EP2300795A1 - Drehmomentsensoranordnung mit drehwinkel-index-erfassung - Google Patents

Drehmomentsensoranordnung mit drehwinkel-index-erfassung

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EP2300795A1
EP2300795A1 EP09780580A EP09780580A EP2300795A1 EP 2300795 A1 EP2300795 A1 EP 2300795A1 EP 09780580 A EP09780580 A EP 09780580A EP 09780580 A EP09780580 A EP 09780580A EP 2300795 A1 EP2300795 A1 EP 2300795A1
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EP
European Patent Office
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sensor
index
shaft
encoder
torque
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09780580A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Rink
Henrik Antoni
Wolfgang Fritz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Teves AG and Co OHG
Original Assignee
Continental Teves AG and Co OHG
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Teves AG and Co OHG filed Critical Continental Teves AG and Co OHG
Publication of EP2300795A1 publication Critical patent/EP2300795A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement according to the preamble of claim 1 and to the use of the sensor arrangement in motor vehicles
  • the invention is based on the object to propose a functionally expanded sensor arrangement based on a torque sensor.
  • the torque sensor and the rotation angle indexing unit are preferably integrated in a common assembly. As a result, manufacturing costs and installation costs can be reduced.
  • the sensor elements and / or electronic components of the torque sensor and the rotation angle index unit are arranged in particular on a common board and / or on a common chip.
  • the torque sensor and the rotation angle indexing unit are preferably designed to use physically different sensory detection principles compared to each other.
  • the torque sensor uses a magnetic encoder and at least one magnetic field sensor element
  • the rotation angle index unit uses an optical encoder and an optical sensor element.
  • the torque sensor comprises a first and a second shaft portion of the first shaft, both of which are connected to each other by means of a torsion bar and are formed and arranged rotatable against each other, wherein a magnetic encoder is disposed on the first shaft portion and two on the second shaft portion associated with this encoder stator elements, respectively protruding fingers are arranged.
  • stator elements each comprise a soft-magnetic ring element, which has axially protruding, particularly preferably substantially trapezoidal, fingers with respect to the first shaft, wherein the fingers of the two stator elements engage in contact with each other and wherein at least one magnetic field sensor element is associated with the stator elements, by means of which directly or indirectly, the relative angle of rotation between the first and the second shaft portion is detected, from which is closed to the torque acting on the first shaft.
  • a torque sensor has proven to be relatively precise and reliable.
  • This training trapezoidal fingers has been found to be particularly suitable for a relatively precise conduction of the magnetic field.
  • the two shaft portions are each formed in the form of attached to the first shaft or on the torsion bar sleeves.
  • the torque sensor does not comprise a torsion bar or is configured such that the torque is detected on a substantially rigid shaft, wherein the torque sensor has at least one of the following sensor elements,
  • Sensor element based on the use of surface waves, wherein this at least one sensor element is connected directly or indirectly to the first shaft and / or is thus extended. is formed and arranged that it can detect a torque acting on the first shaft.
  • the sensor element is arranged in particular on a sensor carrier module, which enables a simplified mounting on the shaft, wherein this sensor carrier module is arranged in a recess of the shaft or in the form of a film which is arranged on the shaft or applied to the shaft.
  • the sensor carrier module is particularly preferably designed and fitted in the shaft and / or connected to it, that the sensor carrier module is deflected by the torque which acts on the shaft, and / or transmitted to the sensor carrier module a voltage applied in the shaft mechanical stress and that the at least one sensor element detects this deflection and / or mechanical stress.
  • the sensor carrier module is very particularly preferably designed such that it receives its electrical supply energy wirelessly and transmits or transmits information wirelessly.
  • the sensor carrier module for example, an RFID chip (radio frequency identification).
  • the rotation angle index unit preferably has an index encoder element and an index sensor element associated therewith, the index encoder element or index sensor element being directly or indirectly connected to the first shaft and rotating therewith and the corresponding indexing element. Sensor element or the index encoder element stationary, contactlessly arranged to the first shaft.
  • the index encoder element is in particular formed magnetically or optically detectable and / or electrically conductive, wherein the index sensor element comprises at least one magnetic field sensor element and / or a coil or an optical sensor element.
  • the index encoder element is particularly preferably designed as a magnetically and / or electrically conductive disk or disk segment, which is arranged substantially perpendicular to the axis of the first shaft.
  • the index encoder element is particularly preferably formed as a flag or flag element or finger or punching other coding in a body, said body itself and / or the index coding is magnetically o- formed optically detectable.
  • the index encoder element is designed as a magnetically conductive perforated disc or disc with at least one recess.
  • index sensor element is preferably understood to mean the term first sensor element and / or the term first magnetic field sensor element.
  • a magnetic field sensor element is understood to mean a magnetoelectric transducer element, preferably a Hall element or a magnetoresistive sensor element. Such a magnetic field sensor element has, in particular, an integrated, electronic signal processing circuit.
  • the index encoder element is preferably fastened by means of a carrier element on the first shaft or one of the shaft sections of the torque sensor.
  • this support member is formed substantially annular.
  • An index encoder element is preferably understood to mean an index segment, in particular with regard to a detection of this index segment with respect to a relative angle of rotation between the index segment and the index sensor element or magnetic field sensor element.
  • the detection or non-detection of the index encoder element by the index sensor element preferably makes it possible to determine whether the respectively present at a defined time, relative angle of rotation between the first shaft and a fixed reference point or the index sensor element within a defined index range or . of a defined overlap area lies.
  • the index encoder element is designed as a magnetic encoder and the rotational angle index unit has two magnetically conductive baffles which supply the magnetic field generated or modulated by the index encoder element to the index sensor element and the index sensor element thereby becomes the index - Encoderelement, in particular within a defined Ü overlap region, with respect to the detectable length of the index encoder element and the length of the baffles based on the respective circumference, can detect.
  • the baffles allow the use of a relatively weak magnet as an index element, whereby other sensor modules of the sensor arrangement work according to a magnetic principle of action, such as an optional, described below torque sensor module are disturbed to the least possible extent.
  • the index encoder element is arranged on a magnetic encoder of a rotation angle sensor module and in particular is coded directly or indirectly in the one or more magnetic tracks of this encoder.
  • the sensor arrangement has no rotation angle sensor module with this encoder.
  • the sensor arrangement preferably has a torque sensor, which comprises at least one alternately magnetized second encoder, the two stator with axially projecting, interlocking fingers are assigned, wherein the stator elements, the magnetic field of the second encoder, in particular by means of two additional collecting sheets, to a second magnetic field sensor element Detecting the between the shaft sections or the voltage applied to the shaft or effective torque.
  • the index encoder element is preferably arranged on a collar of one of the stator elements of the torque sensor and or a collar of an additional encoder. As a result, the index encoder element can be relatively easily and inexpensively mounted on the first shaft and / or one of the shaft portion.
