DE60016164T2 - Kapazitive Drehmoment-Messung mit einer dehnungsabhängigen dielektrischen Schicht - Google Patents

Kapazitive Drehmoment-Messung mit einer dehnungsabhängigen dielektrischen Schicht Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor und ein Drehmomenterfassungsverfahren und insbesondere auf einen Drehmomentsensor und ein Drehmomenterfassungsverfahren, die für eine elektrische Lenkhilfevorrichtung in einem Automobil oder einem leistungsunterstützten Fahrrad geeignet ist.
  • Technischer Hintergrund
  • Herkömmlicherweise wurde zum Ergänzen einer Kraft zum Handhaben eines Lenkrads (im folgenden als Rad bezeichnet) eine elektrische Lenkhilfevorrichtung (Servolenkvorrichtung) entwickelt. Die elektrische Lenkhilfevorrichtung ist eine Vorrichtung, die ein Drehmoment erfasst, das von einem Treiber auf ein Lenkrad ausgeübt wird und als Reaktion auf das so erfasste Drehmoment einen in einem Steuermechanismus bereitgestellten Elektromotor eine Antriebskraft zur Lenkunterstützung erzeugen lässt. Verglichen mit einer hydraulischen Lenkhilfevorrichtung hat die oben erwähnte Vorrichtung solche Eigenschaften, dass keine Motorleistung verbraucht wird, um eine hydraulische Pumpe anzutreiben, und dass die Steuerung hervorragend ist, weil die ergänzende Antriebskraft elektrisch gesteuert ist.
  • Für die oben erwähnte elektrische Lenkhilfevorrichtung ist es unter dem Gesichtspunkt von Zuverlässigkeit und Kosten erforderlich, einen Drehmomentsensor zu haben, der einen einfachen Aufbau hat und in der Lage ist, eine kontaktfreie Erfassung durchzuführen.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines Drehmomentsensors, der für eine solche Verwendung anwendbar ist.
  • In dem Drehmomentsensor von 1 ist eine Torsionsstange 11 aus einem Material, dessen magnetische Permeabilität aufgrund einer Belastung veränderlich ist, d.h. einem magnetostrictiven Material, zwischen einer Aufnahmewelle und einer Abgabewelle zum Aufnehmen und Abgeben des Drehmoments eingebettet. Auf dem äußeren Umfang der Torsionsstange 11 sind zwei Spulen 12 und 13 angeordnet, wobei ein vorgegebener Abstand zwischen ihnen gehalten wird. Auf der Oberfläche der Torsionsstange 11 sind in Entsprechung zu den zwei Spulen 12 und 13 längliche Schlitze 14 ausgebildet, die im Hinblick auf deren Mittelachse um ± 45° geneigt sind.
  • Wenn zwischen der Aufnahmewelle und der Abgabewelle ein Drehmoment erzeugt wird, wird das Drehmoment auf die Torsionsstange 11 aufgebracht, so dass in der Torsionsstange 11 eine Torsionsspannung erzeugt wird. Im allgemeinen wird die in einem massiven Zylinder oder in einem Hohlzylinder erzeugte Torsionsspannung aufgeteilt in eine Zugspannung in einer Richtung von 45° im Hinblick auf die Längsrichtung des massiven Zylinders oder des Hohlzylinders und eine Druckspannung in einer Richtung senkrecht dazu. Demzufolge wird bewirkt, dass jeweils die Zugspannung bzw. die Druckspannung in den Richtungen der Schlitze 14 auftreten, die auf der Oberfläche der Torsionsstange 11 gebildet sind. Die magnetischen Permeabilitäten der jeweiligen Abschnitte ändern sich so, dass die eine erhöht wird, während die andere verringert wird, und sie haben Werte, die im wesentlichen proportional zu dem angelegten Drehmoment sind.
