen zwei miteinander verbundenen Wellen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Drehmomentsensor zur Erfassung der Geschwindigkeit der Drehbewegung der Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs zum Einbau in eine elektrische Servolenkung.
Viele moderne Kraftfahrzeuge verfügen über eine Servolenkung. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlich unterstützte Lenkungen bekannt, so z. B. Hydraulik-unterstützte Systeme sowie Systeme, die elektrische Motoren einsetzen, um die Lenkung zu unterstützen. Die Wirkung bleibt, unabhängig vom Betriebsprinzip, die gleiche: Das Lenken des Fahrzeugs durch den Fahrer wird aufgrund des zur Lenkung benötigten niedrigeren Drehmoments erleichtert.
Bislang wurden in Kraftfahrzeugen vornehmlich hydraulische Servolenkungen eingesetzt. Es hat sich jedoch als technisch schwierig herausgestellt, die Komponenten der Hydraulik so auszuführen sind, dass sie unter allen Betriebsbedingungen den Lenkungsanforderungen genügen.
Hingegen sind elektrische Servolenkungen (Electric Power Assisted Steering, EPAS) deutlich leistungsfähiger. In diesem technischen Gebiet findet eine sehr schnelle Entwicklung statt. In diesen Servolenkungen liefert ein elektrischer Motor an eine Welle oder an eine Lenkungszahnstange eine unterstützende Kraft, mit deren Hilfe der Lenkeinschlag der Räder des Fahrzeugs verändert wird. Das EPAS verringert, genauso wie eine hydraulische Lenkung, das zur Lenkung des Fahrzeugs benötigte Eingangsdrehmoment.
Ein Problem im Zusammenhang mit einer breiteren Einführung elektrisch unterstützter Lenkungssysteme besteht darin, die Bauteile elektrischen der EPAS-Lenkung in dem Bauraum unterzubringen, der typischerweise durch die herkömmlichen Bauteile der hydraulischen Servolenkung eingenommen wird. So weisen die aus dem Stand der Technik vorbekannten elektrischen Drehmomentsensoren zur Erfassung der Drehbewegung der Lenksäule bislang einen hohen Bauraum auf, so dass sie nicht ohne weiteres in bestehende Lenkungssysteme integriert werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen elektrischen Drehmomentsensor zur Erfassung der Drehbewegung einer Lenkwelle anzugeben, dessen Bauraum gegen über vorbekannten Sensoren verringert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Drehmomentsensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Ein solcher Drehmomentsensor ist zur Messung eines an einer Welle angreifenden Drehmoments vorgesehen, wobei die Welle in zwei Teilwellen geteilt ist, nämlich in eine erste Welle und eine zweite Welle. Zwischen der ersten und der zweiten Welle ist eine Torsionsfeder angeordnet ist, die die erste und die zweite Welle drehelastisch miteinander verbindet. Auf der ersten Welle ist eine Buchse angeordnet, die mit der ersten Welle drehfest verbunden ist. Dabei trägt die Buchse zumindest einen Magneten. Auf der zweiten Welle ist der Stator einer Sensor-Stator-Anordnung angeordnet, der mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist. Dabei weist der Stator zwei Pole auf, die sich zumindest über dem Magneten erstrecken. Zwischen den Polen ist ein Zwischenraum ausgebildet, in dem sich ein vom Magneten erzeugter magnetischer Fluss ergibt, dessen Stärke und Richtung von der Drehwinkellage zwischen Stator und Buchse abhängt. Zur Erfassung dieses magnetischen Flusses ist im Zwischenraum zumindest ein magnetfeldempfindlicher Sensor angeordnet ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Drehwinkelbegrenzung zwischen den Teilwellen vorgesehen, die den Drehwinkel einer relativen Drehbewegung der Teilwellen zueinander begrenzt. Diese Drehwinkelbegrenzung kann beispielsweise eine Ausnehmung in einer Teilwelle und einen Vorsprung in der anderen Teilwelle umfassen, wobei der Vorsprung in die Ausnehmung eingreift.
