EP2516978A1 - Sensor assembly for combined speed-torque detection - Google Patents

Sensor assembly for combined speed-torque detection

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Publication number
EP2516978A1
EP2516978A1 EP10790398A EP10790398A EP2516978A1 EP 2516978 A1 EP2516978 A1 EP 2516978A1 EP 10790398 A EP10790398 A EP 10790398A EP 10790398 A EP10790398 A EP 10790398A EP 2516978 A1 EP2516978 A1 EP 2516978A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
sensor
phase
bridge
phase track
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10790398A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang-Michael Mueller
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2516978A1 publication Critical patent/EP2516978A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/109—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving measuring phase difference of two signals or pulse trains

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for the combined detection of rotational speed and torque according to the preamble of claim 1.
  • sensor arrangements for detecting a rotational speed of a shaft, or more generally a rotating body, such as an engine speed z. B. on a crankshaft, sensor arrangements are known, which have a circumferentially arranged around the rotating body, referred to as a phase track dimensional standard in the form of a series of repetitive, periodic marks and at least one stationary relative to the rotating body arranged, the phase track detecting sensor element.
  • the sensor element is sensitive to the markings of the phase trace and generates z. B. at passage of a mark and / or when changing adjacent markers each have a sensor signal, so over a certain angle of rotation, for. B. over a full revolution, a known number or a known sequence of sensor signals is generated, from which by means of an evaluation unit with the aid of a time signal, a speed determined or can be deduced on such.
  • the markings of the phase track can be, for example, optical markings, so that the sensor element z. B. can detect light-dark transitions.
  • other sensor principles such. B. magnetically or capacitively possible.
  • the phase track can directly on the rotating body or on a non-rotatably connected thereto element such. B. arranged a donor wheel.
  • Hall elements are preferably used as sensor elements, wherein the markings of the phase track are designed to be magnetic, z. B. as a result of alternately arranged magnetic north and south poles.
  • Hall elements When using Hall elements as sensor elements, for example, a differential evaluation can take place, wherein the difference between the signals of two successively arranged in the circumferential direction Hall elements is evaluated.
  • Hall ASICs There are also so-called Hall ASICs known per se, which can evaluate a magnetic field direction.
  • two-channel differential Hall element arrangements in the form of so-called double differential sensor elements is known, with which in addition to the rotational speed and the direction of rotation can be detected. These consist of a total of three sensor elements, with two sensor elements in each case being connected to antiparallel-connected sensor element bridges. Both sensor element bridges extend parallel to the direction of rotation of the phase track running perpendicular to the axis of rotation in a plan view.
  • z. B. by EP 1 861 681 B1 at least on two in the axial direction along a rotation axis at a known distance from each other lying cross-sections of a rotating body known torsional rigidity to arrange a respective phase track circumferentially to a transmitted between the two cross sections of the rotating body torque determine an angle of rotation between the two cross-sections and, based on this, use the torsional stiffness to determine the torque between the two cross-sections.
  • the angle of rotation is the twist and the torque is the torsional torque.
  • EP 1 861 681 B1 discloses an inclination between the sensor track given by the optimum detection or resolution of the passage of markings on the sensor element and the running direction of the running direction perpendicular to the axis of rotation in the detection of a rotational angle of a rotating body Phase trace to be compensated by using a plurality of mutually parallel arranged phase traces and a matrix-bound evaluation of all Phas traces.
  • a sensor arrangement is provided with at least at least two phase traces arranged circumferentially in each case in the axial direction along a rotation axis at a known distance from each other of a rotating body of known torsional rigidity.
  • the sensor arrangement has at least one sensor element arranged stationary relative to the rotating body and detecting the respective phase track, on which element the respective phase track passes transversely to the axis of rotation when the body is rotating.
  • Each sensor element generates a sensor signal when a marking is passed and / or when alternating adjacent markings of the respective phase track assigned to a sensor element are detected.
  • At least two sensor elements assigned to a first phase track are connected to at least one first sensor element bridge for detecting at least the rotational speed of the rotating body.
  • This first sensor element bridge extends in a plan view substantially parallel to the phase track and substantially perpendicular to the axis of rotation of the rotating body. At least one sensor element assigned to a second phase track is connected to at least one sensor element assigned to the first phase track to at least one second sensor bridge, which serves to determine a torque transmitted between the two cross sections of the rotating body. The latter is possible by determining an angle of rotation between the two cross-sections by means of the second sensor bridge and closing it with reference to this via the known torsional rigidity of the rotating body to the torque applied between the two cross-sections.
  • the second sensor element bridge extends in a plan view transversely to the two phase tracks, for example substantially perpendicular to the two phase tracks and parallel to the axis of rotation of the rotating Body.
  • the first sensor element bridge thus extends in the plan view in the direction of the parallel phase traces, more precisely over the first phase trace, whereas the second sensor bridge in the plan view extends transversely, for example at a right angle to the direction of the phase traces, so that the first and the second sensor element bridge include an angle other than an integer multiple of 0 ° and 180 °.
  • the first and the second sensor element bridge are perpendicular to each other.
  • the first sensor element bridge provided for detecting the rotational speed and the second sensor element bridge provided for detecting the torque are preferably digitally evaluated. Alternatively, an analogous evaluation of one or both sensor element bridges is conceivable.
  • the speed detection can also double differential z. B. by parallel arrangement of two sensor element bridges, whereby a direction of rotation detection is possible.
  • the phase traces can directly on the rotating body or on each non-rotatable connected thereto elements such. B. a donor wheel, be arranged.
  • the markings of the phase traces may, for example, be optical markings, so that the sensor element z. B. can detect light-dark transitions.
  • other sensor principles such. B. magnetically or capacitively conceivable.
  • the z. B. can be detected with each different sensor elements are conceivable.
  • the markings of the phase tracks or at least one phase track may alternatively or additionally be made magnetic, for.
  • alternately arranged magnetic north and south poles whereby the possibility of using Hall elements is provided as sensor elements.
  • a holistic approach for detecting rotational speed of a rotating body as well as of the torque transmitted via it with a single, in a common housing and / or on a single common chip accommodatable sensor arrangement is also created.
  • the sensor arrangement according to the invention over the prior art arise in particular the fact that by combining a detection of speed and torque by means of the two z. B. at a right angle to each other arranged sensor bridges it is possible to integrate both functions particularly space-saving and cost in a housing. Further, it is possible, for example, when using a smart electrical interface, both information, both the information about the speed, as well as that with respect to the torque output via only one signal line, which z. B. cost, material and time savings comes because only one electrical connections must be made. In addition, the sensor arrangement allows z. B. when installed in motor vehicles, the use of torque as a controlled variable, which may account for other, previously necessary sensors.
  • the difference between a desired by the driver, z. B. can be used by a motor control unit as a controlled variable, for example, by a pedal position predetermined torque and a torque actually delivered by the engine.
  • the sensor element associated with the first phase track, with which the sensor element assigned to the second phase track is connected to the second sensor element bridge is a sensor element of the first sensor element bridge.
  • the first and the second sensor element bridge can be arranged in a common housing to form a sensor.
  • the first and the second sensor element bridge can be arranged on a common chip to form a very compact sensor chip.
  • At least the first and second phase traces may be disposed on two separate donor wheels connected to the rotating body. It is also conceivable that only one phase track is arranged on one encoder wheel, and the other phase senspur is arranged or applied directly on the rotating body. As encoder wheels multipole encoder wheels described above can be used.
  • At least the sensor elements of at least one sensor bridge Hall elements, wherein the respective associated phase track comprises magnetic markings, z. B. a sequence of alternating magnetic north and south poles.
  • At least the sensor elements of at least one sensor bridge are magnetoresistive elements (eg GMR, giant magnetoresistance or giant magnetoresistor).
  • a particularly advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention comprises at least one further sensor element bridge arranged parallel to the first sensor element bridge, for example comprising a third sensor element assigned to the first phase track and a fourth sensor element also assigned to the first phase track.
  • the further sensor element bridge by interconnecting a sensor element of the first sensor element bridge with a third sensor element.
  • the further sensor element bridge, together with the first sensor element bridge permits the detection of the direction of rotation of the rotating body in addition to the detection of the rotational speed.