  • Demzufolge ändern sich die Induktivitäten der zwei Spulen 12 und 13 so, dass die eine erhöht wird, während die andere verringert wird. Jede dieser zwei Spulen 12 und 13 ist über ein festes Widerstandselement als Impedanzelement mit einem Masseanschluss verbunden, und eine AC-Spannung mit einer vorbestimmten Frequenz wird zwischen dem festen Widerstand und dem Masseanschluss angelegt. Dabei wird eine Anschlussspannung je der der Spulen 12 und 13 einer Differenzverstärkerschaltung zugeführt. Bei diesem Vorgang erzeugt die Differenzverstärkerschaltung eine Ausgangsspannung, die proportional zu der Größe des aufgebrachten Drehmoments ist. Daher ist es möglich, die Größe des Drehmoments entsprechend der oben erwähnten Ausgangsspannung zu erfassen.
  • Typischerweise wird in einem Automobil oder einem leistungsunterstützten Fahrrad ein Elektromotor mit einem starken Magneten verwendet. Um den Einfluss eines von dem Magneten erzeugten Magnetfelds zu verhindern, ist eine kräftige magnetische Abschirmung erforderlich. Das bringt den Nachteil mit sich, dass der Aufbau um den Drehmomentsensor herum kompliziert wird.
  • Weiterhin erfordert die elektrische Lenkhilfevorrichtung einen Lenkwinkelsensor zum Erfassen einer Lenkrichtung, um die von dem Elektromotor erzeugte Lenkergänzungskraft zu steuern, indem eine Lenkgeschwindigkeit und ein Lenkwinkel gleichzeitig erfasst werden, wenn das auf das Rad aufgebrachte Drehmoment wie oben beschrieben erfasst wird. Der oben erwähnte Steuerwinkelsensor verwendet im allgemeinen ein Verfahren des Erfassens des N-Pols und des S-Pols eines mehrpoligen ringförmigen Magneten unter Verwendung einer Hall-Vorrichtung. Um zu verhindern, dass ein Leckmagnetfeld aus dem ringförmigen Magneten das oben erwähnte magnetostrictive Material beeinflusst, ist ebenfalls eine Abschirmung für den Drehmomentsensorabschnitt erforderlich. Das bewirkt den Nachteil, dass der Aufbau kompliziert wird.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Drehmomentsensor bereitzustellen, der keine magnetische Abschirmung erfordert und einen einfachen Aufbau aufweist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Drehmomenterfassungsverfahren bereitzustellen, das den oben erwähnten kapazitiven Drehmomentsensor verwendet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Kapazitätsdrehmomentsensor bereitgestellt mit einer Stange mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer dielektrischen Schicht, die zumindest an einem Abschnitt einer äußeren Umfangsfläche der Stange ausgebildet ist und deren Dielektrizitätskonstante abhängig von der Belastung veränderlich ist, und einem Paar von Interdigitalelektroden, die der dielektrischen Schicht zugewandt sind, und einen einzelnen Kondensator bilden; wobei die Interdigitalelektroden eine Mehrzahl von linearen Elektroden enthalten, die gegenüber einer Mittelachse der Stange in einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren bereitgestellt zum Erfassen eines Drehmoments unter Verwendung eines kapazitiven Drehsensors mit einer Stange mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer dielektrischen Schicht, die zumindest an einem Abschnitt einer äußeren Umfangsfläche der Stange ausgebildet ist und deren Dielektrizitätskonstante abhängig von der Belastung veränderlich ist und einem Interdigitalelektrodenkondensator, der der dielektrischen Schicht zugewandt ist und gegenüber einer Mittelachse der Stange in einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt ist; wobei das Verfahren die Schritte aufweist des Aktivierens eines Modulationsvorgangs als Reaktion auf eine Kapazitätsänderung des Interdigitalelektrodenkondensators zum Erzeugen eines Modulationsfrequenzsignals und des Erfassens eines Drehmoments aus dem Modulationsfrequenzsignal.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 eine Ansicht zum Beschreiben eines herkömmlichen Drehmomentsensors.
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines kapazitiven Drehmomentsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines kapazitiven Drehmomentsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ein Blockschaltbild, das eine Drehmomenterfassungsschaltung zeigt, die den Drehmomentsensor von 3 verwendet.
  • 5 eine perspektivische Ansicht eines kapazitiven Drehmomentsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ein Blockschaltbild, das eine Drehmomenterfassungsschaltung zeigt, die den Drehmomentsensor von 5 verwendet.