Besondere Vorteile bezüglich des Bauraums des Drehmomentsensors ergeben sich, wenn die Buchse so angeordnet ist, dass sie die Ausnehmung in der einen Teilwelle oder den Vorsprung der anderen Teilwelle in Längsrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig überdeckt. Weiterhin ist der Außendurchmesser der Buchse bevorzugt nicht größer ist als der Durchmesser der beiden Teilwellen.
Eine besonders hohe Signalstärke ergibt sich, wenn die Pole des Stators jeweils einen Satz Finger aufweisen, die ineinander eingreifen und alternierend auf dem Innenumfang des Stators verteilt sind. Dabei weisen die Finger des ersten Satzes und des zweiten Satzes bevorzugt Bereiche auf, die im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Teilwellen orientiert sind. Insbesondere sind auf der Buchse so viele Magnete vorgesehen sind wie die Pole jeweils Finger aufweisen.
Eine besonders hohe Fehlertoleranz des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors lässt sich erreichen, wenn innerhalb des Zwischenraums zwei Sensoren in einem bekannten Phasenwinkel zueinander angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung insgesamt sieht einen Drehmomentsensor vor, der Bauteile aufweist, die in optimaler Weise dafür ausgelegt sind, den in Kraftfahrzeugen typischen Unterbringungsanforderungen zu genügen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Drehmomentsensor eine erste und eine zweite Welle. Die erste Welle bildet einen Vorsprung aus und die zweite Welle, eine Ausnehmung. Die Ausnehmung ist so ausgeführt, dass sie den Vorsprung aufnimmt und diesem einen eingeschränkten Freiheitsgrad in seiner Drehbewegung gewährt. Eine Torsionsfeder verbindet die erste und die zweite Welle miteinander und ermöglicht die Drehbewegung der Wellen zueinander. Um die Torsionsfeder ist eine Buchse angeordnet, die reibschlüssig mit dem Vorsprung verbunden ist. Eine Vielzahl an Magneten ist auf dem Umfang der Buchse angeordnet. Eine Statoranordnung ist fest an der zweiten Welle montiert und umfasst einen ersten und einen zweiten Pol. Ein Sensor oder mehrere sind im Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Pol angeordnet. In dem Zwischenraum und auf der ersten und zweiten Seite des Sensors können Schutzplatten angeordnet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie dien nun folgenden Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:
Fig. 1 einen Drehmomentsensor in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 eine Darstellung der Einzelteile des in Fig. 1 dargestellten Drehmomentsensors,
Fig. 3 eine in einem Drehmomentsensor verwendete Stator- und Sensoranordnung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine in einem Drehmomentsensor verwendete Stator- und Sensoranordnung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 5 eine in einem Drehmomentsensor verwendete Stator- und Sensoranordnung nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen werden Beispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die hier erläuterten Ausführungsformen sind rein beispielhaft und stellen in keiner Weise eine Einschränkung der Erfindung dar. Die Beschreibung dieser bevorzugten Ausführungsformen dient dazu, einem Fachmann die Herstellung und Verwendung der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen insgesamt mit 10 bezeichneten Drehmomentsensor in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine erste 12 und eine zweite Welle 14, einen Torsionsstab 16, eine Buchse 18, mindestens einen Magneten 20 und eine Sensor-Statoranordnung 22.