  • the first and the further sensor element bridge can form, for example, a differential sensor element arrangement described in the introduction in the form of so-called double-differential sensor elements. Short description of the drawing
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor arrangement with two phase traces arranged circumferentially spaced around a rotating body in the axial direction of a rotation axis, in a perspective view.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor arrangement with two phase traces arranged circumferentially spaced around a rotating body in the axial direction of a rotation axis, in a perspective view.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a settlement of the two phase traces of the sensor arrangement of Figure 1 in a torque-free state with it schematically illustrated arrangement of a first and second sensor element bridge in a plan view.
  • Fig. 3 shows the illustration of Figure 2 in a torque-loaded state.
  • FIG. 4 shows diagrams with curves of the signals of the sensor elements of the second sensor element bridge (FIGS. 4a and b), which are shown schematically therein, and of the difference of the signals (FIG. 4c) in an almost torque-free state over an observation period.
  • FIG. 5 shows diagrams with progressively illustrated profiles of the signals of the sensor elements of the second sensor element bridge (FIGS. 5a and b) and the difference of the signals (FIG. 5c) in the torque-loaded state over an observation period.
  • Fig. 6 is a schematic representation of the structure of a sensor with first and second sensor element bridge according to a first embodiment.
  • Fig. 7 is a schematic representation of the structure of a sensor with first and second sensor element bridge according to a second embodiment.
  • a sensor arrangement 01 shown completely or partially in its construction in FIGS. 1 to 3 has two phase tracks 04, 05, which are located at two cross-sections 06, which are located at a known distance in the axial direction along a rotational axis 02 of a rotating body 03 , 07 are each arranged circumferentially around the rotating body 03.
  • Each of the phase tracks 04, 05 consists of a sequence of periodically alternately arranged markings N, S, for example, periodically alternating magnetic north and south poles.
  • the rotating body 03 has a known torsional stiffness, also called torsional rigidity, which results from the product of the polar moment of inertia of the geometry of the rotating body 03 and the shear modulus of the material of the rotating body 03.
  • the phase tracks 04, 05 can be arranged, for example, on two encoder wheels representing the two cross sections 06, 07, which are connected to one another, for example, by a suitable shaft or torsion spring with suitable torsional stiffness or torsional stiffness.
  • the sensor arrangement 01 has a sensor 08, comprising sensor elements 1 1, 12, 13, 14 (FIGS. 2, 3 and 6) or 15, 16, 17 (FIG. 7) arranged stationary relative to the rotating body 03.
  • the sensor elements 1 1, 12, 13, 14 and 15, 16, 17 are sensitive to the marks N, S, or for a change of the markers N, S, so that each sensor element 1 1, 12, 13, 14 or 15, 16, 17 upon passage of a marking N, S and / or when changing adjacent markings N, S of a sensor element 1 1, 12, 13, 14 or 15, 16, 17 respectively associated phase track 04, 05 each one Sensor signal generated.
  • the sensor elements 1 1, 12, 13, 14 and 15, 16, 17 are connected in the sensor 08 to two respective sensor element bridges 09, 10 arranged at a preferably right angle to one another.
  • the sensor element bridges 09, 10 of the sensor arrangement 01 can basically be arranged in each of an integer multiple of 0 ° and 180 ° different angle to detect speed and torque simultaneously.
  • An included angle of 90 ° between the two sensor element bridges 09, 10 is not mandatory.
  • first sensor element bridge 09 extends in a plan view (eg, FIGS. 2 and 3) parallel to the two phase tracks 04, 05, parallel to the running direction L of the phase tracks 04, 05, and perpendicular to the axis of rotation 02 of the rotating body 03
  • second sensor element bridge 10 extends in plan view, for example, perpendicular to the two phase filters.
  • the first sensor element bridge 09 is thus suitable for determining the rotational speed of the rotating body 03, wherein the second sensor element bridge 10 is suitable for determining a torque transmitted between the two cross sections 06, 07 via the rotating body 03, as described below with reference to FIGS. 2 to 5 explained in more detail.
  • FIG. 2 shows this schematically a torque-free state in which no torque is transmitted between the cross sections 06, 07 of the rotating body 03
  • Fig. 3 is a torque-loaded state in which between the cross sections 06, 07 of the rotating body 03 a maximum torque is transmitted.
  • FIGS. 4 and 5 show the curves of the signals GR1, GR2 of the two sensor elements 13, 14 connected to the second sensor bridge 10 via an observation period progressing along the abscissa.
  • the signals are proportional to a magnetic field B of, for example, formed as magnetic north and south poles markers N, S, which is why the ordinate is symbolically provided with the symbol B for the magnetic field strength.
  • the signals GR1 (FIG. 4a)) and GR2 (FIG. 4b)) of the sensor elements 13, 14 of the second sensor element bridge 10 run as shown in FIG. 4 shown in phase, as well as the markers N, S of the two phase tracks 04, 05 each at the same height to each other, the sensor elements 13, 14 of the second sensor element bridge 10 happen.
  • the two signals GR1 (Fig. 5a)) and GR2 (Fig. 5b)) are exactly out of phase, since now the marks N, S of the two phase tracks 04, 05 offset from each other, the sensor elements 13, 14 of the second sensor element bridge 10th happen.
  • FIGS. 6 and 7 show two alternative embodiments for the construction of the two sensor element bridges 09, 10 of a sensor 08, for example on a common chip 18.
  • the variant shown in FIG. 6 provides for the construction of each of the two sensor element bridges 09, 10 by means of their own sensor elements 1 1, 12 or 13, 14 formed on the chip 18, for example.
  • a first, the first phase track 04 associated sensor element 1 1 with a likewise the first phase track 04 associated second sensor element 12 to the first, provided for speed determination and preferably almost parallel to the direction L of the first phase track 04 and the two phase tracks 04, 05 extending Sensor element bridge 09 interconnected.
  • a sensor element 14 associated with the second phase track 05 is interconnected with a sensor element 13 which is assigned to the first phase track 04 to the second sensor element bridge 10 which extends perpendicular to the running direction L of the two phase tracks 04, 05 and bridges the two phase tracks 04, 05 Torque determination is provided.
  • Fig. 7 comes with only three arranged for example on a common chip 18 sensor elements 15, 16, 17.
  • a first, the first phase track 04 associated sensor element 15 with a likewise the first phase track 04 associated second sensor element 16 to the first provided for speed determination and parallel to the direction L of the first phase track 04 and the two phase tracks 04, 05 extending sensor element bridge 09 to interconnect.
  • a sensor element 17 assigned to the second phase trace 05 is connected to the first sensor element 15 assigned to the first phase trace 04 and connected to the sensor element 16 to the first sensor element bridge 09 to the second sensor element bridge 10 the first sensor element 15 is both a component of the first sensor element bridge 09 and the second sensor element bridge 10, which preferably extends at a right angle thereto.
  • the sensor elements 1 1, 12, 13, 14, or 15, 16, 17 of the two sensor element bridges 09, 10 in a common housing, for example in Form of its own ASIC housing (ASIC) Application Specific Integrated Circuit and / or on a common chip 18 and / or be arranged within a common sensor housing.
  • ASIC ASIC
  • the two cross sections 06, 07 can also be represented by, for example, arranged on a shaft spaced from each other donor wheels.
  • the shaft forms the rotating body 03 with known torsion stiffness.
  • the running direction L of the phase tracks 04, 05 then corresponds to the running direction of the encoder wheels.
  • Hall elements come as sensor elements in question, wherein the markers N, S of the two phase tracks 04, 05 are then formed as already described as periodically alternately arranged magnetic north and south poles.