  • the rotation angle index unit comprises a first sensor element, in particular a first magnetic field sensor element, and the torque sensor comprises a second magnetic field sensor element.
  • the first second magnetic field sensor element and at least one signal processing circuit are expediently arranged on a common board.
  • the baffles of the rotation angle index unit have different large areas with respect to a plane perpendicular to the first shaft, wherein in particular the adjacent to the torque sensor baffle has a larger area than the other baffle, whereby a shielding of the torque sensor relative to the magnetic field of the magnetic index Encoder element is achieved.
  • the stator elements of the torque sensor are connected to each other by means of a common connecting element, in particular of injection-molded plastic. As a result, the relative orientation of the two stator elements relative to each other is set relatively precisely and firmly.
  • the sensor arrangement preferably comprises a common housing.
  • the rotation angle indexing unit is preferably formed according to one of the following detection principles:
  • an optical flag is directly or indirectly fixed as an index encoder element that rotates with the shaft.
  • An optical transmission unit integrated, in particular in a sensor electronics, generates an electromagnetic wave, alternatively exemplarily visible or invisible light, and sends it in the direction of a photosensitive sensor unit.
  • the index encoder element is detected by the amount of light on the receiving unit. This principle is particularly advantageous in conjunction with a torque sensor, since the physical measuring principles are different.
  • a magnetic encoder On the first shaft, a magnetic encoder is applied which is magnetized with alternating poles.
  • the reading unit used is a magnetoresistive length sensor which is designed for operation with a defined pole length. At the index location or when the index segment is detected, its pole length is smaller than the remaining angular range. different, so that an amplitude change of the bridge signal of the length sensor is measured.
  • a resonant circuit consisting of a coil that is supplied with alternating current. If now a measuring flag is moved as an index encoder element in front of the coil, an eddy current is induced in the flag, which generates according to the Faraday's law of induction an electromagnetic field, which counteracts the field of the exciter coil and causes a change in the coil impedance.
  • an antenna structure as inductive load (tag) On the first wave an antenna structure as inductive load (tag) is mounted, which can be brought into resonance with the transmitting / receiving unit. If the tag is now moved past the transmitting / receiving unit, the circuit is brought into resonance.
  • a sensor with a wireless signal transmission based on RFID, and the index sensor on the same basis, since the components such as antenna structure and resonant circuit can be realized in the same manufacturing manner.
  • the inductive proximity switch operates similarly to the eddy current sensor, an AC-powered coil with ferrite core generates an alternating field generated by the Flag is damped and thus changed the quality of the coil.
  • measurement by means of wheel speed sensor The magnetic field of a wheel speed sensor or a switching Hall sensor with auxiliary magnets is changed by a flag in his direction or the Hall sensor in its flux density, which can be registered by the sensor.
  • the invention also relates to the use of the sensor arrangement in motor vehicles, in particular as a torque sensor arrangement with rotation angle index detection, particularly preferably in the steering of a motor vehicle.
  • the invention also relates to a steering system with one of the claimed or proposed above sensor arrangements or sensor arrangement variants, wherein the first shaft with a drive unit, in particular an electric motor or a hydraulic servo unit, is directly or indirectly mechanically coupled, so that the drive unit a rotational movement the first shaft, wherein the sensor arrangement comprises an angle sensor which detects the rotation angle of the drive shaft of the drive unit, as a second shaft, wherein the angle sensor and the drive unit are in particular formed so that the angle sensor, the rotation angle of the second shaft within a absolutely grasp revolution.
  • FIG. 4 shows an exemplary sensor arrangement comprising a rotation angle index unit and a torque sensor with stator elements whose fingers are assigned to a magnetic encoder
  • Fig. 5 shows an alternative, relative arrangement of
  • FIG. 9 shows a sensor arrangement comprising a
  • a torque sensor that detects a torque on a rigid shaft and a rotation angle index unit that includes an RFID, 10 shows an exemplary sensor arrangement
  • FIG. 11 shows an alternative embodiment of a rotation angle indexing unit with an optical forked light barrier.
  • First magnetic field sensor element 11 detects, for example, the magnetic field and thus the relative position to index encoder element 13 by detecting whether or not the detection range of magnetic field sensor element 11 and the region of index encoder element 13 overlap.
  • index encoder element 13 is attached as a dipole magnet for example by means of a support member 16 on the first shaft 1.
  • Index encoder element 13 are two baffles 15 a, b associated without contact. These baffles 15 a, b lead the magnetic field, the index encoder element 13 to the first magnetic field sensor element 11 in a suitable relative position. Index encoder element 13 therefore only needs to generate a magnetic field with a relatively low flux density.
  • the overlap region between index encoder element 13 or 13 ' is designed, for example, as a permanent magnet, relative to baffles 15a and 15b, which are assigned to the first magnetic field sensor element 11.
  • Guide plate 15a is formed larger and covers a larger angle range than baffle 15b.
  • the first magnetic field sensor element 11 detects the index encoder element 13 or 13 '.
  • the larger design of baffle 15a is used to shield other sensor assembly modules, in particular the torque sensor relative to the magnetic field of the index encoder element thirteenth
  • FIG. 4 shows an embodiment of a sensor arrangement with a torque sensor 2, comprising an alternately magnetized encoder 7, two stator elements 8a, b associated therewith collecting sheets 18 a, b and a second magnetic field sensor element 14, with which the magnetic field of the magnetic encoder 7 is detected which is modulated by stator elements 8a, b as a function of a torque acting on the first shaft 1.
  • Stator elements 8a, b are each formed of magnetically conductive material, e- as well as collecting plates 18a, b, stator elements 8a, b each having a ring member 10 and trapezoidal fingers 9 which project axially relative to the first shaft 1 of the ring elements and facing each other , formed and arranged in an interlocking manner.
  • the sensor arrangement comprises a rotation angle index unit 3, which forms a common integrated assembly with the torque sensor 2.
  • Rotational index unit 3 includes index encoder element 13, designed as a permanent magnet, which is arranged on a collar 19 of one of the stator elements 8b.
  • Guide plates 15a, b lead the magnetic field of the dipole magnet formed as index encoder element 13 to the first magnetic field sensor element 11.
  • Magnetic field sensor elements 11, that is, the first, and 14, so the second, are arranged on a common electronic board 20.
  • the sensor arrangement has a common housing 21, for example Plastic formed on, in which plug 22 is integrated.
  • First shaft includes, for example, a first 4 and a second shaft portion 5, which are interconnected by a torsion bar, not shown.
  • magnetic encoder 7 is arranged, for example, on the first shaft section 4 and the stator elements 8a, 8b on the second shaft section 5.
  • the rotation angle index unit 3 is likewise arranged on the second shaft section 5.
  • the rotation angle indexing unit is designed such that it does not comprise guide vanes, and instead the index sensor element and the indexing encoder element have a significantly smaller distance from one another.