Wie eingangs ausgeführt ist der Sensor 10 besonders dafür geeignet, in ein EPAS eingesetzt zu werden. Somit stellt die Welle insgesamt beispielsweise eine Lenkwelle dar, wobei eine erste (Teil-)Welle 12 in einer bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise eine Eingangswelle dar, die mit einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist. In ähnlicher Weise stellt die zweite (Teil-)Welle 14 eine Ritzelwelle dar, die mit einem mit einer Lenkungszahnstange oder einer anderen geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einer Kugelumlaufvorrichtung, in Eingriff stehenden Ritzel verbindbar ist. Der Fachmann wird natürlich sofort erkennen, dass die erste und die zweite Welle, die hier beschrieben wurden, gegeneinander ausgetauscht werden können.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, bildet die erste Welle 12 an einem der zweiten Welle 14 gegenüberliegenden Ende einen Vorsprung 24 aus. Die zweite Welle 14 bildet eine Ausnehmung 26 aus. Der Vorsprung 24 ist in der Ausnehmung 26 aufnehmbar. Vorzugsweise ermöglicht die Ausnehmung 26 im fertig montierten Sensor 10 eine eingeschränkte Drehbewegung des Vorsprungs 24 in der Ausnehmung 26. Diese eingeschränkte Beweglichkeit begrenzt die Relativbewegung der Wellen 12, 14 zueinander.
Der als Torsionsfeder wirkende Torsionsstab 16 ist zwischen der ersten 12 und der zweiten 14 Welle positioniert und verbindet die Wellen 12, 14 drehelastisch miteinander, wobei der Torsionsstab 16 dergestalt ausgebildet ist, dass er eine relative Drehbewegung der ersten 12 und der zweiten 14 Welle zueinander ermöglicht.
Wird nur ein geringes Drehmoment an erste Welle 12 angelegt, so führt dieses Drehmoment zu einer begrenzten Verdrehung des Torsionsstabes 16, über den das Drehmoment auf die zweite Welle 14 übertragen wird. Überschreitet das Drehmoment an der ersten Welle 12 jedoch eine bestimmte Schwelle, so ergibt sich eine so große Verdrehung des Torsionsstabes 16, dass der Vorsprung 24 der ersten Welle 12 an den Seitenwänden der Ausnehmung 26 der zweiten Welle 14 anschlägt. In diesem Moment ergibt sich eine starre mechanische Verbindung zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 14.
Die Verdrehung des Torsionsstabes 16 und damit der ersten und der zweiten Welle 12, 14 ist somit ein direktes Maß für das antreibende Drehmoment, d. h. für die Geschwindigkeit der Drehbewegung des Lenkrads, mit der der Fahrer eine Änderung des Lenkwinkels der gelenkten Räder seines Kraftfahrzeugs anfordert.
Die Geschwindigkeit der Drehbewegung, d. h. das an das Lenkrad angelegte Drehmoment, kann als Stellgröße für die Bestimmung der erforderlichen Stärke der motorischen Unterstützung des EPAS verwendet werden. Im Rahmen der beschriebenen Konstruktion ist die sich ergebende Verdrehung des Torsionsstabes 16 ein Maß für das Drehmoment, wobei sich diese Verdrehung unmittelbar in einer relativen Drehbewegung der ersten und der zweiten Welle 12, 14 wiederspiegelt.
Der erfindungsgemäße Sensor 10 ist dazu vorgesehen, eine relative Drehbewegung der ersten zur zweiten Welle 12, 14 zu erfassen. Bevor sich ein Anschlagen des Vorsprungs 24 in der Ausnehmung ergibt, ist somit das Signal eines Sensors, der eine relative Drehbewegung der ersten Welle zur zweiten Welle 12, 14 erfasst, auch ein Maß für das an die erste Welle 12 angelegten Drehmoments, so dass der Sensor 10 auch als Drehmomentsensor angesehen werden kann.
Ausnehmung 26 und Vorsprungs 24 sowie die Verdrehsteifigkeit des Torsionsstabes 16 sind so aneinander angepasst, dass sich ein ausreichender Verdrehbereich des Torsionsstabes 16 vor dem mechanischen Anschlagen des Vorsprungs 24 in der Ausnehmung 26 ergibt, um eine feinfühlige und über einen weiten Bereich reichende Erfassung des antreibenden Drehmoments zu ermöglichen.
Vorzugsweise ermöglicht die Ausnehmung 26 die Drehung des Vorsprungs 24 um maximal sechs Grad und mindestens zwei Grad ausgehend von einer zentralen Nulllage innerhalb der Ausnehmung 26. Bevorzugt ist es, wenn die Ausnehmung 26 die Drehung des Vorsprungs 24 um etwa ± vier Grad ausgehend von der zentralen Nulllage ermöglicht.
Auf dem Umfang des Torsionsstabes 16 ist eine Buchse 18 angeordnet, die mit einer der beiden Wellen 12, 14 mechanisch fest verbunden ist. So ist die Buchse 18 in einer bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise reibschlüssig mit einer der Wellen 12, 14 verbunden, so dass die Buchse 18 mit dieser Welle 12, 14 dreht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Buchse 18 vorzugsweise reibschlüssig mit dem Vorsprung 24 der ersten Welle 12 verbunden. Für diese Verbindung kann jede geeignete reibschlüssige Verbindung verwendet werden, vorzugsweise ist die Buchse 18 vorzugsweise auf den Vorsprung 24 aufgepresst.