  • magnetoresistive elements such as GMR elements, conceivable.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

The invention relates to a sensor assembly (01) having at least two phase tracks (04, 05) spaced apart from each other in the axial direction of a rotation axis (02) of a rotating body (03) and arranged revolving around the body (03) and having at least one sensor element (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) per phase track (04, 05) arranged in a stationary manner opposite the rotating body (03) and detecting the respective phase track (04, 05). According to the invention, at least one first sensor element (11, 15) allocated to a first phase track (04) having at least one second sensor element (12, 16) likewise allocated to the first phase track (04) is connected to at least one first sensor element bridge (09) extending parallel to the phase track (04, L) and perpendicular to the rotation axis (02) of the rotating body (03) in an overhead view and at least one sensor element (14, 17) allocated to a second phase track (05) having at least one sensor element (13, 15) allocated to the first phase track (04) is connected to at least one second sensor element bridge (10) extending perpendicular to the two phase tracks (04, 05, L) and parallel to the rotation axis (02) in an overhead view.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Sensoranordnung zur kombinierten Drehzahl-Drehmoment-Erfassung  Sensor arrangement for combined speed-torque detection
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur kombinierten Erfassung von Drehzahl und Drehmoment gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Zur Erfassung einer Drehzahl einer Welle, oder allgemeiner eines rotierenden Körpers, beispielsweise einer Motordrehzahl z. B. an einer Kurbelwelle, sind Sensoranordnungen bekannt, welche eine um den rotierenden Körper umlaufend angeordnete, als Phasenspur bezeichnete Maßverkörperung in Form einer Folge von sich wiederholenden, periodischen Markierungen sowie wenigstens ein gegenüber dem rotierenden Körper ortsfest angeordnetes, die Phasenspur erfassendes Sensorelement aufweisen. Das Sensorelement ist dabei sensitiv für die Markierungen der Phasenspur und erzeugt z. B. bei Passage einer Markierung und/oder beim Wechsel benachbarter Markierungen jeweils ein Sensorsignal, sodass über einen bestimmten Drehwinkel, z. B. über eine volle Umdrehung hinweg, eine bekannte Anzahl bzw. eine bekannte Folge von Sensorsignalen erzeugt wird, aus der mittels einer Auswerteeinheit unter Hinzuziehung eines Zeitsignals eine Drehzahl ermittelt bzw. auf eine solche rückgeschlossen werden kann.  The invention relates to a sensor arrangement for the combined detection of rotational speed and torque according to the preamble of claim 1. For detecting a rotational speed of a shaft, or more generally a rotating body, such as an engine speed z. B. on a crankshaft, sensor arrangements are known, which have a circumferentially arranged around the rotating body, referred to as a phase track dimensional standard in the form of a series of repetitive, periodic marks and at least one stationary relative to the rotating body arranged, the phase track detecting sensor element. The sensor element is sensitive to the markings of the phase trace and generates z. B. at passage of a mark and / or when changing adjacent markers each have a sensor signal, so over a certain angle of rotation, for. B. over a full revolution, a known number or a known sequence of sensor signals is generated, from which by means of an evaluation unit with the aid of a time signal, a speed determined or can be deduced on such.
Bei den Markierungen der Phasenspur kann es sich beispielsweise um optische Mar- kierungen handeln, sodass das Sensorelement z. B. Hell-Dunkel-Übergänge erfassen kann. Für denselben Zweck sind auch andere Sensorprinzipien, wie z. B. magnetisch oder kapazitiv möglich. The markings of the phase track can be, for example, optical markings, so that the sensor element z. B. can detect light-dark transitions. For the same purpose, other sensor principles, such. B. magnetically or capacitively possible.
Die Phasenspur kann unmittelbar auf dem rotierenden Körper oder auf einem un- verdrehbar mit diesem verbundenen Element, wie z. B. einem Geberrad angeordnet sein. Als Sensorelemente finden beispielsweise Hallelemente bevorzugt Anwendung, wobei die Markierungen der Phasenspur magnetisch ausgeführt sind, z. B. als Folge abwechselnd angeordneter magnetischer Nord- und Südpole. Neben Hallelementen ist auch die Verwendung von magnetoresistiven Elementen, beispielsweise von GMR- Elementen (GMR=Giant Magnetoresistance bzw. Riesenmagnetwiderstand), bekannt. The phase track can directly on the rotating body or on a non-rotatably connected thereto element such. B. arranged a donor wheel. For example, Hall elements are preferably used as sensor elements, wherein the markings of the phase track are designed to be magnetic, z. B. as a result of alternately arranged magnetic north and south poles. In addition to Hall elements and the use of magnetoresistive elements, such as GMR elements (GMR = giant magnetoresistance or giant magnetoresistance), known.
Bei den Geberrädern sind sogenannte Multipolgeberräder bekannt, die aus einem magnetisierungsfähigen Werkstoff bestehen. Hierbei sind entsprechend den Zähnen eines Zahnrads, eines sogenannten Stahlgeberrads, wie oben beschrieben die Markierungen der Phasenspur als in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnete magnetische Nord- und Südpole aufmagnetisiert. Dabei ist sowohl bekannt, z. B. ein Geberrad aus homogenem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Stahl, herzustellen und zu magnetisieren, als auch kunststoffgebundenes magnetisierbares Material zur Herstel- lung von Geberrädern zu verwenden. In the encoder wheels so-called Mehrolgeberräder are known, which consist of a magnetizable material. Here, according to the teeth of a gear, a so-called Stahlgeberrads, as described above, the markings of the phase track as magnetized in the circumferential direction alternately arranged magnetic north and south poles. It is both known, for. As a donor wheel of homogeneous ferromagnetic material, eg. For example, made of steel, to produce and magnetize, as well as to use plastic-bonded magnetizable material for the production of encoder wheels.
Bei der Verwendung von Hallelementen als Sensorelemente kann beispielsweise eine differenzielle Auswertung stattfinden, wobei die Differenz zwischen den Signalen zweier in Umfangsrichtung nacheinander angeordneter Hallelemente ausgewertet wird. Es sind dabei auch sogenannte Hall-ASICs an sich bekannt, die eine Magnetfeldrichtung auswerten können. Darüber hinaus ist die Verwendung zweikanaliger Differenzial- Hallelementanordnungen in Form sogenannter doppelt differenzieller Sensorelemente bekannt, mit denen neben der Drehzahl auch die Drehrichtung erfasst werden kann. Diese bestehen aus insgesamt drei Sensorelementen, wobei jeweils zwei Sensorele- mente zu antiparallel geschalteten Sensorelementebrücken verschaltet sind. Beide Sensorelementebrücken erstrecken sich dabei parallel zur in einer Draufsicht senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Laufrichtung der Phasenspur. When using Hall elements as sensor elements, for example, a differential evaluation can take place, wherein the difference between the signals of two successively arranged in the circumferential direction Hall elements is evaluated. There are also so-called Hall ASICs known per se, which can evaluate a magnetic field direction. In addition, the use of two-channel differential Hall element arrangements in the form of so-called double differential sensor elements is known, with which in addition to the rotational speed and the direction of rotation can be detected. These consist of a total of three sensor elements, with two sensor elements in each case being connected to antiparallel-connected sensor element bridges. Both sensor element bridges extend parallel to the direction of rotation of the phase track running perpendicular to the axis of rotation in a plan view.
Ferner ist z. B. durch EP 1 861 681 B1 bekannt, wenigstens an zwei in axialer Rich- tung längs einer Rotationsachse in bekanntem Abstand voneinander liegenden Querschnitten eines rotierenden Körpers bekannter Torsionssteifigkeit jeweils eine Phasenspur umlaufend anzuordnen, um ein zwischen den beiden Querschnitten des rotierenden Körpers übertragenes Drehmoment zu bestimmen, indem ein Verdrehwinkel zwischen den beiden Querschnitten bestimmt und anhand diesem über die Torsionsstei- figkeit auf das zwischen den beiden Querschnitten anliegende Drehmoment geschlos- sen wird. Anschaulich handelt es sich bei dem Verdrehwinkel um die Drillung und bei dem Drehmoment um das angreifende Torsionsmoment. Furthermore, z. B. by EP 1 861 681 B1, at least on two in the axial direction along a rotation axis at a known distance from each other lying cross-sections of a rotating body known torsional rigidity to arrange a respective phase track circumferentially to a transmitted between the two cross sections of the rotating body torque determine an angle of rotation between the two cross-sections and, based on this, use the torsional stiffness to determine the torque between the two cross-sections. will be. Illustratively, the angle of rotation is the twist and the torque is the torsional torque.
Durch EP 1 861 681 B1 ist darüber hinaus bekannt, bei der Erfassung eines Drehwin- kels eines rotierenden Körpers eine Schrägstellung zwischen der durch die optimale Erfassung bzw. Auflösung der Passage von Markierungen am Sensorelement gegebenen Sensorspur und der in Draufsicht rechtwinklig zur Rotationsachse verlaufenden Laufrichtung der Phasenspur durch Verwendung mehrerer parallel zueinander umlaufend angeordneter Phasenspuren und einer matrixgebundenen Auswertung aller Pha- senspuren zu kompensieren. In addition, EP 1 861 681 B1 discloses an inclination between the sensor track given by the optimum detection or resolution of the passage of markings on the sensor element and the running direction of the running direction perpendicular to the axis of rotation in the detection of a rotational angle of a rotating body Phase trace to be compensated by using a plurality of mutually parallel arranged phase traces and a matrix-bound evaluation of all Phas traces.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß ist eine Sensoranordnung mit wenigstens an mindestens zwei in axialer Richtung längs einer Rotationsachse in bekanntem Abstand voneinander lie- genden Querschnitten eines rotierenden Körpers bekannter Torsionssteifigkeit jeweils umlaufend angeordneten Phasenspuren vorgesehen. Die Sensoranordnung weist je Phasenspur wenigstens ein gegenüber dem rotierenden Körper ortsfest angeordnetes, die jeweilige Phasenspur erfassendes Sensorelement auf, an dem bei rotierendem Körper die jeweilige Phasenspur quer zur Rotationsachse vorbeizieht. Jedes Sensor- element erzeugt bei Passage einer Markierung und/oder beim Wechsel benachbarter Markierungen der einem Sensorelement jeweils zugeordneten Phasenspur jeweils ein Sensorsignal. Mindestens zwei einer ersten Phasenspur zugeordnete Sensorelemente sind zur Erfassung zumindest der Drehzahl des rotierenden Körpers zu mindestens einer ersten Sensorelementebrücke verschaltet. Diese erste Sensorelementebrücke erstreckt sich in einer Draufsicht im Wesentlichen parallel zur Phasenspur und im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des rotierenden Körpers. Mindestens ein einer zweiten Phasenspur zugeordnetes Sensorelement ist mit mindestens einem der ersten Phasenspur zugeordneten Sensorelement zu wenigstens einer zweiten Sensorbrücke verschaltet, welche der Ermittlung eines zwischen den beiden Querschnitten des rotierenden Körpers übertragenen Drehmoments dient. Letzteres ist möglich, indem mittels der zweiten Sensorbrücke ein Verdrehwinkel zwischen den beiden Querschnitten bestimmt und anhand diesem über die bekannte Torsionssteifigkeit des rotierenden Körpers auf das zwischen den beiden Querschnitten anliegende Drehmoment geschlossen wird. Hierfür erstreckt sich die zweite Sensorelementebrücke in einer Draufsicht quer zu den beiden Phasenspuren, beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zu den beiden Phasenspuren und parallel zur Rotationsachse des rotierenden Körpers. Die erste Sensorelementebrücke erstreckt sich somit in der Draufsicht in Laufrichtung der parallel verlaufenden Phasenspuren, genauer über der ersten Phasenspur, wohingegen sich die zweite Sensorbrücke in der Draufsicht quer, beispielsweise in einem rechten Winkel zur Laufrichtung der Phasenspuren erstreckt, sodass die erste und die zweite Sensorelementebrücke einen Winkel ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 0° und 180° einschließen. Besonders bevorzugt stehen die erste und die zweite Sensorelementebrücke senkrecht zueinander. According to the invention, a sensor arrangement is provided with at least at least two phase traces arranged circumferentially in each case in the axial direction along a rotation axis at a known distance from each other of a rotating body of known torsional rigidity. For each phase track, the sensor arrangement has at least one sensor element arranged stationary relative to the rotating body and detecting the respective phase track, on which element the respective phase track passes transversely to the axis of rotation when the body is rotating. Each sensor element generates a sensor signal when a marking is passed and / or when alternating adjacent markings of the respective phase track assigned to a sensor element are detected. At least two sensor elements assigned to a first phase track are connected to at least one first sensor element bridge for detecting at least the rotational speed of the rotating body. This first sensor element bridge extends in a plan view substantially parallel to the phase track and substantially perpendicular to the axis of rotation of the rotating body. At least one sensor element assigned to a second phase track is connected to at least one sensor element assigned to the first phase track to at least one second sensor bridge, which serves to determine a torque transmitted between the two cross sections of the rotating body. The latter is possible by determining an angle of rotation between the two cross-sections by means of the second sensor bridge and closing it with reference to this via the known torsional rigidity of the rotating body to the torque applied between the two cross-sections. For this purpose, the second sensor element bridge extends in a plan view transversely to the two phase tracks, for example substantially perpendicular to the two phase tracks and parallel to the axis of rotation of the rotating Body. The first sensor element bridge thus extends in the plan view in the direction of the parallel phase traces, more precisely over the first phase trace, whereas the second sensor bridge in the plan view extends transversely, for example at a right angle to the direction of the phase traces, so that the first and the second sensor element bridge include an angle other than an integer multiple of 0 ° and 180 °. Particularly preferably, the first and the second sensor element bridge are perpendicular to each other.
Die zur Erfassung der Drehzahl vorgesehene erste Sensorelementebrücke und die zur Erfassung des Drehmoments vorgesehene zweite Sensorelementebrücke werden bevorzugt digital ausgewertet. Alternativ ist auch eine analoge Auswertung einer oder beider Sensorelementebrücken denkbar. The first sensor element bridge provided for detecting the rotational speed and the second sensor element bridge provided for detecting the torque are preferably digitally evaluated. Alternatively, an analogous evaluation of one or both sensor element bridges is conceivable.
Die Drehzahlerfassung kann außerdem doppelt differenziell z. B. durch parallele An- Ordnung zweier Sensorelementebrücken erfolgen, wodurch eine Drehrichtungserkennung möglich ist. The speed detection can also double differential z. B. by parallel arrangement of two sensor element bridges, whereby a direction of rotation detection is possible.
Die Phasenspuren können unmittelbar auf dem rotierenden Körper oder auf jeweils unverdrehbar mit diesem verbundenen Elementen, wie z. B. einem Geberrad, ange- ordnet sein. Bei den Markierungen der Phasenspuren kann es sich beispielsweise um optische Markierungen handeln, sodass das Sensorelement z. B. Hell-Dunkel- Übergänge erfassen kann. Ebenso sind auch andere Sensorprinzipien, wie z. B. magnetisch oder kapazitiv denkbar. Auch Kombinationen hiervon, die z. B. mit jeweils unterschiedlichen Sensorelementen erfasst werden können, sind denkbar. Auch können die Markierungen der Phasenspuren oder zumindest einer Phasenspur alternativ oder zusätzlich magnetisch ausgeführt sein, z. B. als Folge abwechselnd angeordneter magnetischer Nord- und Südpole, wodurch die Möglichkeit einer Verwendung von Hallelementen als Sensorelemente geschaffen wird. Hierdurch wird darüber hinaus ein ganzheitlicher Ansatz zur Erfassung von Drehzahl eines rotierenden Körpers sowie des über diesen übertragenen Drehmoments mit nur einer einzigen, in einem gemeinsamen Gehäuse und/oder auf einem einzigen gemeinsamen Chip unterbringbaren Sensoranordnung geschaffen. The phase traces can directly on the rotating body or on each non-rotatable connected thereto elements such. B. a donor wheel, be arranged. The markings of the phase traces may, for example, be optical markings, so that the sensor element z. B. can detect light-dark transitions. Likewise, other sensor principles, such. B. magnetically or capacitively conceivable. Also combinations thereof, the z. B. can be detected with each different sensor elements are conceivable. The markings of the phase tracks or at least one phase track may alternatively or additionally be made magnetic, for. As a result, alternately arranged magnetic north and south poles, whereby the possibility of using Hall elements is provided as sensor elements. As a result, a holistic approach for detecting rotational speed of a rotating body as well as of the torque transmitted via it with a single, in a common housing and / or on a single common chip accommodatable sensor arrangement is also created.
Vorteile der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich insbesondere dadurch, dass durch die Kombination einer Erfassung von Drehzahl und Drehmoment mittels der zwei z. B. in einem rechten Winkel zueinander angeordneten Sensorbrücken es möglich ist, beide Funktionen besonders platzsparend und kostengünstig in einem Gehäuse zu integrieren. Ferner ist es beispielsweise bei Verwendung einer intelligenten elektrischen Schnittstelle möglich, beide Informationen, sowohl die Information bezüglich der Drehzahl, als auch diejenige bezüglich des Drehmoments, über nur eine Signalleitung auszugeben, wodurch es z. B. zu Kosten-, Material- und Zeiteinsparungen kommt, da nur eine elektrische Verbindungen hergestellt werden muss. Darüber hinaus ermöglicht die Sensoranordnung z. B. beim Einbau in Kraftfahrzeuge die Verwendung des Drehmoments als Regelgröße, wodurch andere, bisher notwendige Sensoren entfallen können. So kann beispielsweise mittels der Sensoranordnung die Differenz zwischen einem vom Fahrer gewünschten, z. B. durch eine Pedalstellung vorgebbaren Drehmoment und einem tatsächlich vom Motor abgegebenen Drehmoment von einem Motorsteuergerät als Regelgröße herangezogen werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das der ersten Phasenspur zugeordnete Sensorelement, mit dem das der zweiten Phasenspur zugeordnete Sensorelement zur zweiten Sensorelementebrücke verschaltet ist, ein Sensorelement der ersten Sensorelementebrücke ist. Hierdurch werden zur zuverlässigen Erfassung von Drehzahl und Drehmoment gerade einmal drei für die Markierun- gen der Phasenspuren sensitive Sensorelemente benötigt, wodurch die Sensoranordnung besonders kostengünstig und kompakt aufgebaut werden kann. Darüber hinaus kommt die Sensoranordnung z. B. zur Verbindung mit einer Auswerteeinheit mit nur wenigen Anschlüssen aus, beispielsweise gerade einmal vier Stück für Masse, Versorgungsspannung, Drehzahlsignal und Drehmomentsignal. Auch ist eine Ausführung denkbar, bei der beide Informationen bezüglich Drehzahl und Drehmoment über eine gemeinsame Signalleitung ausgegeben werden. Advantages of the sensor arrangement according to the invention over the prior art arise in particular the fact that by combining a detection of speed and torque by means of the two z. B. at a right angle to each other arranged sensor bridges it is possible to integrate both functions particularly space-saving and cost in a housing. Further, it is possible, for example, when using a smart electrical interface, both information, both the information about the speed, as well as that with respect to the torque output via only one signal line, which z. B. cost, material and time savings comes because only one electrical connections must be made. In addition, the sensor arrangement allows z. B. when installed in motor vehicles, the use of torque as a controlled variable, which may account for other, previously necessary sensors. For example, by means of the sensor arrangement, the difference between a desired by the driver, z. B. can be used by a motor control unit as a controlled variable, for example, by a pedal position predetermined torque and a torque actually delivered by the engine. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor element associated with the first phase track, with which the sensor element assigned to the second phase track is connected to the second sensor element bridge, is a sensor element of the first sensor element bridge. As a result, only three sensor elements which are sensitive to the markings of the phase tracks are required for the reliable detection of rotational speed and torque, whereby the sensor arrangement can be constructed in a particularly cost-effective and compact manner. In addition, the sensor arrangement comes z. B. for connection to an evaluation with only a few connections, for example, just four pieces for ground, supply voltage, speed signal and torque signal. Also, a design is conceivable in which both information regarding speed and torque are output via a common signal line.
Die erste und die zweite Sensorelementebrücke kann in einem gemeinsamen Gehäuse zu einem Sensor angeordnet sein. The first and the second sensor element bridge can be arranged in a common housing to form a sensor.
Alternativ oder zusätzlich können die erste und die zweite Sensorelementebrücke auf einem gemeinsamen Chip zu einem sehr kompakten Sensorchip angeordnet sein. Alternatively or additionally, the first and the second sensor element bridge can be arranged on a common chip to form a very compact sensor chip.
Zumindest die erste und die zweite Phasenspur können auf zwei getrennten, mit dem rotierenden Körper verbundenen Geberrädern angeordnet sein. Ebenso ist denkbar, dass nur eine Phasenspur auf einem Geberrad angeordnet ist, und die andere Pha- senspur direkt auf dem rotierenden Körper angeordnet oder aufgebracht ist. Als Geberrädern können eingangs beschriebene Multipolgeberräder zum Einsatz kommen. At least the first and second phase traces may be disposed on two separate donor wheels connected to the rotating body. It is also conceivable that only one phase track is arranged on one encoder wheel, and the other phase senspur is arranged or applied directly on the rotating body. As encoder wheels multipole encoder wheels described above can be used.
Vorzugsweise sind zumindest die Sensorelemente wenigstens einer Sensorbrücke Hallelemente, wobei die jeweils zugehörige Phasenspur magnetische Markierungen umfasst, z. B. eine Folge abwechselnd angeordneter magnetischer Nord- und Südpole. Preferably, at least the sensor elements of at least one sensor bridge Hall elements, wherein the respective associated phase track comprises magnetic markings, z. B. a sequence of alternating magnetic north and south poles.
Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass zumindest die Sensorelemente wenigstens einer Sensorbrücke magnetoresistive Elemente (z. B. GMR; Giant Magnetoresistance bzw. Riesenmagnetwiderstand) sind. Alternatively or additionally, it is conceivable that at least the sensor elements of at least one sensor bridge are magnetoresistive elements (eg GMR, giant magnetoresistance or giant magnetoresistor).
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst zumindest eine weitere, parallel zur ersten Sensorelementebrücke angeordnete Sensorelementebrücke, beispielsweise bestehend aus einem dritten, der ersten Phasenspur zugeordneten Sensorelement und einem ebenfalls der ersten Phasenspur zugeordneten vierten Sensorelement. Alternativ ist denkbar, die weitere Sensorelementebrücke durch Verschaltung eines Sensorelements der ersten Sensorelementebrücke mit einem dritten Sensorelement herzustellen. Die weitere Sensorelementebrücke ermöglicht gemeinsam mit der ersten Sensorelementebrücke neben der Er- fassung der Drehzahl auch die Erfassung der Drehrichtung des rotierenden Körpers. Hierbei können die erste und die weitere Sensorelementebrücke beispielsweise eine eingangs beschriebene Differenzial-Sensorelementeanordnung in Form sogenannter doppelt differenzieller Sensorelemente bilden. Kurze Beschreibung der Zeichnung A particularly advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention comprises at least one further sensor element bridge arranged parallel to the first sensor element bridge, for example comprising a third sensor element assigned to the first phase track and a fourth sensor element also assigned to the first phase track. Alternatively, it is conceivable to produce the further sensor element bridge by interconnecting a sensor element of the first sensor element bridge with a third sensor element. The further sensor element bridge, together with the first sensor element bridge, permits the detection of the direction of rotation of the rotating body in addition to the detection of the rotational speed. In this case, the first and the further sensor element bridge can form, for example, a differential sensor element arrangement described in the introduction in the form of so-called double-differential sensor elements. Short description of the drawing
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Es zeigen: Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung mit zwei in axialer Richtung einer Rotationsachse voneinander beabstandet um einem rotierenden Körper umlaufend angeordneten Phasenspuren in perspektivischer Ansicht.  The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. Therein, like reference characters designate like or equivalent elements. FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor arrangement with two phase traces arranged circumferentially spaced around a rotating body in the axial direction of a rotation axis, in a perspective view. FIG.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Abwicklung der beiden Phasenspuren der Sensoranordnung aus Fig.1 in einem drehmomentfreien Zustand mit darin schematisch dargestellter Anordnung einer ersten und zweiten Sensorelementebrücke in einer Draufsicht. Fig. 2 is a schematic representation of a settlement of the two phase traces of the sensor arrangement of Figure 1 in a torque-free state with it schematically illustrated arrangement of a first and second sensor element bridge in a plan view.
Fig. 3 die Darstellung aus Fig.2 in einem drehmomentbelasteten Zustand. Fig. 3 shows the illustration of Figure 2 in a torque-loaded state.
Fig. 4 Diagramme mit darin schematisch dargestellten Verläufen der Signale der Sensorelemente der zweiten Sensorelementebrücke (Fig. 4a und b) sowie der Differenz der Signale (Fig. 4c) im nahezu drehmomentfreien Zustand über einen Beobachtungszeitraum hinweg. 4 shows diagrams with curves of the signals of the sensor elements of the second sensor element bridge (FIGS. 4a and b), which are shown schematically therein, and of the difference of the signals (FIG. 4c) in an almost torque-free state over an observation period.
Fig. 5 Diagramme mit darin schematisch dargestellten Verläufen der Signale der Sensorelemente der zweiten Sensorelementebrücke (Fig. 5a und b) sowie der Differenz der Signale (Fig. 5c) im drehmomentbelasteten Zustand über einen Beobachtungszeitraum hinweg. 5 shows diagrams with progressively illustrated profiles of the signals of the sensor elements of the second sensor element bridge (FIGS. 5a and b) and the difference of the signals (FIG. 5c) in the torque-loaded state over an observation period.
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Sensors mit erster und zweiter Sensorelementebrücke gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Fig. 6 is a schematic representation of the structure of a sensor with first and second sensor element bridge according to a first embodiment.
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Sensors mit erster und zweiter Sensorelementebrücke gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Fig. 7 is a schematic representation of the structure of a sensor with first and second sensor element bridge according to a second embodiment.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Eine in den Fig. 1 bis Fig. 3 in ihrem Aufbau ganz oder zum Teil dargestellte Sensoranordnung 01 weist zwei Phasenspuren 04, 05 auf, welche an zwei voneinander in einem bekannten Abstand in axialer Richtung längs einer Rotationsachse 02 eines rotierenden Körpers 03 liegenden Querschnitten 06, 07 jeweils um den rotierenden Körper 03 umlaufend angeordnet sind. Jede der Phasenspuren 04, 05 besteht aus einer Folge periodisch abwechselnd angeordneter Markierungen N, S, beispielsweise periodisch abwechselnder magnetischer Nord- und Südpole.  A sensor arrangement 01 shown completely or partially in its construction in FIGS. 1 to 3 has two phase tracks 04, 05, which are located at two cross-sections 06, which are located at a known distance in the axial direction along a rotational axis 02 of a rotating body 03 , 07 are each arranged circumferentially around the rotating body 03. Each of the phase tracks 04, 05 consists of a sequence of periodically alternately arranged markings N, S, for example, periodically alternating magnetic north and south poles.
Der rotierende Körper 03 hat eine bekannte, auch als Verwindungssteifigkeit bezeichnete Torsionssteifigkeit, welche sich aus dem Produkt des polaren Flächenträgheitsmoments der Geometrie des rotierenden Körpers 03 und des Schubmoduls des Werkstoffes des rotierenden Körpers 03 ergibt. Die Phasenspuren 04, 05 können beispielsweise auf zwei die beiden Querschnitte 06, 07 repräsentierenden Geberrädern angeordnet sein, die beispielsweise durch eine geeignete Welle oder Torsionsfeder mit geeigneter Torsionssteifigkeit bzw. Torsionsfe- dersteifigkeit miteinander verbunden sind. The rotating body 03 has a known torsional stiffness, also called torsional rigidity, which results from the product of the polar moment of inertia of the geometry of the rotating body 03 and the shear modulus of the material of the rotating body 03. The phase tracks 04, 05 can be arranged, for example, on two encoder wheels representing the two cross sections 06, 07, which are connected to one another, for example, by a suitable shaft or torsion spring with suitable torsional stiffness or torsional stiffness.
Darüber hinaus weist die Sensoranordnung 01 einen Sensor 08 auf, bestehend aus gegenüber dem rotierenden Körper 03 ortsfest angeordneten Sensorelementen 1 1 , 12, 13, 14 (Fig. 2, 3 und 6) bzw. 15, 16, 17 (Fig. 7). Jedes Sensorelement 1 1 , 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 ist jeweils einer Phasenspur 04, 05 zugeordnet, sodass bei rotieren- dem Körper 03 die jeweilige Phasenspur 04, 05 quer zur Rotationsachse an dem Sensorelement 1 1 , 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 vorbeizieht. Die Sensorelemente 1 1 , 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 sind dabei sensitiv für die Markierungen N, S, oder für einen Wechsel der Markierungen N, S, sodass jedes Sensorelement 1 1 , 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 bei Passage einer Markierung N, S und/oder beim Wechsel benachbarter Markierun- gen N, S der einem Sensorelement 1 1 , 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 jeweils zugeordneten Phasenspur 04, 05 jeweils ein Sensorsignal erzeugt. In addition, the sensor arrangement 01 has a sensor 08, comprising sensor elements 1 1, 12, 13, 14 (FIGS. 2, 3 and 6) or 15, 16, 17 (FIG. 7) arranged stationary relative to the rotating body 03. , Each sensor element 1 1, 12, 13, 14 or 15, 16, 17 is in each case assigned to a phase track 04, 05, so that when the body 03 rotates the respective phase track 04, 05 transversely to the axis of rotation on the sensor element 1 1, 12, 13, 14 and 15, 16, 17 vorbeizieht. The sensor elements 1 1, 12, 13, 14 and 15, 16, 17 are sensitive to the marks N, S, or for a change of the markers N, S, so that each sensor element 1 1, 12, 13, 14 or 15, 16, 17 upon passage of a marking N, S and / or when changing adjacent markings N, S of a sensor element 1 1, 12, 13, 14 or 15, 16, 17 respectively associated phase track 04, 05 each one Sensor signal generated.
Die Sensorelemente 1 1 , 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17 sind in dem Sensor 08 zu jeweils zwei in einem vorzugsweise rechten Winkel zueinander angeordneten Sensorelemen- tebrücken 09, 10 verschaltet. The sensor elements 1 1, 12, 13, 14 and 15, 16, 17 are connected in the sensor 08 to two respective sensor element bridges 09, 10 arranged at a preferably right angle to one another.
Wichtig ist hervorzuheben, dass die Sensorelementebrücken 09, 10 der Sensoranordnung 01 grundsätzlich in jedem von einem ganzzahligen Vielfachen von 0° und 180° unterschiedlichen Winkel angeordnet sein können, um Drehzahl und Drehmoment gleichzeitig zu erfassen. Ein eingeschlossener Winkel von 90° zwischen den beiden Sensorelementebrücken 09, 10 ist nicht zwingend erforderlich. It is important to emphasize that the sensor element bridges 09, 10 of the sensor arrangement 01 can basically be arranged in each of an integer multiple of 0 ° and 180 ° different angle to detect speed and torque simultaneously. An included angle of 90 ° between the two sensor element bridges 09, 10 is not mandatory.
Bei dem in den Fig. 2, 3 und 6 dargestellten Sensor 08 sind zwei der ersten Phasenspur 04 zugeordnete Sensorelemente 1 1 , 12 zu einer ersten Sensorelementebrücke 09 verschaltet, und jeweils ein der ersten Phasenspur 04 zugeordnetes Sensorelement 13 und ein der zweiten Phasenspur 05 zugeordnetes Sensorelement 14 zu einer zweiten Sensorelementebrücke 10 verschaltet. Die erste Sensorelementebrücke 09 erstreckt sich in einer Draufsicht (z. B. Fig. 2 und 3) parallel zu den beiden Phasenspuren 04, 05 entsprechend parallel zur Laufrichtung L der Phasenspuren 04, 05, sowie senkrecht zur Rotationsachse 02 des rotierenden Körpers 03. Die zweite Sensorelementebrücke 10 erstreckt sich in der Draufsicht beispielsweise senkrecht zu den beiden Phasenspu- ren 04, 05 und parallel zur Rotationsachse 02 des rotierenden Körpers 03, sodass sie die beiden Phasenspuren 04, 05 im rechten Winkel überbrückt. Die erste Sensorelementebrücke 09 ist so zur Bestimmung der Drehzahl des rotierenden Körpers 03 geeignet, wobei die zweite Sensorelementebrücke 10 zur Bestimmung eines zwischen den beiden Querschnitten 06, 07 über den rotierenden Körper 03 übertragenes Drehmoment geeignet ist, wie nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 5 näher erläutert. In the sensor 08 shown in FIGS. 2, 3 and 6, two sensor elements 1 1, 12 assigned to the first phase track 04 are interconnected to form a first sensor element bridge 09, and one sensor element 13 assigned to the first phase track 04 and one associated with the second phase track 05 Sensor element 14 connected to a second sensor element bridge 10. The first sensor element bridge 09 extends in a plan view (eg, FIGS. 2 and 3) parallel to the two phase tracks 04, 05, parallel to the running direction L of the phase tracks 04, 05, and perpendicular to the axis of rotation 02 of the rotating body 03 second sensor element bridge 10 extends in plan view, for example, perpendicular to the two phase filters. ren 04, 05 and parallel to the axis of rotation 02 of the rotating body 03 so that it bridges the two phase tracks 04, 05 at right angles. The first sensor element bridge 09 is thus suitable for determining the rotational speed of the rotating body 03, wherein the second sensor element bridge 10 is suitable for determining a torque transmitted between the two cross sections 06, 07 via the rotating body 03, as described below with reference to FIGS. 2 to 5 explained in more detail.
Fig. 2 zeigt hierzu schematisch einen drehmomentfreien Zustand, in dem zwischen den Querschnitten 06, 07 des rotierenden Körpers 03 kein Drehmoment übertragen wird, sowie Fig. 3 einen drehmomentbelasteten Zustand, in dem zwischen den Querschnitten 06, 07 des rotierenden Körpers 03 ein maximales Drehmoment übertragen wird. Die Fig. 4 und 5 zeigen die Verläufe der Signale GR1 , GR2 der beiden zu der zweiten Sensorbrücke 10 verschalteten Sensorelemente 13, 14 über einen entlang der Abszisse gedanklich fortschreitenden Beobachtungszeitraum. Die Signale sind proportional einem Magnetfeld B von beispielsweise als magnetische Nord- und Südpole ausgebildeten Markierungen N, S, weshalb die Ordinate symbolisch mit dem Symbol B für die magnetische Feldstärke versehen ist. Fig. 2 shows this schematically a torque-free state in which no torque is transmitted between the cross sections 06, 07 of the rotating body 03, and Fig. 3 is a torque-loaded state in which between the cross sections 06, 07 of the rotating body 03 a maximum torque is transmitted. FIGS. 4 and 5 show the curves of the signals GR1, GR2 of the two sensor elements 13, 14 connected to the second sensor bridge 10 via an observation period progressing along the abscissa. The signals are proportional to a magnetic field B of, for example, formed as magnetic north and south poles markers N, S, which is why the ordinate is symbolically provided with the symbol B for the magnetic field strength.
Liegt kein oder annähernd kein Drehmoment zwischen den beiden Querschnitten 06, 07 am rotierenden Körper 03 an, verlaufen die Signale GR1 (Fig. 4a)) und GR2 (Fig. 4b)) der Sensorelemente 13, 14 der zweiten Sensorelementebrücke 10 wie in Fig. 4 dargestellt phasengleich, da auch die Markierungen N, S der beiden Phasenspuren 04, 05 jeweils auf gleicher Höhe zueinander die Sensorelemente 13, 14 der zweiten Sensorelementebrücke 10 passieren. Dies ändert sich mit zunehmendem Drehmoment, wie in Fig. 5 für ein maximales Drehmoment dargestellt. Bei maximalem Drehmoment verlaufen die beiden Signale GR1 (Fig. 5a)) und GR2 (Fig. 5b)) genau phasenversetzt, da nunmehr die Markierungen N, S der beiden Phasenspuren 04, 05 jeweils versetzt zueinander die Sensorelemente 13, 14 der zweiten Sensorelementebrücke 10 passieren. If there is no torque or almost no torque between the two cross sections 06, 07 on the rotating body 03, the signals GR1 (FIG. 4a)) and GR2 (FIG. 4b)) of the sensor elements 13, 14 of the second sensor element bridge 10 run as shown in FIG. 4 shown in phase, as well as the markers N, S of the two phase tracks 04, 05 each at the same height to each other, the sensor elements 13, 14 of the second sensor element bridge 10 happen. This changes with increasing torque, as shown in FIG. 5 for maximum torque. At maximum torque, the two signals GR1 (Fig. 5a)) and GR2 (Fig. 5b)) are exactly out of phase, since now the marks N, S of the two phase tracks 04, 05 offset from each other, the sensor elements 13, 14 of the second sensor element bridge 10th happen.
Die unter den Verläufen der Signale GR1 (Fig. 4 a) und b)) und GR2 (Fig. 5 a) und b)) in den Fig. 4 c) und Fig. 5 c) dargestellte Differenz AB=GR2-GR1 der beiden Signale GR1 und GR2 bzw. die maximale Amplitude dieser Differenz liefert somit ein Maß für die gegenseitige Verdrehung der beiden Querschnitte 06, 07 zueinander. Bei bekann- ter Torsionssteifigkeit des rotierenden Körpers 03, bekanntem Abstand zwischen den beiden Querschnitten 06, 07 sowie bei bekanntem Schubmodul des Materials, aus dem der rotierende Körper 03 hergestellt ist, kann damit anhand der Differenz ΔΒ der beiden Signale GR1 und GR2 unmittelbar auf das zwischen den beiden Querschnitten 06, 07 des rotierenden Körpers 03 über diesen übertragene Drehmoment rückgeschlossen werden. The difference between the curves GR1 (FIGS. 4 a) and b)) and GR 2 (FIGS. 5 a) and b)) in FIGS. 4 c) and 5 c) is AB = GR 2 -GR 1 Both signals GR1 and GR2 or the maximum amplitude of this difference thus provides a measure of the mutual rotation of the two cross sections 06, 07 to each other. With known torsional stiffness of the rotating body 03, known distance between the two cross sections 06, 07 and in known shear modulus of the material, from the rotating body 03 is produced, can thus be deduced on the basis of the difference .DELTA.Β of the two signals GR1 and GR2 directly on the torque transmitted between the two cross sections 06, 07 of the rotating body 03 via this.
In den Fig. 6 und 7 sind zwei Ausführungsalternativen für den Aufbau der beiden Sensorelementebrücken 09, 10 eines Sensors 08 beispielsweise auf einem gemeinsamen Chip 18 dargestellt. Die in Fig. 6 dargestellte Variante sieht vor, jede der beiden Sensorelementebrücken 09, 10 mittels eigener, beispielsweise auf dem Chip 18 ausgebildeter Sensorelemente 1 1 , 12 bzw. 13, 14 aufzubauen. Hierbei ist ein erstes, der ersten Phasenspur 04 zugeordnetes Sensorelement 1 1 mit einem ebenfalls der ersten Phasenspur 04 zugeordneten zweiten Sensorelement 12 zur ersten, zur Drehzahlbestimmung vorgesehenen und vorzugsweise nahezu parallel zur Laufrichtung L der ersten Phasenspur 04 bzw. der beiden Phasenspuren 04, 05 verlaufenden Sensorelementebrücke 09 verschaltet. Ein der zweiten Phasenspur 05 zugeordnetes Sensorelement 14 ist mit einem der ersten Phasenspur 04 zugeordneten Sensorelement 13 zu der zweiten, sich senkrecht zur Laufrichtung L der beiden Phasenspuren 04, 05 erstreckenden und die beiden Pha- senspuren 04, 05 überbrückenden Sensorelementebrücke 10 verschaltet, welche zur Drehmomentbestimmung vorgesehen ist. FIGS. 6 and 7 show two alternative embodiments for the construction of the two sensor element bridges 09, 10 of a sensor 08, for example on a common chip 18. The variant shown in FIG. 6 provides for the construction of each of the two sensor element bridges 09, 10 by means of their own sensor elements 1 1, 12 or 13, 14 formed on the chip 18, for example. Here, a first, the first phase track 04 associated sensor element 1 1 with a likewise the first phase track 04 associated second sensor element 12 to the first, provided for speed determination and preferably almost parallel to the direction L of the first phase track 04 and the two phase tracks 04, 05 extending Sensor element bridge 09 interconnected. A sensor element 14 associated with the second phase track 05 is interconnected with a sensor element 13 which is assigned to the first phase track 04 to the second sensor element bridge 10 which extends perpendicular to the running direction L of the two phase tracks 04, 05 and bridges the two phase tracks 04, 05 Torque determination is provided.
Die in Fig. 7 dargestellte Variante kommt demgegenüber mit lediglich drei beispielsweise auf einem gemeinsamen Chip 18 angeordneten Sensorelementen 15, 16, 17 aus. Hierbei ist vorgesehen, ebenfalls ein erstes, der ersten Phasenspur 04 zugeordnetes Sensorelement 15 mit einem ebenfalls der ersten Phasenspur 04 zugeordneten zweiten Sensorelement 16 zur ersten, zur Drehzahlbestimmung vorgesehenen und parallel zur Laufrichtung L der ersten Phasenspur 04 bzw. beider Phasenspuren 04, 05 verlaufenden Sensorelementebrücke 09 zu verschalten. Anders jedoch als in Fig. 6 dargestellt, ist hierbei jedoch vorgesehen, ein der zweiten Phasenspur 05 zugeordnetes Sensorelement 17 mit dem der ersten Phasenspur 04 zugeordneten und mit dem Sensorelement 16 zur ersten Sensorelementebrücke 09 verschalteten ersten Sensorelement 15 zur zweiten Sensorelementebrücke 10 zu verschalten, sodass das erste Sensorelement 15 sowohl Bestandteil der ersten Sensorelementebrücke 09, als auch der vorzugsweise in einem rechten Winkel zu dieser verlaufenden zweiten Sensorelementebrücke 10 ist. Bei sämtlichen in den Fig. 2, 3 und 6, 7 dargestellten Ausführungsvarianten des Sensors 08 können die Sensorelemente 1 1 , 12, 13, 14, bzw. 15, 16, 17 der beiden Sensorelementebrücken 09, 10 in einem gemeinsamen Gehäuse, beispielsweise in Form eines eigenen ASIC-Gehäuses (ASIC; Application Specific Integrated Circuit) und/oder auf einem gemeinsamen Chip 18 und/oder innerhalb eines gemeinsamen Sensorgehäuses angeordnet sein. The variant shown in Fig. 7, however, comes with only three arranged for example on a common chip 18 sensor elements 15, 16, 17. Here, it is also provided, a first, the first phase track 04 associated sensor element 15 with a likewise the first phase track 04 associated second sensor element 16 to the first, provided for speed determination and parallel to the direction L of the first phase track 04 and the two phase tracks 04, 05 extending sensor element bridge 09 to interconnect. However, unlike in FIG. 6, it is provided that a sensor element 17 assigned to the second phase trace 05 is connected to the first sensor element 15 assigned to the first phase trace 04 and connected to the sensor element 16 to the first sensor element bridge 09 to the second sensor element bridge 10 the first sensor element 15 is both a component of the first sensor element bridge 09 and the second sensor element bridge 10, which preferably extends at a right angle thereto. In all embodiments of the sensor 08 shown in FIGS. 2, 3 and 6, 7, the sensor elements 1 1, 12, 13, 14, or 15, 16, 17 of the two sensor element bridges 09, 10 in a common housing, for example in Form of its own ASIC housing (ASIC) Application Specific Integrated Circuit and / or on a common chip 18 and / or be arranged within a common sensor housing.
Wichtig ist hervorzuheben, dass die beiden Querschnitte 06, 07 auch durch beispielsweise auf einer Welle voneinander beabstandet angeordnete Geberräder repräsentiert werden können. Die Welle bildet hierbei den rotierenden Körper 03 mit bekannter Tor- sionssteifigkeit. Die Laufrichtung L der Phasenspuren 04, 05 entspricht dann der Laufrichtung der Geberräder. It is important to emphasize that the two cross sections 06, 07 can also be represented by, for example, arranged on a shaft spaced from each other donor wheels. The shaft forms the rotating body 03 with known torsion stiffness. The running direction L of the phase tracks 04, 05 then corresponds to the running direction of the encoder wheels.
Bevorzugt kommen Hallelemente als Sensorelemente in Frage, wobei die Markierungen N, S der beiden Phasenspuren 04, 05 dann wie bereits beschrieben als periodisch abwechselnd angeordnete magnetische Nord- und Südpole ausgebildet sind. Ebenso ist die Verwendung von magnetoresistiven Elementen, beispielsweise GMR- Elementen, denkbar. Preferably, Hall elements come as sensor elements in question, wherein the markers N, S of the two phase tracks 04, 05 are then formed as already described as periodically alternately arranged magnetic north and south poles. Likewise, the use of magnetoresistive elements, such as GMR elements, conceivable.

Claims

Ansprüche claims
1 . Sensoranordnung (01 ) mit mindestens zwei in axialer Richtung einer Rotationsachse (02) eines rotierenden Körpers (03) voneinander beabstandet und jeweils um den Körper (03) umlaufend angeordneten Phasenspuren (04, 05) sowie mit je Phasenspur (04, 05) wenigstens einem gegenüber dem rotierenden Körper (03) ortsfest angeordneten, die jeweilige Phasenspur (04, 05) erfassenden Sensorelement (1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17), dadurch gekennzeichnet, 1 . Sensor arrangement (01) with at least two in the axial direction of a rotation axis (02) of a rotating body (03) spaced from each other and each around the body (03) circumferentially arranged phase traces (04, 05) and with each phase track (04, 05) at least one fixedly arranged relative to the rotating body (03), the respective phase track (04, 05) detecting sensor element (1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17), characterized
dass zumindest ein erstes einer ersten Phasenspur (04) zugeordnetes Sensorelement (1 1 , 15) mit wenigstens einem ebenfalls der ersten Phasenspur (04) zugeordneten zweiten Sensorelement (12, 16) zu mindestens einer sich in einer Draufsicht im Wesentlichen parallel zur Phasenspur (04, L) und senkrecht zur Rotationsachse (02) des rotierenden Körpers (03) erstreckenden ersten Sensorelementebrücke (09) verschaltet ist, und mindest ein einer zweiten Phasenspur (05) zugeordnetes Sensorelement (14, 17) mit zumindest einem der ersten Phasenspur (04) zugeordneten Sensorelement (13, 15) zu wenigstens einer sich in einer Draufsicht quer zu den beiden Phasenspuren (04, 05, L) erstreckenden zweiten Sensorelementebrücke (10) verschaltet ist.  in that at least one first sensor element (1 1, 15) assigned to a first phase track (04) is connected to at least one second sensor element (12, 16) likewise assigned to the first phase track (04) to at least one substantially parallel to the phase track (04 , L) and perpendicular to the axis of rotation (02) of the rotating body (03) extending first sensor element bridge (09) is connected, and at least one of a second phase track (05) associated sensor element (14, 17) with at least one of the first phase track (04) associated sensor element (13, 15) to at least one in a plan view transverse to the two phase tracks (04, 05, L) extending second sensor element bridge (10) is connected.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , 2. Sensor arrangement according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die zweite Sensorelementebrücke mit der ersten Sensorelementebrücke in einer Draufsicht einen zumindest annähernd rechten Winkel einschließt und sich die zweite Sensorelementebrücke in der Draufsicht im Wesentlichen senkrecht zu den beiden Phasenspuren (04, 05, L) und parallel zur Rotationsachse (02) erstreckt.  the second sensor element bridge with the first sensor element bridge encloses an at least approximately right angle in a plan view and the second sensor element bridge in the plan view extends substantially perpendicular to the two phase tracks (04, 05, L) and parallel to the rotation axis (02).
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Sensor arrangement according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das der ersten Phasenspur (04) zugeordnete Sensorelement (15), mit dem das der zweiten Phasenspur (05) zugeordnete Sensorelement (17) zur zweiten Sensorelementebrücke (10) verschaltet ist, ein Sensorelement (15, 16) der ersten Sensorelementebrücke (09) ist. in that the sensor element (15) assigned to the first phase track (04) is connected to the sensor element (17) assigned to the second phase track (05) second sensor element bridge (10) is connected, a sensor element (15, 16) of the first sensor element bridge (09).
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, 4. Sensor arrangement according to claim 1, 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die erste und die zweite Sensorelementebrücke (09, 10) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.  the first and the second sensor element bridge (09, 10) are arranged in a common housing.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die erste und die zweite Sensorelementebrücke (09, 10) auf einem gemeinsamen Chip (18) angeordnet sind.  in that the first and the second sensor element bridge (09, 10) are arranged on a common chip (18).
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass zumindest die erste und die zweite Phasenspur (04, 05) auf zwei getrennten, mit dem rotierenden Körper (03) verbundenen Geberrädern angeordnet sind.  in that at least the first and second phase tracks (04, 05) are arranged on two separate encoder wheels connected to the rotating body (03).
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Sensor arrangement according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass zumindest die Sensorelemente (1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17) wenigstens einer Sensorbrücke (09, 10) Hallelemente sind, wobei die jeweils zugehörige Phasenspur (04, 05) magnetische Markierungen (N, S) umfasst.  in that at least the sensor elements (1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17) of at least one sensor bridge (09, 10) are Hall elements, the respective associated phase track (04, 05) comprising magnetic markings (N, S).
8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Sensor arrangement according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass zumindest die Sensorelemente (1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17) wenigstens einer Sensorbrücke (09, 10) magnetoresistive Elemente, vorzugsweise GMR-Elemente, sind.  in that at least the sensor elements (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) of at least one sensor bridge (09, 10) are magnetoresistive elements, preferably GMR elements.
9. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Sensor arrangement according to one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
zumindest eine weitere, parallel zur ersten Sensorelementebrücke (09) angeordneten Sensorelementebrücke.  at least one further, parallel to the first sensor element bridge (09) arranged sensor element bridge.
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