  • the annular index encoder element has a much larger outer radius compared to Fig. 4 and thus projects up to a relatively small air gap directly to the first magnetic field sensor element or index sensor element.
  • FIG. 5 shows an alternative exemplary embodiment with regard to the relative arrangement of the index encoder element 13 designed as a dipole magnet to guide plates 15a, b and the first magnetic field sensor element 11.
  • Baffles 15a, b are index encoder element 13 not frontal but mainly associated with the side.
  • FIG. 6 shows an exemplary sensor arrangement with an alternative rotation angle index unit 3, in which the first sensor element or index sensor element 11 is shown as being of alternating ström Wegflossene or suitably excited coil is formed, which is associated with an index encoder element 13, which is arranged for example as a steel cam on a support member 16 on the first shaft 1.
  • the first sensor element 11 detects the changing magnetic conductivity of its magnetic circuit, in the case that steel cam 13 is arranged opposite it, compared to when steel cam 13 is rotated away.
  • the index encoder element is designed as an electrically conductive finger or segment or flag, in which eddy currents are generated by coil 11, which coil 11 in the case of an opposite positioning electrically influence again or a voltage in coil 11th whereby one can be arranged opposite one another or a correspondingly defined relative positioning between the coil 11 and the finger can be identified as a defined rotation angle or rotation angle range.
  • the combination of the torque sensor with this rotation angle indexing unit based on an eddy current sensor unit is advantageous because of the negligible mutual interference caused by the strong frequency differences of the electromagnetic fields.
  • an exemplary rotational angle indexing unit 3 with the torque sensor already described with reference to FIG. 4 is integrated into a common subassembly which comprises a wheel speed sensor comprising a permanent magnet 23 as the first sensor unit or index sensor unit 11 with magnetization in the arrow direction and a magnetoresistive sensor element 24.
  • the index sensor unit 11 is an on the first wave 1 ange- associated, annular index encoder element 13, which is formed of magnetically conductive material and two scenes 25, 26, the formation and orientation and the influenced by this magnetic field in Fig. 7 b), c) is illustrated. Depending on the design of the scenes 25, 26 to each other, the magnetic field is deflected to the right or left, which is detected by sensor element 24.
  • the defined rotation angle range of the rotation angle index unit is exemplified by a relative formation of the scenes 25, 26 to each other according to FIG. 7 b) encoded, the other area of these scenes 25, 26 of the annular index encoder element 13 with respect to a circumferential line around first shaft 1 according to Fig. 7b) is formed.
  • FIG. 8 a) to c) illustrate an alternative exemplary rotation angle index unit 3 with the torque sensor already described with reference to FIG. 4 to form a common assembly, whose first sensor unit or index sensor unit 11 comprises a magnetic field sensor element. which comprises a few differently oriented sensitive structures 27. These are formed or arranged substantially along the detection direction or the tangential direction of movement of the annular index encoder element 13 within the magnetic field sensor element. The orientation of these sensitive structures, so their sensitive detection direction is illustrated by the solid through these bars.
  • Index encoder element 13 has along its in Fig. 8 b) unwound, illustrated encoder track magnetic pole pairs each defined, same length, with the exception of the pole length of the index segment 17.
  • the resulting amplitude A of the output signal of the magnetic field sensor element is based on Fig. 8 c) illustrates.
  • Index segment 17 and thus the defined rotation angle or rotation angle range is identified by a significantly different amplitude relative to the residual angle range.
  • Such an arrangement with different sensitive structures 27 has proven to be particularly robust metrology.
  • First shaft 1 has, for example, no torsion bar for torque detection, but the torque acting on the shaft is measured by means of a sensor element which is integrated in an RFID chip 29, which is arranged on a sensor carrier module 28, which allows a simplified mounting on the shaft , Sensor support module 28 disposed in a recess of the shaft and fitted in the shaft.
  • the sensor carrier module 28 is exemplarily designed such that it receives its electrical supply energy wirelessly and transmits or transmits information wirelessly.
  • RFID chip 29 comprises the sensor element of the torque sensor, the index encoder element and an electronic signal processing circuit.
  • the electrical power supply and the torque information transmission are performed by means of the first antenna 30, wherein the rotational angle index unit has an additional second antenna 31 as an index sensor element.
  • the index information between the RFID chip 29 and the second antenna 31 is transmitted wirelessly at a significantly different frequency, the components required for this purpose being designed accordingly.
  • FIG. 9 has been further developed by way of example, as shown in FIG. In Fig. 10 c) two ring antennas 32 a, b are shown, one of which, 32 b, with the RFID chip 29 on the sensor support module 28, which is fitted into the first shaft 1, is connected. By means of these ring antennas, the electrical power supply for RFID chip 20 and the torque information transmission is performed.
  • the rotational angle index unit comprises the two ring antennas, one 32b acting as an index encoder element and the other 32a as an index sensor element in that both ring antennas are substantially geometrically identical and have a gap 33 and the defined rotational angle or rotational angle range is identified or detected if both gaps are opposite.
  • the coupling is reduced, which can be determined on the basis of the output signal amplitude as shown in FIG. 10b).
  • the two ring antennas 32a, b are, for example, designed and arranged such that they surround the first shaft 1, and thereby have one or more turns, which are formed substantially geometrically congruent and thereby annular-segment-shaped or horseshoe-shaped and each have a defined gap 33.
  • FIG. 11 shows an alternative exemplary embodiment of a rotation angle indexing unit, which has an optically detectable lug 13 as index encoder element, which lug is arranged on the first shaft and which is detected by means of a forked light barrier as index sensor element 11.
  • This fork light barrier in this case has an optical transmission unit 34, which alternatively exemplarily visible or invisible e- lektromagnetician waves emmitiert, which are detected by optical sensor unit 35, except flag 13 is disposed between the transmitting unit 34 and the sensor unit 35, which identifies the defined angle or index / index area.

Abstract

Sensoranordnung, umfassend einen Drehmomentsensor (2) zur Messung des an eine erste Welle (1) angreifenden Drehmoments, wobei die Sensoranordnung eine Drehwinkel-Indexeinheit (3) aufweist, welche so ausgelegt ist, dass sie die Winkelstellung der ersten Welle (1) bezüglich eines definierten Drehwinkels und/oder definierten Drehwinkelbereichs erfassen und/oder identifizieren kann.

Description

Drehmomentsensoranordnung mit Drehwinkel -Index-Erfassung
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine funktional erweiterte Sensoranordnung auf Basis eines Drehmomentsensors vorzuschlagen .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
Der Drehmomentsensor und die Drehwinkel-Indexeinheit sind vorzugsweise in einer gemeinsamen Baugruppe integriert. Hierdurch können Herstellungskosten und Einbaukosten gesenkt werden. Die Sensorelemente und/oder elektronische Bauelemente des Drehmomentsensors und der Drehwinkel-Indexeinheit sind insbesondere auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und/oder auf einem gemeinsamen Chip.
