DE10357146A1 - Angular displacement and or torque measurement device, especially for a motor vehicle, comprises capacitors with moving capacitor plates attached to the steering column so that they move relative to fixed capacitor plates - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Winkel- und/oder Drehmomenterfassung und insbesondere einen Winkel- und/oder Drehmomentsensor für Fahrzeuge.The The present invention relates to a sensor device for angular and / or torque detection and in particular an angle and / or torque sensor for vehicles.
Sensoren zur Aufnahme von Winkeln und/oder von Drehmomenten sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt und werden häufig in Fahrzeugen verwendet. Bekannte Sensoren verwenden kapazitive, induktive, Laufzeit- oder optische Messverfahren. Für eine Anwendung derartiger Sensoren in Fahrzeugen sind sehr hohe Anforderungen hinsichtlich einer thermischen und mechanischen Belastbarkeit des Sensors und eine uneingeschränkte Funktionalität über möglichst die gesamte Lebensdauer von Fahrzeugen bei geringstmöglichen Kosten gestellt. Bei der Verwendung von optischen Sensoren liegt das Hauptproblem darin, dass bei Verschmutzungserscheinungen im optischen Weg oder einer schleichenden Erblindung der Detektoren die Funktionalität nicht mehr gegeben ist. Die Verwendung von induktiven Messprinzipien für Sensoren ist bei einer Förderung nach einer hochgenauen Winkelauflösung zu ungenau. Messprinzipien, die die Laufzeit von Ultraschallsignalen ausnutzen, sind sehr teuer und aufwendig herzustellen und somit für eine Großserienproduktion zur Verwendung in Fahrzeugen nicht geeignet. Bei kapazitiven Messprinzipien sind vor allem die relative Luftfeuchte, die eine Änderung der Elektrizitätskonstante der Luft hervorruft und somit die Kapazität zwischen den Kondensatorplatten beeinflusst, und die Temperaturschwankungen, die vor allem die Größe und den Abstand der Kondensatorplatten beeinflusst, für eine genaue Signalauswertung problematisch. Von daher werden bisher im Fahrzeugsektor hauptsächlich optische Winkelsensoren verwendet.sensors for recording angles and / or torques are from the State of the art in diverse Embodiments known and are often used in vehicles. Known sensors use capacitive, inductive, transit time or optical measuring methods. For An application of such sensors in vehicles are very high Requirements regarding a thermal and mechanical load capacity of the sensor and an unrestricted Functionality over as possible the entire lifetime of vehicles at the lowest possible Costs. When using optical sensors lies the main problem is that in case of signs of pollution in the optical path or a creeping blindness of the detectors the functionality no longer exists. The use of inductive measuring principles for sensors is in a promotion too inaccurate after a high-precision angular resolution. Measurement principles, which exploit the duration of ultrasound signals are very expensive and consuming to manufacture and thus for mass production for use not suitable in vehicles. For capacitive measuring principles are especially the relative humidity, which is a change of the electricity constant of the Air causes and thus the capacity between the capacitor plates influenced, and the temperature fluctuations, especially the size and the distance affected by the capacitor plates, for accurate signal evaluation problematic. Therefore, so far in the automotive sector mainly optical Angle sensors used.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie eine Winkelmessung bis fast 720° unter Verwendung des kapazitativen Messprinzips ermöglicht. Erfindungsgemäß sind hierbei Absolutwinkelmessungen von 720°-X° möglich, wobei der Winkel X durch die Breite der verwendeten Kondensatorplatten bestimmt wird. Die Breite der Kondensatorplatten kann dabei derart gewählt werden, dass der Winkel X ca. 10° beträgt, sodass eine Absolutwinkelmessung von deutlich über 700° Absolutwinkel möglich ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Sensorvorrichtung einen ersten und einen zweiten Kondensator aufweist. Beide Kondensatoren weisen jeweils wenigstens eine bewegbare und eine feststehende Kondensatorplatte auf. Die bewegbaren Kondensatorplatten sind dabei an