  • Beste Art zum Ausführen der Erfindung
  • Mit Bezug auf 2 wird ein kapazitiver Drehmomentsensor nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Dieser kapazitive Drehmomentsensor enthält eine Rundstange 21 mit einem kreisförmigen Querschnitt, die aus isolierendem Plastik oder isolierender Keramik besteht. Die Rundstange 21 ist in Reihe zu und zwischen einer Aufnahmewelle und einer Abgabewelle zum Aufnehmen und Abgeben eines Drehmoments in einem Lenkrad angeschlossen. Dementsprechend wird die Rundstange 21 als Antwort auf die Handhabung des Rads gedreht.
  • Auf einer äußeren Umfangsfläche der Rundstange 21 ist eine dielektrische Dickfilm- oder Dünnfilmschicht 22 direkt ausgebildet und besteht aus einem Material, dessen Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Belastung veränderlich ist. Auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht 22 sind lineare Elektroden (Fingerelektroden) 23a und 23b so ausgebildet, dass sie gegenüber einer Mittelachse (der Längsrichtung) der Rundstange 21 in einem vorbestimmten Winkel von etwa 45° geneigt sind. Die linearen Elektroden 23a und 23b sind jeweils abwechselnd mit gemeinsamen Elektroden 24a und 24b verbunden, so dass sie sogenannte Interdigitalelektroden bzw. einen Interdigitalelektrodenkondensator bilden. Somit wird ein einzelner Kondensator mit einem Kapazitätswert gebildet. Ein Paar von Anschlüssen 25a und 25b ist mit den Interdigitalelektroden verbunden.
  • Ein Abschnitt der Rundstange 21 ist mit einer ersten Spule 26 versehen, die entlang einem äußeren Umfang der Stange in einer Richtung senkrecht zu der Axialrichtung der Stange gewickelt ist, um dadurch eine Induktivität zu bilden. Diese Induktivität ist parallel zu dem oben erwähnten Kondensator geschaltet, um dadurch einen geschlossenen Kreis zu bilden. Insbesondere sind die beiden Enden der ersten Spule 26 jeweils mit dem Anschluss 25a bzw. 25b verbunden. In diesem Fall dienen die Anschlüsse 25a und 25b als Verbindungselemente, die einen geschlossenen Kreis bilden. Zusätzlich ist eine zweite Spule 27 so bereitgestellt, dass sie der ersten Spule 26 gegenüberliegt, wobei ein kleiner Spalt dazwischen bleibt. Die zweite Spule 27 ist stationär.
  • Als nächstes wird das Arbeitsprinzip des kapazitiven Drehmomentsensors von 2 beschrieben.
  • Wenn ein Lenkrad betätigt wird, wirkt eine relative Drehkraft zwischen der Aufnahmewelle und der Abgabewelle, um dadurch ein Torsionsmoment auf die Rundstange 21 aufzubringen. Dann tritt in der auf der Oberfläche der Rundstange 21 ausgebildeten dielektrischen Schicht 22 eine Spannung auf, die eine Änderung der Dielektrizitätskonstante zur Folge hat. Anders ausgedrückt hat die dielektrische Schicht 22 eine Spannung-zu-Dielektrizitätskonstante-Umwandlungseigenschaft. Die Spannung der dielektrischen Schicht 22 kann in eine Zugspannung in einer Richtung von 45° und eine Druckspannung in einer Richtung von –45° gegenüber der Torsionsachsenrichtung aufgeteilt werden. Somit ändert sich abhängig von der Richtung des Torsionsmoments, die Dielektrizitätskonstante in der Richtung, in der die linearen Elektroden 23a und 23b der Interdigitalelektroden einander gegenüber liegen. Demzufolge ändert sich der Wert der Kapazität zwischen den Anschlüssen 25a und 25b. Mit Bezug auf die oben erwähnte Kapazitätsänderung kann die Größe des erzeugten Drehmoments erfasst werden.
  • Um die oben erwähnte Kapazitätsänderung in einer kontaktfreien Art zu erfassen, sind die erste Spule 26 und die zweite Spule 27 mittels des oben beschriebenen Aufbaus elektromagnetisch gekoppelt. Mit diesem Aufbau wird eine Änderung der Kapazität, die durch die Interdigitalelektroden gebildet ist, in eine Änderung der Impedanz der Spule 27 umgewandelt, und die Größe des Drehmoments kann von der letzteren Änderung erfasst werden.