Der Drehmomentsensor und die Drehwinkel-Indexeinheit sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie im Vergleich zueinander physikalisch unterschiedliche sensorische Erfassungsprinzipien nutzen. Der Drehmomentsensor nutzt insbesondere einen magnetischen Encoder und wenigstens ein Magnetfeldsensorelement und die Drehwinkel-Indexeinheit einen optischen Encoder und ein optisches Sensorelement.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt der ersten Welle umfasst, die beide mittels eines Torsionsstabes miteinander verbunden sind und gegeneinander verdrehbar ausgebildet und angeordnet sind, wobei auf dem ersten Wellenabschnitt ein magnetischer Encoder angeordnet ist und auf dem zweiten Wellenabschnitt zwei diesem Encoder zugeordnete Statorelemente mit jeweils abragenden Fingern angeordnet sind. Insbesondere umfassen dabei die Statorelemente jeweils ein weichmagnetisches Ringelement, welches bezüglich der ersten Welle axial abragende, besonders bevorzugt im Wesentlichen trapezförmig ausgebildete, Finger aufweist, wobei die Finger der beiden Statorelemente berührungslos ineinander greifen und wobei den Statorelementen gemeinsam wenigstens ein Magnetfeldsensorelement zugeordnet ist, mittels welchem direkt oder indirekt der relative Verdrehwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt erfasst wird, aus welchem auf das an der ersten Welle angreifende Drehmoment geschlossen wird. Solch ein Drehmomentsensor hat sich als relativ präzise und zuverlässig erwiesen. Diese Ausbildung trapezförmiger Finger hat sich als besonders geeignet für eine relativ präzise Leitung des magnetischen Feldes erwiesen.
Zweckmäßigerweise sind die beiden Wellenabschnitte jeweils in Form von auf der ersten Welle oder auf dem Torsionsstab befestigten Hülsen ausgebildet.
Alternativ vorzugsweise umfasst der Drehmomentsensor keinen Torsionsstab bzw. ist so ausgebildet, dass das Drehmoment an einer im Wesentlichen steifen Welle erfasst wird, wobei der Drehmomentsensor mindestens eines der folgenden Sensorelemente aufweist,
- Dehnungsmessstreifen,
- piezoelektrisches und/oder piezoresistives Sensorelement,
- magnetostriktives Sensorelement,
- Sensorelement basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen, wobei dieses mindestens eine Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle verbunden ist und/oder so ausge- bildet und angeordnet ist, dass es ein an die erste Welle angreifendes Drehmoment erfassen kann. Das Sensorelement ist insbesondere auf einem Sensorträgermodul angeordnet, welches eine vereinfachte Montage auf der Welle ermöglicht, wobei dieses Sensorträgermodul in einer Ausnehmung der Welle angeordnet ist oder in Form einer Folie ausgebildet ist, welche auf der Welle angeordnet bzw. auf die Welle aufgebracht ist. Das Sensorträgermodul ist besonders bevorzugt so ausgebildet und in die Welle eingepasst und/oder mit dieser verbunden, dass das Sensorträgermodul durch das Drehmoment, welches an der Welle angreift, mit ausgelenkt wird und/oder eine in der Welle anliegende mechanische Spannung auf das Sensorträgermodul übertragen wird und dass das mindestens eine Sensorelement diese Auslenkung und/oder mechanische Spannung er- fasst. Das Sensorträgermodul ist ganz besonders bevorzugt so ausgebildet, dass es seine elektrische Versorgungsenergie drahtlos erhält und Informationen drahtlos sendet bzw. überträgt. Dazu weist das Sensorträgermodul beispielsweise einen RFID-Chip (Radiofrequenz-Identifikation) auf.
Die Drehwinkel-Indexeinheit weist vorzugsweise ein Index- Encoderelement und ein, diesem zugeordnetes, Index- Sensorelement auf, wobei das Index-Encoderelement oder das Index-Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle verbunden ist und sich mit dieser dreht und das korrespondierende Index-Sensorelement oder das Index- Encoderelement ortsfest, berührungslos zur ersten Welle angeordnet ist. Das Index-Encoderelement ist insbesondere magnetisch oder optisch erfassbar und/oder elektrisch leitfähig ausgebildet, wobei das Index-Sensorelement mindestens ein Magnetfeldsensorelement und/oder eine Spule oder ein optisches Sensorelement umfasst. Das Index-Encoderelement ist besonders bevorzugt als magnetisch und/oder elektrisch leitfähige Scheibe oder Scheibensegment ausgebildet, welches im Wesentlichen senkrecht zur Achse der ersten Welle angeordnet ist. Alternativ ist das Index-Encoderelement besonders bevorzugt als Fahne bzw. Fahnenelement oder Finger oder Stanzung andere Codierung in einem Körper ausbildet, wobei dieser Körper selber und/oder die Indexcodierung magnetisch o- der optisch erfassbar ausgebildet ist. Alternativ vorzugsweise ist das Index-Encoderelement als magnetisch leitfähige Lochscheibe oder Scheibe mit wenigstens einer Ausnehmung ausgebildet .
Unter dem Begriff Index-Sensorelement wird vorzugsweise der Ausdruck erstes Sensorelement und/oder der Ausdruck erstes Magnetfeldsensorelement verstanden .
Unter einem Magnetfeldsensorelement wird ein magnetoelektrisches Wandlerelement, vorzugsweise ein Hallelement oder ein magnetoresistives Sensorelement, verstanden. Solch ein Magnetfeldsensorelement weist insbesondere eine integrierte, elektronische Signalverarbeitungsschaltung auf.
Das Index-Encoderelement ist bevorzugt mittels eines Trägerelements auf der ersten Welle oder einem der Wellenabschnitte des Drehmomentsensors befestigt. Insbesondere ist dieses Trägerelement im Wesentlichen ringförmig ausgebildet.
Unter einem Index-Encoderelement wird vorzugsweise ein Indexsegment verstanden, insbesondere hinsichtlich einer Erfassung dieses Indexsegmentes bezüglich eines relativen Verdrehwinkels zwischen dem Indexsegment und dem Index- Sensorelement bzw. Magnetfeldsensorelement. Die Erfassung oder Nicht-Erfassung des Index-Encoderelements durch das Index-Sensorelement ermöglicht vorzugsweise die Feststellung, ob der jeweils zu einem definierten Zeitpunkt anliegende, relative Verdrehwinkel zwischen der ersten Welle und einem ortsfesten Referenzpunkt bzw. dem Index- Sensorelement innerhalb eines definierten Indexbereiches bzw. eines definierten Überlappungsbereiches liegt.