einer drehbar gelagerten Welle angeordnet, deren Drehwinkel gemessen werden soll. Die feststehenden und/oder bewegbaren Kondensatorplatten weisen dabei eine derartige Form auf, dass sich die Kapazität der Kondensatoren bei einer Drehung der Welle ändert. Die doppelte Anordnung der Kondensatoren ermöglicht somit eine Messung eines Absolutwinkels von deutlich über 700°, ohne dass die Sensorvorrichtung eine aufwendige Zähleinrichtung aufweist. Dabei ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung sehr kostengünstig in einer Großserienfertigung herstellbar und sehr robust, sodass problemlos eine Verwendung in Fahrzeugen möglich ist.The inventive sensor device with the features of claim 1, in contrast, the Take advantage of using an angle measurement up to almost 720 ° the capacitive measuring principle allows. According to the invention here are Absolute angle measurements of 720 ° -X ° possible, where the angle X through the width of the capacitor plates used is determined. The width of the capacitor plates can be such chosen be that the angle X is about 10 °, so an absolute angle measurement of well over 700 ° absolute angle is possible. According to the invention this is achieved in that the sensor device has a first and a having second capacitor. Both capacitors point each at least one movable and a fixed capacitor plate on. The movable capacitor plates are rotatable on one mounted shaft whose rotation angle is to be measured. The fixed and / or movable capacitor plates have it has a shape such that the capacitance of the capacitors changes with a rotation of the shaft. The double arrangement of the capacitors thus enables a measurement of a Absolute angle of significantly above 700 °, without the sensor device has a complex counting device. there is the sensor device according to the invention very inexpensive in a mass production manufacturable and very sturdy, so easy to use in Vehicles possible is.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.The under claims have preferred developments of the invention to the subject.
Um eine besonders einfache Auswertung der kapazitativen Messsignale zu ermöglichen, ist die Form der feststehenden und/oder bewegbaren Kondensatorplatten asymmetrisch gewählt. Besonders bevorzugt sind die Kondensatorplatten des ersten Kondensators spiegelverkehrt zu den Kondensatorplatten des zweiten Kondensators angeordnet und um 180° verdreht zueinander angeordnet. Dabei weisen die Kondensatorplatten des ersten und zweiten Kondensators die gleiche äußere Form auf.Around a particularly simple evaluation of the capacitive measurement signals to enable is the shape of the fixed and / or movable capacitor plates chosen asymmetrically. Particularly preferred are the capacitor plates of the first capacitor mirrored to the capacitor plates of the second capacitor arranged and rotated by 180 ° arranged to each other. In this case, the capacitor plates of the first and second capacitor the same outer shape.
Vorzugsweise weist die bewegbare Kondensatorplatte der Kondensatoren eine Schneckenform auf, wobei die bewegbare Kondensatorplatte senkrecht zur Achse der Welle angeordnet ist. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schneckenform der bewegbaren Kondensatorplatte dabei derart gebildet, dass die Schneckenform an einem Punkt auf der Welle beginnt und eine gleichmäßige Steigung entlang der Welle aufweist. Vorzugsweise liegen der Anfangspunkt und der Endpunkt der Schnecke auf einer Linie durch den Mittelpunkt der Welle und ein Abstand vom Anfangspunkt zum Endpunkt entlang der Linie entspricht vorzugsweise dem doppelten Radius der Welle.Preferably the capacitive capacitor plate of the capacitors has a worm shape, wherein the movable capacitor plate is perpendicular to the axis of the shaft is arranged. According to one Particularly preferred embodiment of the invention is the screw shape the movable capacitor plate thereby formed such that the Snail shape starts at a point on the shaft and a steady slope along the shaft. Preferably, the starting point and the end point of the snail on a line through the center point the wave and a distance from the starting point to the end point the line preferably corresponds to twice the radius of the shaft.