  • Entsprechend dem kapazitiven Drehmomentsensor von 2 ist es möglich, dass Drehmoment in einer kontaktfreien Weise zu erfassen, ohne auf eine magnetische Abschirmung zu vertrauen und ohne durch ein externes Magnetfeld beeinflusst zu sein. Weiter ist der Aufbau einfach, und die Zuverlässigkeit der Erfassung kann leicht verbessert werden.
  • Die Rundstange 21 kann eine leitfähige Metallstange enthalten und eine Plastikschicht oder eine Keramikschicht, die darauf ausgebildet ist und eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist.
  • Durch Verwendung einer magnetischen Substanz in dem Abschnitt, in dem die erste Spule 26 bereitgestellt ist, ist es möglich, die elektromagnetische Kopplung mit der zweiten Spule 27 zu verbessern und einen kapazitiven Drehmomentsensor mit einer höheren Empfindlichkeit zu erhalten.
  • Außerdem kann in dem Fall, in dem ein vertiefter Abschnitt zum Empfangen der ersten Spule 26 entlang des Umfangs der Rundstange 21 ausgebildet ist und ein vertiefter Abschnitt zum Empfangen der zweiten Spule 27 so gebildet ist, dass er den oben erwähnten vertieften Abschnitt gegenüberliegt, dieselbe Wirkung auftreten, so dass ein kapazitiver Drehmomentsensor leicht gewonnen werden kann.
  • In 2 haben die LC-Resonanzinduktivität und die Induktivität des elektromagnetisch gekoppelten Transformators einen gemeinsamen Aufbau. Jedoch auch mit einem Aufbau, bei dem diese Induktivitäten getrennt sind, kann ein kapazitiver Drehmomentsensor in ähnlicher Weise gewonnen werden.
  • Mit Bezug auf 3 wird ein kapazitiver Drehmomentsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Dieser kapazitive Drehmomentsensor enthält eine Rundstange 31 aus isolierendem Plastik oder isolierender Keramik und mit einem kreisförmigen Querschnitt. Die Kreisstange 31 ist in Reihe zu und zwischen eine Aufnahmewelle und eine Abgabewelle zum Aufnehmen und Abgeben eines Drehmoments in einem Lenkrad angeschlossen. Dementsprechend wird die Rundstange 31 als Reaktion auf die Betätigung des Rads gedreht.
  • Eine Umfangsfläche der Rundstange 31 ist mit einer dielektrischen Dickfilm- oder Dünnfilmschicht 32 versehen, die auf einem Abschnitt von ihr ausgebildet ist und deren Dielektrizitätskonstante abhängig von der Belastung veränderlich ist. Ein konzentrischer zylindrischer Isolator 33 ist auf der Rundstange 31 angebracht. Der zylindrische Isolator 33 liegt der dielektrischen Schicht 32 gegenüber, wobei ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt, und er ist stationär. Vorzugsweise ist in dem kleinen Spalt ein Lager angeordnet.
  • Auf der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Isolators 33 sind lineare Elektroden 34a und 34b so ausgebildet, dass sie gegenüber einer Mittelachse der Rundstange 31 in einem vorbestimmten Neigungswinkel von etwa 45° geneigt sind. Die linearen Elektroden 34a und 34b sind jeweils abwechselnd mit gemeinsamen Elektroden 35a und 35b verbunden, so dass sie sogenannte Interdigitalelektroden bzw. einen Interdigitalelektrodenkondensator bilden. Somit wird ein einzelner Kondensator mit einem Kapazitätswert gebildet. Ein Paar von Anschlüssen 36 und 37 ist mit den Interdigitalelektroden verbunden.
  • Als nächstes wird das Arbeitsprinzip des kapazitiven Drehmomentsensors von 3 beschrieben.