Es ist zweckmäßig, dass das Index-Encoderelement als magnetischer Encoder ausgebildet ist und die Drehwinkel- Indexeinheit zwei magnetisch leitfähige Leitbleche aufweist, welche das durch das Index-Encoderelement erzeugte oder modulierte Magnetfeld dem Index-Sensorelement zuführen und dass das Index-Sensorelement dadurch das Index- Encoderelement, insbesondere innerhalb eines definierten Ü- berlappungsbereichs, bezüglich der erfassbaren Länge des Index-Encoderelements und der Länge der Leitbleche bezogen auf die jeweilige Umfangslinie, erfassen kann. Die Leitbleche ermöglichen die Verwendung eines relativ schwachen Magneten als Indexelement, wodurch anderen Sensormodule der Sensoranordnung die nach einem magnetischen Wirkprinzip arbeiten, wie beispielsweise ein optionales, weiter unten beschriebenes Drehmomentsensormodul, in möglichst geringem Umfang gestört werden.
Es ist bevorzugt, dass das Index-Encoderelement auf einem magnetischen Encoder eines Drehwinkelsensormoduls angeordnet ist und insbesondere direkt oder indirekt in der einen oder in den mehreren magnetischen Spuren dieses Encoders codiert ist. Alternativ vorzugsweise weist die Sensoranordnung kein Drehwinkelsensormodul mit diesem Encoder auf. Die Sensoranordnung weist vorzugsweise einen Drehmomentsensor auf, welcher zumindest einen alternierend magnetisierten zweiten Encoder umfasst, dem zwei Statorelemente mit axial abragenden, ineinandergreifenden Fingern zugeordnet sind, wobei die Statorelemente das magnetische Feld des zweiten Encoders, insbesondere mittels zweier zusätzlicher Sammelbleche, an ein zweites Magnetfeldsensorelement zur Erfassung des zwischen den Wellenabschnitten bzw. des an der Welle anliegenden bzw. wirksamen Drehmoments leiten.
Das Index-Encoderelement ist bevorzugt auf einem Kragen eines der Statorelemente des Drehmomentsensors und oder einem Kragen eines zusätzlichen Encoders angeordnet. Hierdurch lässt sich das Index-Encoderelement relativ einfach und kostengünstig auf der ersten Welle und/oder einem der Wellenabschnitt befestigen.
Es ist zweckmäßig, dass die Drehwinkel-Indexeinheit ein erstes Sensorelement, insbesondere ein erstes Magnetfeldsensorelement, umfasst und der Drehmomentsensor ein zweites Magnetfeldsensorelement. Das erste zweite Magnetfeldsensorelement sowie wenigstens eine Signalverarbeitungsschaltung sind zweckmäßigerweise auf einer gemeinsamen Platine angeordnet.
Es ist bevorzugt, dass die Leitbleche der Drehwinkel- Indexeinheit bezüglich einer zur ersten Welle senkrechten Fläche unterschiedliche große Flächen aufweisen, wobei insbesondere das zum Drehmomentsensor benachbarte Leitblech eine größere Fläche aufweist als das andere Leitblech, wodurch eine Schirmung des Drehmomentsensors gegenüber dem Magnetfeld des magnetischen Index-Encoderelements erzielt wird. Es ist bevorzugt, dass die Statorelemente des Drehmomentsensors mittels eines gemeinsamen Verbindungselements, insbesondere aus gespritztem Kunststoff, miteinander verbunden sind. Hierdurch ist die relative Ausrichtung der beiden Statorelemente zueinander relativ präzise und fest eingestellt.
Die Sensoranordnung umfasst vorzugsweise ein gemeinsames Gehäuse .
Die Drehwinkel-Indexeinheit ist vorzugsweise gemäß einem der folgenden Erfassungsprinzipien ausgebildet:
- vorzugsweise Messung mittels Gabellichtschranke:
Auf der ersten Welle ist eine optische Fahne bzw. Marke als Index-Encoderelement direkt oder indirekt befestigt, die sich mit der Welle dreht. Eine, insbesondere in einer Sensorelektronik integrierte, optische Sendeeinheit generiert eine elektromagnetische Welle, alternativ beispielhaft sichtbares oder nicht sichtbares Licht, und sendet diese in Richtung einer lichtempfindlichen Sensoreinheit. Das Index- Encoderelement wird durch die Lichtmenge auf der Empfangseinheit detektiert. Dieses Prinzip ist in Verbindung mit einem Drehmomentsensor besonders vorteilhaft, da die physikalischen Messprinzipien unterschiedlich sind.
- bevorzugt Messung mittels MR- Längensensor:
Auf der ersten Welle wird ein magnetischer Encoder aufgebracht der mit alternierenden Polen magnetisiert ist. Als Leseeinheit dient ein magnetoresisitiver Längensensor der auf den Betrib mit einer definierten Pollänge ausgelegt ist. Am Indexort bzw. bei Erfassung des Indexsegments ist dessen Pollängen gegenüber dem restlichen Winkelbereich unter- schiedlich, so dass eine Amplitudenänderung des Brückensignals des Längensensors gemessen wird.
- zweckmäßigerweise Messung mittels MR- Gradientensensor: Auf einem Sensorchip sind zwei orts-unterschiedliche magne- toresistive Strukturen aufgebracht, deren Einzelwiderstände jeweils paarweise miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das Sensorelement kann nun ein magnetisches Flag bzw. einen magnetischen Index, der/das als Index-Encoderelement mit der ersten Welle verbunden ist, erkennen, wobei magnetische Störfelder kompensiert werden können. Ein solcher Sensoraufbau ist beispielhaft in Druckschrift DE 4436876 dargestellt.
- bevorzugt Messung mittels Wirbelstromsensor:
Ein Schwingkreis bestehend aus einer Spule die mit Wechselstrom gespeist wird. Wird nun ein Messflag als Index- Encoderelement vor die Spule bewegt, wird in dem Flag ein Wirbelstrom induziert, der nach dem Faradayschen Induktionsgesetz ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das dem Feld der Erregerspule entgegenwirkt und eine Änderung der Spulenimpedanz hervorruft.