Dabei ist der Innendurchmesser der Buchse 18 so bemessen, dass sich das die Ausnehmung 26 ausbildende Ende der zweiten Welle 14 frei oder mit minimaler Reibung innerhalb der Buchse 18 drehen kann. Demnach hat der Vorsprung 24 vorzugsweise eine Breite, die größer ist als die Breite des die Ausnehmung 26 ausbildenden Abschnitts der zweiten Welle 14.
Weiterhin ist an der Außenfläche der Buchse 18 mindestens ein Magnet 20 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist - wie dies aus z. B. der Fig. 2 ersichtlich ist - eine Vielzahl an Magneten 20 auf dem Umfang der Buchse 18 angeordnet. Die Magnete 20 sind vorzugsweise auf einer Kreislinie in regelmäßigen Abständen auf dem Umfang der Buchse 18 angeordnet.
Die Stator-Sensor-Anordnung 22 umfasst einen Stator 28 mit einem ersten Pol 30 und einem zweiten Pol 32. Die Stator-Sensor-Anordnung 22 ist fest an der Welle 14 montiert, die sich im wesentlichen frei in der Buchse 18 drehen kann. Für diese Montage kann beispielsweise ein Träger 34 verwendet werden, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Wie in den Figuren dargestellt, bildet der erste Pol 30 einen ersten Satz Finger 40 aus und der zweite Pol 32 bildet einen zweiten Satz Finger 42 aus.
Dabei greifen der erste Satz Finger 40 und der zweite Satz Finger 42 ineinander. Vorzugsweise erstreckt sich jeder Finger des ersten Satzes 40 vom ersten Pol 30 weg in eine erste Richtung, während jeder Finger des zweiten Satzes 42 sich vom zweiten Pol 32 weg in eine zweite Richtung erstreckt. Wie in den Figuren dargestellt, sind die erste und die zweite Richtung vorzugsweise entgegengesetzt.
Die Zahl der Finger 40, 42 je eines Pols 30, 32 entspricht dabei der Gesamtzahl der auf dem Umfang der Buchse 18 angeordneten Magnete 20.
Der erste Pol 30 und der zweite Pol 32 des Stators 28 bestehen aus einem ferromagnetisch weichen Material, z. B. aus einem Eisenblech. Die von den Polen 30, 32 ausgebildeten Finger 40 und 42 bilden dabei Endbereiche aus, die im montierten Zustand der Stator-Sensor-Anordnung 22 im wesentlichen parallel zur den Magneten 20 orientiert sind. In diesen Endbereichen sind die Flächennormalen der Finger 40 und 42 daher in Radialrichtung orientiert.
Wird ein Pol 30 oder 32 des Stators 28 über die Buchse 18 geführt, so gibt es eine relative Lage von Buchse 18 und Pol 30 oder 32, in der jedem Magneten 20 genau ein Finger 40 oder 42 des Pols 30, 32 gegenüberliegt. Dies hat zur Folge, dass in dieser Lage das von den Magneten 20 erzeugte Magnetfeld im wesentlichen durch den ferromagnetischen Pol 30 oder 32 verläuft, dessen Finger 40 oder 42 den Magneten 20 unmittelbar gegenüberliegen.
Der Stator 28 bildet einen Zwischenraum 36 zwischen dem ersten Pol 30 und dem zweiten Pol 32 aus. Ein magnetfeldempfindlicher Sensor 38, beispielsweise ein Hall-Effekt Sensor, ist in dem Zwischenraum 36 angeordnet und misst den magnetischen Fluss im Zwischenraum 36, der mit der Relativposition zwischen den Magneten 20 und den Polen 30, 32 des Stators 28zusammenhängt. Dabei kann der Sensor 38 mit dem mechanisch mit dem Stator 28 verbunden sein, so dass der Sensor einer Drehbewegung des Stators folgt. Der Sensor 38 kann jedoch auch lagefest im Motorraum des Kraftfahrzeugs montiert sein, so dass er bei einer Drehbewegung des Stators 28 nicht mitdreht.