Eine Kontaktierung der bewegbaren Kondensatorplatten der Sensorvorrichtung erfolgt vorzugsweise über die Welle. Dadurch kann ein besonders kostengünstiger Aufbau erreicht werden.A Contacting of the movable capacitor plates of the sensor device preferably takes place via the wave. As a result, a particularly cost-effective construction can be achieved.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die bewegbaren Kondensatorplatten auf den Umfang der Welle aufgelegt, sodass die bewegbaren Kondensatorplatten praktisch einen zusätzlichen Mantel zu der Welle bilden. Die Länge der bewegbaren Kondensatorplatten in Axialrichtung der Welle ist dabei an jedem Punkt des Wellenumfangs unterschiedlich. Besonders bevorzugt ändert sich die Länge der bewegbaren Kondensatorplatten in Axialrichtung der Welle dabei mit einer konstanten Steigung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Welle vorzugsweise aus einem nicht-leitenden Material hergestellt oder über der Welle ist eine zylindrische Hülse aus einem nicht-leitenden Material angeordnet.According to another preferred embodiment of the present invention, the movable capacitor plates are placed on the circumference of the shaft, so that the movable capacitor plates practically form an additional jacket to the shaft. The length of the movable capacitor plates in the axial direction of the shaft is different at each point of the shaft circumference. Beson Preferably, the length of the movable capacitor plates in the axial direction of the shaft changes with a constant pitch. In this embodiment, the shaft is preferably made of a non-conductive material or over the shaft is a cylindrical sleeve made of a non-conductive material.
Um zusätzlich zur Winkelmessung noch eine Drehmomentmessung mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung möglich zu machen, umfasst die Sensorvorrichtung vorzugsweise einen dritten und einen vierten Kondensator, welche ebenfalls an der Welle angeordnet sind. Dabei ist zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator und dem dritten und vierten Kondensator ein Torsionsstab angeordnet. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Kondensatoren an der Welle redundant angeordnet. Ein Drehmoment kann dabei durch Erfassen eines zeitlich unterschiedlichen Reagierens der Kondensatorpaare rechts und links des Torsionsstabs detektiert werden, wobei die Größe des Signals durch die jeweils auftretende maximale Kapazitätsdifferenz gemessen wird und daraus ein Drehmomentwert bestimmt werden kann.Around additionally for angle measurement nor a torque measurement with the sensor device according to the invention possible The sensor device preferably comprises a third one and a fourth capacitor, which is also disposed on the shaft are. It is between the first and the second capacitor and the third and fourth condenser arranged a torsion bar. Preferably, the first and second capacitors are on the shaft arranged redundantly. A torque can be detected by detecting a temporally different reacting of the capacitor pairs on the right and the left of the torsion bar are detected, the size of the signal is measured by the occurring maximum capacitance difference and From this a torque value can be determined.
Um eine besonders einfache Auswertbarkeit der Messsignale zu ermöglichen, sind die Kondensatoren der Sensorvorrichtung derart angeordnet, dass im Ausgangspunkt der Messung eine maximale oder eine minimale Kapazität der Kondensatoren erhalten wird. Der Ausgangspunkt bei einem Lenkwinkelsensor wäre dabei beispielsweise die Neutralstellung des Lenkrads.Around to enable a particularly easy readability of the measuring signals the capacitors of the sensor device are arranged such that in the starting point of the measurement a maximum or a minimum capacity the capacitors is obtained. The starting point for a steering angle sensor would be present for example, the neutral position of the steering wheel.