-zweckmäßigerweise Messung mittels RFID:
Auf der ersten Welle ist eine Antennestruktur als induktive Last (tag) angebracht, die mit der in Resonanz mit der Sende/ Empfangseinheit gebracht werden kann. Wird das Tag nun an der Sende-/ Empfangseinheit vorbeibewegt, wird der Schaltkreis in Resonanz gebracht. Besonders vorteilhaft ist die Kombination aus einem Sensor mit einer drahtlosen Signalübertragung auf Basis von RFID, und dem Indexsensor auf gleicher Basis, da die Komponenten wie Antennenstruktur und Resonanzkreis in gleicher Herstellungsweise realisiert werden können. Die Unterscheidung der Sensoren geschieht aufgrund der unterschiedlichen Signale, so kann zum Übertragen der Drehmomentinformation eine digitale Kodierung verwendt werden, wobei die Indexsensierung über die Amplitudenveränderung der Trägerfrequenz eindeutig erkannt werden kann, -bevorzugt Messung mittels induktivem Näherungsschalter: Der induktive Näherungsschalter arbeitet ähnlich dem Wirbelstromsensor, eine mit Wechselstrom gespeiste Spule mit Ferritkern erzeugt ein Wechselfeld, das durch das Flag bedämpft wird und somit die Güte der Spule verändert. - vorzugsweise Messung mittels Raddrehzahlsensor: Das Magnetfeld eines Raddrehzahlsensors oder eines schaltenden Hallsensors mit Hilfsmagneten wird durch ein Flag in seiner Richtung oder beim Hallsensor in seiner Flussdichte verändert, was vom Sensor registriert werden kann.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Drehmomentsensoranordnung mit Drehwinkel-Index-Erfassung, besonders bevorzugt in der Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
Zweckmäßigerweise bezieht sich die Erfindung außerdem auf ein Lenksystem mit einer der beanspruchten oder oben vorgeschlagenen Sensoranordnungen bzw. Sensoranordnungsvarianten, wobei die erste Welle mit einer Antriebseinheit, insbesondere einem Elektromotor oder einer hydraulischen Servoeinheit, direkt oder indirekt mechanisch gekoppelt ist, so dass die Antriebseinheit eine Drehbewegung der ersten Welle hervorrufen kann, wobei die Sensoranordnung einen Winkelsensor um- fasst, welche den Drehwinkel der Antriebswelle der Antriebseinheit, als zweite Welle, erfasst, wobei der Winkelsensor und die Antriebseinheit insbesondere so ausgebildet sind, dass der Winkelsensor den Drehwinkel der zweiten Welle innerhalb einer Umdrehung absolut erfassen kann. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren, sowie aus Kombinationen der in dieser Beschreibung erläuterten Merkmale.
Es zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1, 2 beispielhafte Drehwinkel-Indexeinheiten,
Fig. 3 den Überlappbereich zwischen den Leitbleichen und dem Index-Encoderelement,
Fig. 4 eine beispielhafte Sensoranordnung, umfassend eine Drehwinkel-Indexeinheit und einen Drehmomentsensor mit Statorelementen, deren Finger einem magnetischen Encoder zugeordnet sind,
Fig. 5 eine alternative, relative Anordnung der
Leitbleche zum Index-Encoderelement,
Fig. 6 bis 8 alternative, beispielhafte Ausführungsformen, umfassend den Drehmomentsensor aus Fig. 4 mit jeweils alternativen Drehwinkel-Indexeinheiten,
Fig. 9 eine Sensoranordnung umfassend einen
Drehmomentsensor, der ein Drehmoment an einer steifen Welle erfasst, und eine Drehwinkel-Indexeinheit, die einen RFID umfasst, Fig. 10 eine beispielhafte Sensoranordnung, die
RFID-Technik sowohl zur Drehmomentinformationsübertragung als auch zur Indexinformationsübertragung nutzt, und
Fig. 11 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Drehwinkel-Indexeinheit mit einer optischen Gabellichtschranke.
Fig. 1 zeigt erste Welle 1, auf welcher Index-Encoderelement 13 mittels eines Trägerelements 16 befestigt ist. Erstes Magnetfeldsensorelement 11 erfasst beispielgemäß das Magnetfeld und damit die relative Stellung zu Index- Encoderelement 13, indem erfasst wird, ob sich der Erfassungsbereich des Magnetfeldsensorelements 11 und der Bereich des Index-Encoderelements 13 überlappen oder nicht.
In Fig. 2 ist Index-Encoderelement 13 als Dipolmagnet beispielgemäß mittels eines Trägerelements 16 auf erster Welle 1 befestigt. Index-Encoderelement 13 sind zwei Leitbleche 15 a, b berührungslos zugeordnet. Diese Leitbleche 15 a, b führen das Magnetfeld das Index-Encoderelements 13 bei geeigneter Relativstellung dem ersten Magnetfeldsensorelement 11 zu. Index-Encoderelement 13 braucht deshalb nur ein Magnetfeld mit einer relativ geringen Flussdichte zu erzeugen.
In Fig. 3 wird beispielhaft Überlappbereich ü zwischen Index-Encoderelement 13 bzw. 13', beispielgemäß als Permanentmagnet ausgebildet, gegenüber Leitblechen 15a und 15b, welche erstem Magnetfeldsensorelement 11 zugeordnet sind, dargestellt. Leitblech 15a ist dabei größer ausgebildet und deckt einen größeren Winkelbereich ab als Leitblech 15b. Im Überlappbereich ü erfasst erstes Magnetfeldsensorelement 11 Index-Encoderelement 13 bzw. 13' . Die größere Ausbildung von Leitblech 15a dient einer Abschirmung anderer Sensoranordnungsmodule insbesondere des Drehmomentsensors gegenüber dem Magnetfeld des Index-Encoderelements 13.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit einem Drehmomentsensor 2, umfassend einen alternierend magnetisierten Encoder 7, zwei Statorelemente 8a, b diesen zugeordnete Sammelbleche 18 a, b und ein zweites Magnetfeldsensorelement 14, mit welchem das magnetische Feld des magnetischen Encoders 7 erfasst wird, welches in Abhängigkeit eines an erster Welle 1 angreifenden Drehmoments durch Statorelemente 8a, b moduliert wird. Statorelemente 8a, b sind jeweils aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet, e- benso wie Sammelbleche 18a, b, wobei Statorelemente 8a, b jeweils ein Ringelement 10 sowie trapezförmig ausgebildete Finger 9 aufweisen, welche axial bezüglich erster Welle 1 von den Ringelementen abragen und einander zugewandt, ineinandergreifend ausgebildet und angeordnet sind. Außerdem um- fasst die Sensoranordnung eine Drehwinkel-Indexeinheit 3, welche mit Drehmomentsensor 2 eine gemeinsame, integrierte Baugruppe bildet. Drehwinkel-Indexeinheit 3 umfasst Index- Encoderelement 13, als Permanentmagnet ausgebildet, welches auf einem Kragen 19 eines der Statorelemente 8b angeordnet ist. Leitbleche 15a, b führen das Magnetfeld des als Dipolmagneten ausgebildeten Index-Encoderelements 13 dem ersten Magnetfeldsensorelement 11 zu. Magnetfeldsensorelemente 11, also das erste, und 14, also das zweite, sind auf einer gemeinsamen Elektronikplatine 20 angeordnet. Die Sensoranordnung weist ein gemeinsames Gehäuse 21, beispielgemäß aus Kunststoff ausgebildet, auf, in welches Stecker 22 integriert ist. Erste Welle umfasst beispielgemäß einen ersten 4 und einen zweiten 5 Wellenabschnitt, welche durch einen nicht dargestellten Torsionsstab miteinander verbunden sind. Dabei ist magnetischer Encoder 7 beispielgemäß auf erstem Wellenabschnitt 4 angeordnet und die Statorelemente 8a, 8b auf dem zweiten Wellenabschnitt 5. Die Drehwinkel- Indexeinheit 3 ist ebenfalls auf dem zweiten Wellenabschnitt 5 angeordnet.
In einem nicht dargestellten, alternativen Ausführungsbeispiel der obigen Sensoranordnung ist Drehwinkel-Indexeinheit so ausgebildet, dass diese keine Leitbleche umfasst, und stattdessen das Index-Sensorelement und das Index- Encoderelement einen deutlich geringeren Abstand zueinander aufweisen. Dies ist in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel gelöst, indem das ringförmige Index- Encoderelement einen deutlich größeren Außenradius um Vergleich zu Fig. 4 aufweist und somit bis auf einen relativ geringen Luftspalt direkt bis zum ersten Magnetfeldsensorelement bzw. Index-Sensorelement ragt.
In Fig. 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel bezüglich der relativen Anordnung des als Dipolmagnet ausgebildeten Index-Encoderelements 13 zu Leitblechen 15a, b und erstem Magnetfeldsensorelement 11 dargestellt. Leitbleche 15a, b sind Index-Encoderelement 13 nicht frontal sondern hauptsächlich seitlich zugeordnet.
Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung mit einer alternativen Drehwinkel-Indexeinheit 3, bei welcher erstes Sensorelement bzw. Index-Sensorelement 11 als von Wechsel- ström durchflossene bzw. entsprechend angeregte Spule ausgebildet ist, welcher ein Index-Encoderelement 13 zugeordnet ist, das beispielsweise als Stahlnocke auf einem Trägerelement 16 auf erster Welle 1 angeordnet ist. Erstes Sensorelement 11 erfasst dabei die sich ändernde magnetische Leitfähigkeit ihres magnetischen Kreises, im Fall, dass ihm Stahlnocke 13 gegenüber angeordnet ist, im Vergleich dazu, wenn Stahlnocke 13 weggedreht ist.
In einem nicht zusätzlich dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Index-Encoderelement als elektrisch leitfähiger Finger bzw. Segment bzw. Fahne ausgebildet, in dem durch Spule 11 Wirbelströme erzeugt werden, welche Spule 11 im Fall einer gegenüberliegenden Positionierung elektrisch wieder beeinflussen bzw. eine Spannung in Spule 11 induzieren, wodurch ein gegenüber angeordnet sein bzw. eine entsprechend definierte Relativpositionierung zwischen Spule 11 und Finger 13 als definierter Drehwinkel bzw. Drehwinkelbereich i- dentifiziert wird. Die Kombination des Drehmomentsensors mit dieser Drehwinkel-Indexeinheit, basierend auf einer Wirbelstromsensoreinheit ist vorteilhaft aufgrund der vernachlässigbaren gegenseitigen Beeinflussung, durch die starken Frequenzunterschiede der elektromagnetischen Felder.
In Fig. 7 a) bis c) ist eine beispielhafte Drehwinkel- Indexeinheit 3 mit dem bereits anhand der Fig. 4 beschriebenen Drehmomentsensor zu einer gemeinsamen Baugruppe integriert, welche als erste Sensoreinheit bzw. Index- Sensoreinheit 11 einen Raddrehzahlsensor umfasst, der einen Permanentmagneten 23 mit Magnetisierung in Pfeilrichtung sowie ein magnetoresistives Sensorelement 24 aufweist. Der Index-Sensoreinheit 11 ist dabei ein auf erster Welle 1 ange- ordnetes, ringförmiges Index-Encoderelement 13 zugeordnet, welches aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet ist und zwei Kulissen 25, 26 aufweist, deren Ausbildung und Ausrichtung und den durch diese beeinflussten Magnetfeldverlauf in Fig. 7 b), c) veranschaulicht ist. Je nach Ausbildung der Kulissen 25, 26 zueinander wird das Magnetfeld nach rechts oder links abgelenkt, was durch Sensorelement 24 erfasst wird. Der definierte Drehwinkelbereich der Drehwinkel- Indexeinheit ist beispielhaft durch eine relative Ausbildung der Kulissen 25, 26 zueinander gemäß Fig. 7 b) codiert, wobei der andere Bereich dieser Kulissen 25, 26 des ringförmigen Index-Encoderelements 13 bezüglich einer Umfanglinie um erste Welle 1 gemäß Fig. 7b) ausgebildet ist.
Anhand der Fig. 8 a) bis c) ist eine alternative, beispielhafte Drehwinkel-Indexeinheit 3 mit dem bereits anhand der Fig. 4 beschriebenen Drehmomentsensor zu einer gemeinsamen Baugruppe integriert, veranschaulicht, deren erste Sensoreinheit bzw. Index-Sensoreinheit 11 ein Magnetfeldsensorelement umfasst, das einige zueinander verschieden ausgerichtete sensitive Strukturen 27 umfasst. Diese sind im Wesentlichen entlang der Erfassungsrichtung bzw. der tangentialen Bewegungsrichtung des ringförmigen Index-Encoderelements 13 innerhalb des Magnetfeldsensorelements ausgebildet bzw. angeordnet. Die Ausrichtung dieser sensitiven Strukturen, also deren sensitive Erfassungsrichtung ist durch die durch diese durchgezogenen Balken veranschaulicht. Index-Encoderelement 13 weist entlang seiner in Fig. 8 b) abgewickelt, dargestellten Encoderspur magnetische Polpaare jeweils definierter, gleicher Länge auf, mit Ausnahme der Pollänge des Indexsegments 17. Die daraus resultierende Amplitude A des Ausgangsignals des Magnetfeldsensorelements ist anhand der Fig. 8 c) veranschaulicht. Indexsegment 17 und damit der definierte Drehwinkel bzw. Drehwinkelbereich wird über eine deutlich unterschiedliche Amplitude bezogen auf den Restwinkelbereich identifiziert. Eine solche Anordnung mit unterschiedlichen sensitiven Strukturen 27 hat sich als messtechnisch besonders robust erwiesen.