In den Statoranordnungen, die aus den Fig. 1 bis 5 ersichtlich sind, findet im Zwischenraum 36 ein Richtungswechsel des magnetischen Flusses statt, wenn der Stator 28 aus einer ersten Position, in der die Finger 40 des ersten Pols 30 den Magneten 20 gegenüberstehen, in eine zweite Position gedreht werden, in der die Finger 42 des zweiten Pols 32 den Magneten 20 gegenüberstehen. Diese Stärke- und Richtungsänderung des magnetischen Flusses kann mittels des magnetfeldempfindlichen Sensors 38 sehr empfindlich nachgewiesen werden und unmittelbar zur Erzeugung eines elektrischen Signals verwendet werden, dessen Stärke vom Drehwinkel der relativen Drehbewegung der magnettragenden Buchse 18 und der Sensor-Stator- Anordnung 22 bestimmt ist.
Die Gesamtanordnung aus erster Welle 12 und zweiter Welle 14, die über eine Torsionsfeder, hier einen Torsionsstab 16, drehelastisch miteinander verbunden sind, der mit einer Welle 12 oder 14 drehfest verbundenen magnettragenden Buchse 18 sowie der über der Buchse 18 angeordneten Sensor- Stator-Anordnung 22, die drehfest mit der anderen Welle 14 oder 12 verbunden ist, stellt damit einen Drehmomentsensor dar, der die Stärke eines an der ersten oder zweiten Welle 12, 14 angreifenden Drehmoments erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt.
Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, erzeugt die Drehung der Magnete 20 im Verhältnis zur Stator-Sensor-Anordnung 22 ein Signal am Sensor 38, das dem Grad dieser Bewegung entspricht. In einem EPAS entspricht das Signal vorzugsweise der Relativdrehung einer der Wellen, beispielsweise der mit dem Lenkrad verbundenen Eingangswelle.
Fig. 3 zeigt eine Stator-Sensor-Anordnung 122 zum Einbau in einen Drehmomentsensor nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform besitzt die Stator-Sensor- Anordnung 122 einen ersten 130 und einen zweiten 132 Pol und einen ersten 140 und einen zweiten 142 Satz Finger. Im Gegensatz zur ersten bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich jedoch der erste 140 und der zweite 142 Satz Finger ausgehend vom ersten 130 und zweiten 132 Pol des Stators 128 in die gleiche Richtung. Demzufolge wird der zweite Satz Finger 42 unterhalb des ersten Pols 130 zwischen dessen Fingern 140 des ersten Satzes geführt. Hierzu sind im Allgemeinen die Finger des zweiten Satzes 142 länger als die des ersten Satzes 140. Dabei ist ein Sensor 138 auf ähnliche Weise wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform im Zwischenraum 136 zwischen dem ersten 130 und dem zweiten 132 Pol angeordnet.
Fig. 4 zeigt eine Stator-Sensor-Anordnung 222 zum Einbau in einen Drehmomentsensor nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist bis auf die folgenden Einzelheiten ähnlich ausgebildet wie die in den Fig. 1 und 2:
Die Stator-Sensor-Anordnung 222 dieser Ausführungsform umfasst einen zweiten Sensor 250, der ebenfalls in dem Zwischenraum 236 zwischen dem ersten 230 und dem zweiten 232 Pol des Stators 228 positioniert ist. Der zweite Sensor 250 ist dem ersten Sensor 238 ähnlich und ist daher in der Lage, den Magnetfluss im Zwischenraum 236 zu messen. In dieser Ausführungsform ist der zweite Sensor 250 angrenzend an den ersten Sensor 238 angeordnet.
Ähnlich wie in der eingangs besprochenen und in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsform greift auch hier ein erster Satz Finger 240 in einen zweiten Satz Finger 242 ein. Jeder Finger des ersten Satzes 240 erstreckt sich auch weg vom ersten Pol 230 in eine erste Richtung, während jeder Finger des zweiten Satzes 242 sich vom zweiten Pol 232 weg in eine zweite Richtung erstreckt. Wie in der Fig. 4 dargestellt sind die erste und die zweite Richtung vorzugsweise gegensätzliche Richtungen.
Weiterhin umfasst die Stator-Sensor-Anordnung 222 auch zwei Schutzplatten 252a, 252b, die in dem Zwischenraum 236 zwischen dem ersten 230 und dem zweiten 232 Pol angeordnet sind. Die Schutzplatten 252a, 252b schützen die Sensoren 250, 238 vor mechanischem Kontakt mit den Polen 230, 232 bei ihrer Drehung aufgrund der Drehung einer daran befestigten Welle (in Fig. 4 nicht dargestellt).
Da die Schutzplatten 252a, 252b bei einer Relativdrehung der Wellen 12, 14 mit den Polen 230, 232 in mechanischen Kontakt gelangen könnten, sind die Platten 252a, 252b vorteilhafterweise mit einem Material überzogen, das die Reibung zwischen den Polen 230, 232 und den Platten 252a, 252b verringert. Hierfür kann jedes herkömmliche Material mit relativ geringen Reibungseigenschaften verwendet werden. Geeignete Materialien sind beispielsweise solche, die herkömmlicherweise verwendet werden, um in einem Lager die Reibung zu reduzieren, beispielsweise Frelon^TM (Frelon ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Pacific Bearing, Corporation of Roscoe, Illinois) und Teflon^TM (Teflon ist ein eingetragenes Warenzeichen der E. I. du-Pont de Nemours, Company of Wilmington, Delaware).
Weiterhin sind die Platten 252a, 252b vorzugsweise aus einem magnetischen Material, beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material, hergestellt.
In dieser Ausführungsform sind die erste 252a und die zweite 252b Platte jeweils breit genug, um sowohl den ersten Sensor 238 als auch den zweiten 250 Sensor abzudecken.
Fig. 5 zeigt eine weitere Stator-Sensor-Anordnung 322 zur Verwendung in einem Drehmomentsensor nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist bis auf die im Folgenden aufgezeigten Einzelheiten ähnlich wie die in der Fig. 4 dargestellte.
In dieser Ausführungsform sind der erste 338 und der zweite 350 Sensor radial beabstandet. Das heißt, beide Sensoren 338, 350 sind in dem Zwischenraum 336 auf einem gemeinsamen Umfang positioniert, sind aber gegenüber Fig. 4 in erhöhtem radialem Abstand zueinander angeordnet. So entsteht ein veränderter Phasenwinkel zwischen den Sensoren 338, 350. Wie in der Fig. 5 dargestellt, beträgt der Phasenwinkel, der den ersten 338 und den zweiten 350 Sensor trennt, vorzugsweise etwa 180°. Die Verwendung eines bekannten Phasenwinkels zwischen den Sensoren 338, 350 ermöglicht eine Fehlerkorrektur. Indem der magnetische Fluss mittels zweier radial beabstandeter Sensoren 338 und 250 gemessen wird, können z. B. solche Schwankungen des magnetischen Flusses im Zwischenraum 336, die auf radiale Abstandsänderung zwischen Magneten 20 und den Polen 330 und 332 oder deren Fingern 336 und 342 z. B. durch eine nicht konzentrische Anordnung von Buchse 18 und Sensor-Stator-Anordnung 322 zurückgehen, ausgeglichen werden.
Insgesamt erlaubt diese Doppel-Sensoranordnung Korrekturberechnungen, mit denen bestimmt werden kann, ob die durch die Sensoren 338, 350 vorgenommenen Messungen tatsächlich die Drehbewegung der Buchse (in Fig. 5 nicht dargestellt) relativ zum Stator 328 angeben, oder ob manche oder alle Messungen auf Fehler, so z. B. eine Nicht-Konzentrizität der Pole 330, 332 zurückzuführen sind.
Hierzu kann jeder prinzipiell geeignete Phasenwinkel zwischen den Sensoren 338, 350 verwendet werden. Ein optimaler Phasenwinkel ergibt sich aufgrund der Geometrie der Stator-Sensor-Anordnung 322 und/oder des gesamten Drehmomentsensors.
Auch in dieser Ausführungsform ist ein zweiter Satz Schutzplatten 354a, 354b in dem Zwischenraum 336 und an einer ersten und einer zweiten Seite des zweiten Sensors 350 angeordnet. Der erste Satz Schutzplatten 352a, 352b ist in dem Zwischenraum 336 und an einer ersten und zweiten Seite des ersten Sensors 338 angeordnet. Der zweite Satz Platten 354a, 354b hat die gleiche Funktion und die gleichen Struktureigenschaften wie der erste Satz Schutzplatten 352a, 352b, die denjenigen in der in Fig. 4 dargestellten dritten bevorzugten Ausführungsform ähnlich sind.
Diese Offenlegung umfasst die beste Art, die die Erfinder sich ausgedacht haben, um die Erfindung auszuführen. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Änderungen durch den Fachmann vorgenommen werden können. In Anbetracht der Tatsache, dass diese Offenlegung darauf abzielt, dem Fachmann die Ausführung der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, sollte diese dadurch nicht eingeschränkt werden, sondern sollte die erwähnten Änderungen umfassen.