  • Wenn ein Lenkrad betätigt wird, wirkt eine relative Drehkraft zwischen der Aufnahmewelle und Abgabewelle, um dadurch ein Torsionsmoment auf die Rundstange 31 aufzubringen. Dann tritt in der auf der Oberfläche der Rundstange 31 ausgebildeten dielektrischen Schicht 32 eine Spannung auf, die eine Änderung der Dielektrizitätskonstante zur Folge hat. Anders ausgedrückt hat die dielektrische Schicht 32 eine vorbestimmte Spannung-zu-Dielektrizitätskonstante-Umwandlungseigenschaft. Da die linearen Elektroden 34a und 34b kapazitiv mit der dielektrischen Schicht 32 gekoppelt sind, wobei ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt, ändert sich der Kapazitätswert zwischen den An schlüssen 36 und 37 entsprechend einer Änderung der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht 32. Mit Bezug auf die oben erwähnte Kapazitätsänderung kann die Größe des erzeugten Drehmoments erfasst werden.
  • Entsprechend dem kapazitiven Drehmomentsensor in 3 ist es möglich, das Drehmoment zu erfassen, ohne auf eine magnetische Abschirmung zu vertrauen und ohne durch ein äußeres Magnetfeld beeinflusst zu sein. Weiterhin ist der Aufbau einfach und eine LC-Oszillationsschaltung kann leicht gebildet werden.
  • Die Rundstange 31 kann eine leitfähige Metallstange enthalten und eine Plastikschicht oder Keramikschicht, die darauf ausgebildet ist und eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist. Weiter können die Interdigitalelektroden auf einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Isolators 33 ausgebildet sein.
  • Mit Bezug zusätzlich auf 4 wird eine Drehmomenterfassungsschaltung beschrieben, die den kapazitiven Drehmomentsensor von 3 verwendet.
  • Eine Oszillationsschaltung 41 ist eine LC-Oszillationsschaltung oder eine RC-Oszillationsschaltung, die die Kapazität des kapazitiven Drehmomentsensors in 3 enthält und an einen f-V-Wandler 42 eine Frequenz liefert, die der Änderung des Kapazitätswert des kapazitiven Drehmomentsensors von 3 entspricht. Der f-V-Wandler 42 wandelt die Frequenz in eine Spannung um und liefert die Spannung an einen Operationsverstärker 43. Von einem Ausgangsanschluss 44 des Operationsverstärkers 43 wird ein Ausgangssignal erzeugt, das kennzeichnend für ein aufgebrachtes Torsionsmoment ist. Daher ist es möglich, ein sehr geringes Drehmoment exakt zu erfassen.
  • Vorzugsweise wird die von der Oszillationsschaltung 41 erzeugte Frequenz einem Mikrocomputer zugeführt, der direkt die Fre quenz berechnet, und das Ausgangssignal wird als Digitalsignal erzeugt.
  • Mit Bezug auf 5 wird ein kapazitiver Drehmomentsensor nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ähnliche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Auch bei dem kapazitiven Drehmomentsensor von 5 ist eine Oberfläche einer Rundstange 31 mit einer dielektrischen Dickfilm- oder Dünnfilmschicht versehen, die auf einem Abschnitt von ihr ausgebildet ist und deren Dielektrizitätskonstante abhängig von der Torsionsbelastung veränderlich ist.
  • Zwei zylindrische Isolatoren 33a und 33b sind auf der Rundstange 31 angebracht. Diese zylindrischen Isolatoren 33a und 33b liegen einander gegenüber, wobei ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt, sie sind in verschiedenen Bereichen auf einer äußeren Umfangsfläche einer dielektrischen Schicht 32 angebracht, die in der Axialrichtung der Rundstange 31 verschieden sind, und sie sind stationär. Vorzugsweise ist ein Lager in dem kleinen Spalt angeordnet.
  • Auf der äußeren Umfangsfläche jedes der zylindrischen Isolatoren 33a und 33b sind lineare Elektroden 34a und 34b ausgebildet, so dass sie gegenüber einer Mittelachse der Rundstange 31 in einem vorbestimmten Neigungswinkel von etwa 45° geneigt sind. Bei dem einen zylindrischen Isolator 33a und dem anderen zylindrischen Isolator 33b sind die Neigungsrichtungen der linearen Elektroden 34a und 34b voneinander verschieden.
  • Die linearen Elektroden 34a und 34b sind abwechselnd jeweils mit gemeinsamen Elektroden 35a und 35b verbunden, um sogenannte Interdigitalelektroden bzw. einen Interdigitalelektrodenkondensator zu bilden. Somit wird um die Rundstange 31 zusätzlich zu einem Erfassungskondensatorabschnitt 51, wie er in 3 gezeigt ist, ein Referenzkondensatorabschnitt 52 gebildet. Der Referenzkondensatorabschnitt 52 hat die gleichen thermischen Eigenschaften wie der Erfassungskondensatorabschnitt 51. Durch Korrigieren der Kapazitätsänderungsrate des Erfassungskondensatorabschnittes 51 im Hinblick auf die Änderung der Umgebungstemperatur durch Verwendung der Änderungsrate der Kapazität des Referenzkondensatorabschnittes 52 ist es möglich, die Schwankung der Eigenschaften abhängig von der Änderung der Umgebungstemperatur auszuschließen und die Drehmomenterfassungsempfindlichkeit auf einen im wesentlichen doppelten Wert zu verbessern.
  • Als nächstes wird auf mit Bezug auf 6 eine Drehmomenterfassungsschaltung beschrieben, die den kapazitiven Drehmomentsensor von 5 verwendet.
  • Eine Oszillationsschaltung 61 ist eine LC-Oszillationsschaltung oder eine RC-Oszillationsschaltung, die die Kapazität des Erfassungskondensatorabschnitts 51 enthält. Die Oszillationsschaltung 61 liefert an einen f-V-Wandler 62 eine Frequenz, die der Kapazitätsänderung des Erfassungskondensatorabschnitts 51 entspricht. Der f-V-Wandler 42 wandelt die Frequenz in eine Spannung um und liefert die Spannung an einen Komparator 63.
  • Eine Oszillationsschaltung 64 ist eine LC-Oszillationsschaltung oder RC-Oszillationsschaltung, die eine Kapazität des Referenzkondensatorabschnitts 52 enthält. Die Oszillationsschaltung 64 liefert an einen f-V-Wandler 65 eine Frequenz, die der Kapazitätsänderung des Referenzkondensatorabschnittes 52 entspricht. Der f-V-Wandler 65 wandelt die Frequenz in eine Spannung um und liefert die Spannung an den Komparator 63.
  • Der Komparator 63 berechnet eine Differenz zwischen den so zugeführten Spannungen und erzeugt an seinem Ausgangsanschluss 66 ein Ausgangssignal, das kennzeichnend für ein aufgebrachtes Torsionsmoment ist. Auf diese Weise wird eine Temperaturkor rektur durchgeführt, so dass ein kleines Drehmoment exakt erfasst werden kann, auch wenn die thermische Umgebung geändert wird.
  • Vorzugsweise wird die von jeder der Oszillationsschaltungen 61 und 64 erzeugte Frequenz einem Mikrocomputer zugeführt, der direkt die Frequenz berechnet, und das Ausgangssignal wird als Digitalsignal erzeugt.
  • In einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, als dielektrische Schicht eine dielektrische Keramikschicht zu verwenden, die in einem keramischen Kondensator oder dergleichen verwendet wird. In dem Fall, in der der Referenzkondensator und der Erfassungskondensator im wesentlichen in dem dielektrischen Material, der Schichtdicke und der Größe in der Interdigitalelektroden übereinstimmen, müssen der Referenzkondensator und der Erfassungskondensator nicht auf der selben Oberfläche gebildet sein, sondern sie können getrennt voneinander angeordnet sein, vorausgesetzt das die thermische Umgebung des Erfassungskondensators und des Referenzkondensators als gleich angesehen werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Der kapazitive Drehmomentsensor der vorliegenden Erfindung ist geeignet als Drehmomentsensor zur Verwendung in einer elektrischen Lenkhilfevorrichtung in einem Automobil oder einem leistungsunterstützten Fahrrad.

Claims (11)

  1. Kapazitiver Drehmomentsensor mit einer Stange (21) mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer dielektrischen Schicht (22), die zumindest an einem Abschnitt einer äußeren Umfangsfläche der Stange ausgebildet ist und deren Dielektrizitätskonstante abhängig von der Belastung veränderlich ist, und einem Paar von Interdigitalelektroden (23a, 23b), die der dielektrischen Schicht zugewandt sind und einen einzelnen Kondensator bilden, wobei die Interdigitalelektroden eine Mehrzahl von linearen Elektroden enthalten, die gegenüber einer Mittelachse der Stange in einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt sind.
  2. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem die dielektrische Schicht eine im wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist oder der vorbestimmte Neigungswinkel etwa 45° beträgt oder die Stange as einem Isolator besteht oder die Stange einen zentralen Leiter und eine auf der Oberfläche des Leiters ausgebildete Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante enthält.
  3. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem die linearen Elektroden direkt auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht ausgebildet sind.
  4. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 3 mit einer ersten Spule (26), die entlang dem äußeren Umfang der Stange bereitgestellt ist und eine Induktivität bildet, einem Verbindungsteil, das den Kondensator und die Induktivität miteinander verbindet zum Bilden eines geschlossenen Kreises, und einer zweiten Spule (27), die elektromagnetisch mit der ersten Spule gekoppelt ist, wobei ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt.
  5. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 4, bei dem ein magnetischer Abschnitt auf zumindest einem Teil der Stange in einer Richtung entlang ihrer Mittelachse ausgebildet ist, wobei die erste Spule in dem magnetischen Abschnitt bereitgestellt ist.
  6. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 5, bei dem der magnetische Abschnitt einen nach außen gerichteten vertieften Abschnitt aufweist, der sich um die Mittelachse der Stange herum erstreckt, wobei die erste Spule in dem nach außen gerichteten vertieften Abschnitt aufgenommen ist.
  7. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 6 mit einem nach innen gerichteten vertieften Abschnitt, der dem nach außen gerichteten vertieften Abschnitt in der radialen Richtung gegenüberliegt, wobei die zweite Spule in dem nach innen gerichteten vertieften Abschnitt aufgenommen ist.
  8. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 1 mit einem zylindrischen Isolator, der an der Stange angebracht ist und der dielektrischen Schicht gegenüberliegt, wobei ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt, wobei die linearen Elektroden auf der Umfangsfläche des zylindrischen Isolators ausgebildet sind.
  9. Kapazitiver Drehmomentsensor nach Anspruch 8, bei dem die Interdigitalelektroden auf der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Isolators ausgebildet sind oder die Interdigitalelektroden auf der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Isolators ausgebildet sind oder ein zusätzlicher zylindrischer Isolator enthalten ist, der an der Stange angebracht ist und der dielektrischen Schicht gegenüberliegt, wobei ein kleiner Spalt dazwischen verbleibt, sowie ein paar zusätzlicher Interdigitalelektroden, die auf der Umfangsfläche des zusätzlichen zylindrischen Isolators ausgebildet sind und einen Kondensator bilden, wobei die zusätzlichen Interdigitalelektroden eine Mehrzahl von zusätzlichen linearen Elektroden enthalten, die gegenüber der Mittelachse der Stange in einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt sind.
  10. Verfahren zum Erfassen eines Drehmoments unter Verwendung eines kapazitiven Drehmomentsensors mit einer Stange (21) mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer dielektrischen Schicht (22), die zumindest an einem Abschnitt einer äußeren Umfangsfläche der Stange ausgebildet ist und dessen Dielektrizitätskonstante abhängig von der Belastung veränderlich ist, und einem Interdigitalelektrodenkondensator, der der dielektrischen Schicht zugewandt ist und gegenüber einer Mittelachse der Stange in einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt ist wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Aktivieren eines Modulationsvorgangs als Reaktion auf eine Kapazitätsänderung des Interdigitalelektrodenkondensators zum Erzeugen eines Modulationsfrequenzsignals und Erfassen eines Drehmoments aus dem Modulationsfrequenzsignal.
  11. Verfahren zum Erfassen eines Drehmoments nach Anspruch 10, bei dem der kapazitive Drehmomentsensor einen zusätzlichen Interdigitalelektrodenkondensator enthält, der der dielektrischen Schicht zugewandt ist und gegenüber der Mittelachse der Stange in einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Aktivieren eines Modulationsvorgangs als Antwort auf eine Kapazitätsänderung des zusätzlichen Interdigitalelektrodenkondensators zum Erzeugen eines zusätzlichen Modulationsfrequenzsignals und Durchführen einer Temperaturkorrektur unter Verwendung des zusätzlichen Modulationsfrequenzsignals.
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