In Fig. 9 ist eine beispielhafte Sensoranordnung umfassend einen Drehmomentsensor, der ein Drehmoment an einer steifen Welle, als erste Welle 1, erfasst, und eine Drehwinkel- Indexeinheit , die einen RFID umfasst, dargestellt. Erste Welle 1 weist zur Drehmomenterfassung beispielgemäß keinen Torsionsstab auf, sondern das an der Welle angreifende Drehmoment wird mittels eines Sensorelements gemessen, das in einen RFID-Chip 29 integriert ist, welcher auf einem Sensorträgermodul 28 angeordnet ist, das eine vereinfachte Montage auf der Welle ermöglicht. Sensorträgermodul 28 in einer Ausnehmung der Welle angeordnet und in die Welle eingepasst. Das Sensorträgermodul 28 ist beispielhaft so ausgebildet, dass es seine elektrische Versorgungsenergie drahtlos erhält und Informationen drahtlos sendet bzw. überträgt. RFID-Chip 29 umfasst dabei das Sensorelement des Drehmomentsensors, das Index-Encoderelement sowie eine elektronische Signalverarbeitungsschaltung. Die elektrische Energieversorgung sowie die Drehmomentinformationsübertragung werden mittels erster Antenne 30 durchgeführt, wobei die Drehwinkel-Indexeinheit als Index-Sensorelement eine zusätzliche zweite Antenne 31 aufweist. Die Indexinformation zwischen RFID-Chip 29 und zweiter Antenne 31 wird mit deutlich anderer Frequenz drahtlos übertragen, wobei die dazu erforderlichen Bauteile entsprechend ausgelegt sind. Das anhand der Fig. 9 beschriebene Ausführungsbeispiel wurde, wie in Fig. 10 gezeigt, beispielhaft weiterentwickelt. In Fig. 10 c) sind zwei Kranzantennen 32 a, b dargestellt, von denen eine, 32b, mit dem RFID-Chip 29 auf Sensorträgermodul 28, das in erste Welle 1 eingepasst ist, verbunden ist. Mittels dieser Kranzantennen wird die elektrische Energieversorgung für RFID-Chip 20 sowie die Drehmoment- Informationsübertragung durchgeführt. Die Drehwinkel- Indexeinheit umfasst bei dieser Sensoranordnung die beiden Kranzantennen, wobei eine 32b als Index-Encoderelement fungiert und die andere 32a als Index-Sensorelement, indem beide Kranzantennen im Wesentlichen geometrisch gleich ausgebildet sind und eine Lücke 33 aufweisen und die definierte Drehwinkel bzw. Drehwinkelbereich identifiziert bzw. erfasst wird, wenn sich beide Lücken gegenüberliegen. Dadurch wird die Kopplung reduziert, was anhand der Ausgangssignalamplitude wie in Fig. 10b) dargestellt, ermittelt werden kann.
Die beiden Kranzantennen 32a, b sind beispielgemäß so ausgebildet und angeordnet, dass sie die erste Welle 1 umgreifen, und dabei eine oder mehrere Windungen aufweisen, die im Wesentlichen geometrisch kongruent ausgebildet sind und dabei kreisringsegment-förmig bzw. hufeisen-förmig ausgebildet sind und jeweils eine definierte Lücke 33 aufweisen.
Fig. 11 zeigt ein alternatives, Ausführungsbeispiel einer Drehwinkel-Indexeinheit , welche als Index-Encoderelement eine optisch erfassbare Fahne 13 aufweist, welche auf erster Welle angeordnet ist und die mittels einer Gabellichtschranke als Index-Sensorelement 11 erfasst wird. Diese Gabellichtschranke weist dabei eine optische Sendeeinheit 34 auf, die alternativ beispielhaft sichtbare oder unsichtbare e- lektromagnetische Wellen emmitiert, die von optischer Sensoreinheit 35 erfasst werden, außer Fahne 13 ist zwischen Sendeeinheit 34 und Sensoreinheit 35 angeordnet, was den definierten Winkel bzw. Winkelbereich bzw. Index/Indexbereich identifiziert .

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung, umfassend einen Drehmomentsensor (2) zur Messung des an eine erste Welle (1) angreifenden Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine Drehwinkel-Indexeinheit (3) aufweist, welche so ausgelegt ist, dass sie die Winkelstellung der ersten Welle (1) bezüglich eines definierten Drehwinkels und/oder definierten Drehwinkelbereichs erfassen und/oder identifizieren kann.
2. Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) und die Drehwinkel- Indexeinheit (3) in einer gemeinsamen Baugruppe integriert sind.
3. Sensoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) und die Drehwinkel-Indexeinheit (3) so ausgebildet sind, dass sie im Vergleich zueinander physikalisch unterschiedliche sensorische Erfassungsprinzipien nutzen.
4. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor
(2) einen ersten (4) und einen zweiten (5) Wellenabschnitt der ersten Welle (1) umfasst, die beide mittels eines Torsionsstabes miteinander verbunden sind und gegeneinander verdrehbar ausgebildet und angeordnet sind, wobei auf dem ersten Wellenabschnitt (4) ein magnetischer Encoder (7) angeordnet ist und auf dem zweiten Wellenabschnitt (5) zwei diesem Encoder (7) zugeordnete Statorelemente (8a, 8b) mit jeweils abragenden Fingern (9) angeordnet sind.
5. Sensoranordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelemente (8a, 8b) jeweils ein weichmagnetisches Ringelement (10) umfassen, welches bezüglich der ersten Welle (1) axial abragende, insbesondere im Wesentlichen trapezförmig ausgebildete, Finger (9) aufweist, wobei die Finger der beiden Statorelemente berührungslos ineinander greifen und wobei den Statorelementen (8a, 8b) gemeinsam wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (14) zugeordnet ist, mittels welchem direkt oder indirekt der relative Verdrehwinkel zwischen dem ersten (4) und dem zweiten (5) Wellenabschnitt erfasst wird, aus welchem auf das an der ersten Welle (1) angreifende Drehmoment geschlossen wird.
6. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor
(2) keinen Torsionsstab umfasst, wobei der Drehmomentsensor (2) mindestens eines der folgenden Sensorelemente aufweist,
- Dehnungsmessstreifen,
- piezoelektrisches und/oder piezoresistives Sensorelement,
- magnetostriktives Sensorelement,
- Sensorelement basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen, wobei dieses mindestens eine Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle (1) verbunden ist und/oder so ausgebildet und angeordnet ist, dass es ein an die erste Welle angreifendes Drehmoment erfassen kann.
7. Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkel- Indexeinheit (3) ein Index-Encoderelement (13) und ein, diesem zugeordnetes, Index-Sensorelement (11) aufweist, wobei das Index-Encoderelement oder das Index- Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle (1) verbunden ist und sich mit dieser dreht und das korrespondierende Index-Sensorelement (11) oder das Index- Encoderelement (13) ortsfest, berührungslos zur ersten Welle angeordnet ist.
8. Sensoranordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Index-Encoderelement (13) magnetisch oder optisch erfassbar und/oder elektrisch leitfähig ausgebildet ist und dass das Index-Sensorelement (11) mindestens ein Magnetfeldsensorelement und/oder eine Spule o- der ein optisches Sensorelement umfasst.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Index-Encoderelement (13) als magnetischer Encoder ausgebildet ist und die Drehwinkel- Indexeinheit (3) zwei magnetisch leitfähige Leitbleche (15a, 15b) aufweist, welche das durch das Index- Encoderelement (13) erzeugte oder modulierte Magnetfeld dem Index-Sensorelement (11) zuführen und dass das Index-Sensorelement dadurch das Index-Encoderelement, insbesondere innerhalb eines definierten Überlappungsbereichs (ü) , bezüglich der erfassbaren Länge des Index- Encoderelements und der Länge der Leitbleche (15a, 15b) bezogen auf die jeweilige Umfangslinie, erfassen kann.
10. Verwendung der Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kraftfahrzeugen,
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