Claims

1. Drehmomentsensor zur Messung eines an einer Welle angreifenden Drehmoments, wobei:

a) die Welle in zwei Teilwellen geteilt ist, nämlich in eine erste Welle (12) und eine zweite Welle (14),

b) zwischen der ersten Welle (12) und der zweiten Welle (14) eine Torsionsfeder (16) angeordnet ist, die die erste Welle (12) und die zweite Welle (14) drehelastisch miteinander verbindet,

c) auf der ersten Welle (12) eine Buchse (18) angeordnet ist, die mit der ersten Welle (12) drehfest verbunden ist, wobei die Buchse (18) zumindest einen Magneten (20) trägt,

d) auf der zweiten Welle der Stator (28) einer Sensor-Stator-Anordnung (22) angeordnet ist, der mit der zweiten Welle (14) drehfest verbunden ist, wobei der Stator (28) zwei Pole (30, 32) aufweist, die

a) sich zumindest über dem Magneten (20) erstrecken

b) einen Zwischenraum (36) ausbilden, wobei der vom Magneten (20) im Zwischenraum (36) erzeugte magnetische Fluss von der Drehwinkellage zwischen Stator (28) und Buchse (18) abhängt,

e) und im Zwischenraum (36) ein magnetfeldempindlicher Sensor (38) angeordnet ist, der auf den magnetischen Fluss im Zwischenraum (36) sensitiv ist.

2. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehwinkelbegrenzung zwischen den Teilwellen (12, 14) vorgesehen ist, die den Drehwinkel einer relativen Drehbewegung der Teilwellen (12, 14) begrenzt.

3. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelbegrenzung eine Ausnehmung (26) in der einen Teilwelle und einen Vorsprung (24) in der anderen Teilwelle umfasst, wobei der Vorsprung (24) in die Ausnehmung (26) eingreift.

4. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (18) so angeordnet ist, dass sie die Ausnehmung (26) in der einen Teilwelle oder den Vorsprung (24) der anderen Teilwelle in Längsrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig überdeckt.

5. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Buchse (18) nicht größer ist als der Durchmesser der Teilwellen.

6. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (30, 32) des Stators (28) jeweils einen Satz Finger (40, 42) aufweisen, wobei die Finger alternierend auf dem Innenumfang des Stators (28) verteilt sind und ineinander eingreifen und die Finger des ersten Satzes (40) und des zweiten Satzes (42) Bereiche aufweisen, die im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Teilwellen orientiert sind.

7. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Buchse (18) so viele Magnete (20) vorgesehen sind wie die Pole (30, 32) jeweils Finger aufweisen.

8. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum (36) beiderseits des Sensors (38) jeweils zwischen einem Pol (30, 32) und dem Sensor (38) Platten zur mechanischen Abschirmung angeordnet sind.

9. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten aus einem ferromagnetisch weichen Material bestehen.

10. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten zumindest auf einer Oberfläche mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen sind.

11. Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Zwischenraums (36) zwei Sensoren (38) in einem bekannten Phasenwinkel zueinander angeordnet sind.