Um eine Unempfindlichkeit der erfindungsσemäßen Sensorvorrichtung gegenüber äußeren Einflüssen wie z.B. Temperaturschwankungen, Schwankungen der Luftfeuchte, Änderung des Abstands der Kondensatorplatten aufgrund einer Temperaturänderung usw., zu erreichen, ist vorzugsweise ein Referenzkondensator vorgesehen, welcher unmittelbar, d.h. in gleichem klimatischen Raum, benachbart zu den Kondensatoren der Sensorvorrichtung angeordnet ist. Der Referenzkondensator weist dabei eine Plattendicke wie die Kondensatoren der Sensorvorrichtung auf. Dadurch können beispielsweise durch eine Differenzsignalauswertung der Signale des Messkondensators mit feststehenden Referenzkapazitäten abgeglichen werden. Vorzugsweise ist die Kapazität des Referenzkondensators dabei gleich oder größer wie die Maximalkapazität der Messkondensatoren. Weiterhin sei angemerkt, dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung als Drehmomentsensor für jedes Kondensatorpaar ein separater Referenzkondensator vorgesehen sein kann. Vorzugsweise sind die Referenzkondensatoren dabei in einem abgeschlossenen Gehäuse mit den Kondensatoren der Sensorvorrichtung angeordnet.Around a insensitivity of erfindungsσemäßen sensor device against external influences such e.g. Temperature fluctuations, fluctuations in air humidity, change the distance of the capacitor plates due to a temperature change etc., a reference capacitor is preferably provided, which is immediate, i. in the same climatic space, adjacent is arranged to the capacitors of the sensor device. The reference capacitor has a plate thickness as the capacitors of the sensor device on. Thereby can for example, by a difference signal evaluation of the signals of the measuring capacitor with fixed reference capacitances become. Preferably, the capacitance of the reference capacitor the same or greater than the maximum capacity the measuring capacitors. Furthermore, it should be noted that when using the sensor device according to the invention as a torque sensor for each capacitor pair provided a separate reference capacitor can be. Preferably, the reference capacitors are in a closed housing arranged with the capacitors of the sensor device.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung wird besonders bevorzugt in Fahrzeugen und dabei besonders vorteilhaft als Lenkwinkelsensor verwendet. Dabei ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auch für direkte Lenksysteme wie z.B. sogenannte "steer-by-wire"-Systeme geeignet, welche mit sehr wenig Lenkeinschlag arbeiten.The inventive sensor device is particularly preferred in vehicles and particularly advantageous used as steering angle sensor. In this case, the sensor device according to the invention also for direct steering systems, such as so-called "steer-by-wire" systems are suitable, which with very little Steering lock work.
Zeichnungdrawing
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:following The present invention is based on preferred embodiments described in conjunction with the drawing. In the drawing is:
Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die
Wie
in
Die
genauen Größenverhältnisse
sind im Detail in
Wie
aus
Die
Funktion der erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
des ersten Ausführungsbeispiel
ist dabei wie folgt: Wie in
Wie
in
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf
Wie
in
Der
Drehwinkel wird dabei wie im ersten Ausführungsbeispiel durch Bestimmung
der Änderung
der Kapazität
berechnet, wobei beim zweiten Ausführungsbeispiel theoretisch
aus den vier Kondensatoren
Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf
Wie
aus
Durch
die Anordnung der Sensorvorrichtung
Nachfolgend
wird eine Sensorvorrichtung
Die
Sensorvorrichtung
Die
Sensorvorrichtung
Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele werden
vorzugsweise in Fahrzeugen und dabei insbesondere bei Lenkungen
eingesetzt. Die erfindungsgemäßen Sensorvorrichtungen
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10357146A DE10357146A1 (en) | 2003-12-06 | 2003-12-06 | Angular displacement and or torque measurement device, especially for a motor vehicle, comprises capacitors with moving capacitor plates attached to the steering column so that they move relative to fixed capacitor plates |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10357146A DE10357146A1 (en) | 2003-12-06 | 2003-12-06 | Angular displacement and or torque measurement device, especially for a motor vehicle, comprises capacitors with moving capacitor plates attached to the steering column so that they move relative to fixed capacitor plates |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10357146A1 true DE10357146A1 (en) | 2005-06-30 |
Family
ID=34625617
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10357146A Ceased DE10357146A1 (en) | 2003-12-06 | 2003-12-06 | Angular displacement and or torque measurement device, especially for a motor vehicle, comprises capacitors with moving capacitor plates attached to the steering column so that they move relative to fixed capacitor plates |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10357146A1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100487361C (en) * | 2007-09-06 | 2009-05-13 | 浙江大学 | Flat capacity transducer based on capacitor measurement principle |
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2003
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |