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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zum Messen des
Drehmoments und des Drehwinkels einer drehbaren Welle, insbesondere
einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs mittels einer auf einer Seite
eines tordierbaren Abschnitts der Welle angesetzten mitdrehenden
Markierscheibe, die auf einer Seite eine umlaufende Drehmarkierung
und auf der gegenüberliegenden
ebenen Seite eine Torsionsmarkierung aufweist, wobei die Drehmarkierung
stationären
Sensorelementen zur Erfassung der Drehwinkels der Welle und die
Torsionsmarkierung mitdrehenden Sensorelementen zugewandt ist, die
zur Bestimmung des Torsionswinkels des tordierbaren Abschnitts fest
mit der anderen Seite des tordierbaren Abschnitts der Welle verbunden
sind.
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Durch
die
DE 10254751 A ist
eine kombinierter Drehwinkel- und Drehmomentsensoreinrichtung für eine Lenkwelle
mit einer Encoderscheibe bekannt geworden, die auf einer Seite eines
mitdrehenden scheibenförmigen
Trägers
befestigt ist und optisch oder magnetoresistiv durch einen stationären Sensorkopf
abgetastet wird. Auf der anderen Seite des Trägers ist ein Encoder aufgebracht,
auf den ein mitdrehender weiterer Sensorkopf gerichtet ist. Die Lenkwelle
weist einen im Durchmesser erheblich reduzierten Torsionsabschnitt
auf. Die Encoderscheibe ist auf einer Seite des Torsionsabschnittes
und der mitdrehende Sensorkopf auf der anderen Seite des Torsionsabschnittes
fest mit der Lenkwelle verbunden. Der mitdrehende Sensorkopf erfasst
den dem Drehmoment äquivalenten
Torsionswinkel des Torsionsabschnittes optisch, magnetisch oder
mittels eines elektrischen Feldes. Der mitdrehende Sensorkopf ist über eine
Wickelfeder kontaktiert, deren Verformung auch für die Bestimmung der Anzahl
der Umdrehungen genutzt wird.
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Ferner
ist z.B. durch die
US 5023559 ein
kapazitiver Linearsensor mit einem Signalgenerator, einem Signalprozessor
und flächenhaften
Elektrodenarrays für
hohe und mittlere Auflösungen
bekannt geworden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung der Sensoreinrichtung
zu vereinfachen und ihre Funktionssicherheit zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die mitdrehenden Sensorelemente an einer zur Markierscheibe
parallelen Drehscheibe ausgebildet sind, dass die mitdrehenden Sensorelemente
und die Torsionsmarkierung als flache, einander eng benachbarte
parallele, kapazitiv gekoppelte, wechselseitig umlaufend konfigurierte
Torsionselektroden ausgebildet sind, und dass die Sensorscheibe
mit ihren Torsionselektroden elektrisch verbundene Ringelektroden aufweist,
die mit stationären
Zuführelektroden
der Vorrichtung gekoppelt sind.
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Eine
derartige Einrichtung hat den Vorteil, dass die umlaufend angeordneten
konzentrischen Elektroden eine große Gesamtkoppelfläche von
entsprechend hoher Signalstärke
aufweisen, so dass der Scheibendurchmesser entsprechend verringert werden
kann. Durch die zentrierte Anordnung und große Überlappung der summarisch wirkenden
Elektroden wird die Einrichtung gegen mechanischen Versatz der Achslagen
der beiden Wellenabschnitte vor und nach dem Torsionsabschnitt unempfindlich. Die
beweglichen Teile der Einrichtung sind drehfest mit der Lenkwelle
verbunden und durchweg zirkulär und
somit drehsymmetrisch ausgebildet. Sie können daher auch den Fliehkräften höherer Drehzahlen
z.B. zur Schlupfregelung an Antriebswellen ausgesetzt werden. Die
Elektrodenträger
können
in der Art einer Leiterplatte ausgebildet und bearbeitet werden,
wobei die Funktionselemente z.B. in einem üblichen photolithografischen
Verfahren mit geringem Aufwand ausgebildet werden können. Die
Sensorsignale können
neben der Drehmoments nicht nur zur Bestimmung der absoluten Winkellage,
sondern auch zur Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit genutzt werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen beschriebenen
Merkmalen.
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Die
flachen Übertragerelektroden
nach Anspruch 2 sind kapazitiv mit den eng benachbarten ringförmigen flachen
Zuführelektroden
auf einer stationären Übertragerscheibe
gekoppelt. Eine solche Kopplung ist mechanisch unempfindlich und
entsprechend Funktionssicher.
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Die
Funktionselemente nach Anspruch 3 ermöglichen ebenfalls eine großflächige Kopplung
von hoher Sensitivität.
Durch die konzentrische Anordnung und Beschaltung sind die auszuwertenden
Signale gegen mechanischen Störeinflüsse weitgehend unempfindlich.
Die gesamte Einrichtung kann entsprechend der Scheibendicken sehr
kurz, kompakt und stabil ausgebildet werden.
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Die
Grobdrehelektroden nach Anspruch 4 können zusammen mit den Drehelektroden
in einem Arbeitsgang ausgebildet werden.
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Durch
die wechselseitig angeordneten Elektrodenringe nach Anspruch 5 werden
die Sende- oder Empfangssignale in einfacher Weise zugeführt und übertragen.
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Durch
die Weiterbildung nach Anspruch 6 ist es möglich, alle externen Anschlüsse auf
der Festscheibe zusammenzufassen.
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Durch
das Schirmgehäuse
nach Anspruch 7 schützt
die Sensor- und Übertragerelemente
vor externen elektromagnetischen Störeinflüssen.
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Durch
die Elektroden nach den Ansprüchen 8
und 9 werden sämtliche
Messwerte hochauflösend und
zuverlässig
ermittelt Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Sensoreinrichtung für
eine Lenkwelle mit mehreren axial eng aneinander gereihten kreisrunden
Scheiben
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2 eine
Schema der Sensoreinrichtung mit einer elektrischen Schalt- und
Auswerteeinrichtung
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3 eine
Draufsicht auf eine Seite einer ersten Scheibe,
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4 eine
Draufsicht auf eine benachbarte Seite einer zweiten Scheibe,
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5 eine
Draufsicht auf die andere Seite der zweiten Scheibe,
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6 eine
Draufsicht auf eine der zweiten Scheibe benachbarten Seite einer
dritten Scheibe,
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7 eine
Draufsicht auf die andere Seite der dritten Scheibe,
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8 eine
Draufsicht auf eine der dritten Scheibe benachbarten Seite einer
vierten Scheibe,
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9 ein
Diagramm mit Signalwerten zur Bestimmung der Grobdrehlage der Lenkwelle,
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10 ein
Diagramm mit Signalwerten zur Bestimmung der genauen Drehlage der
Lenkwelle.
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Nach 1 weist
eine drehbare Lenkwelle 1 ein zylindrisches Endstück 2 auf,
das fest mit einer elastomeren Buchse 3 verbunden ist,
die ihrerseits fest in einen Endabschnitt einer rohrartigen Lenksäule 4 eingebettet
ist. Ein aus der Lenkwelle 1 herausragender Abschnitt des
Endstücks 2 ist
fest mit einem Lenkrad 5 verbunden. Die Buchse 3 bildet
einen tordierbaren Abschnitt der Lenkwelle 1 und ist so
beschaffen, dass sich das Endstück 2 mit Überschreiten eines
vom Lenkrad 5 ausgeübten
Mindestdrehmoments relativ zur Lenksäule 4 elastisch verdrehen kann.
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Eine
Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Drehstellung und des Drehmoments
der Lenkwelle weist im Bereich des Endstücks 2 eine Sensoreinheit 6 mit
einem stationären
Gehäuse 7 und
vier mit der Lenkwelle 1 koaxialen eng benachbarten runden Scheiben
auf, von denen die beiden äußeren fest
mit dem Gehäuse 7 und
die beiden inneren fest mit der Lenkwelle 1 verbunden sind.
Das die Scheiben umschließende
Gehäuse 7 kann
z.B. als an Minuspotential angeschlossenes Schirmgehäuse ausgebildet sein
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Eine
der beiden inneren Scheiben ist am freien Ende der Lenksäule befestigt
und als Markierscheibe 20 ausgebildet. Die andere innere
Scheibe ist fest mit dem Endstück 2 verbunden
und als Sensorscheibe 30 ausgebildet. Die der Markierscheibe 20 benachbarte äußere Scheibe
ist als Festscheibe 10 ausgebildet und auf der Seite der
Markierscheibe 20 mit stationären Sensorelementen versehen,
die mit einer benachbarten Drehmarkierung 18 der Markierscheibe 20 zusammenwirken.
Auf ihrer gegenüberliegenden
Seite weist die Markierscheibe 20 eine Torsionsmarkierung 19 auf,
die mit Sensorelementen der mitdrehenden Sensorscheibe zusammenwirken. Die
andere äußere Scheibe
dient als Übertragerscheibe 40,
die über
eine elektrische Leitung 8 mit der Festscheibe 10 verbunden
ist.
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Nach 2 weist
die Sensoreinrichtung neben der Sensoreinheit 6 mit den
vier Scheiben (10, 20, 30, 40)
einen Signalgenerator 9, Signalaufbereiter 11 und
einen Mikrokontroller 12 auf. Der Signalgenerator 9 erzeugt
wellenartige, hochfrequente, um 120° phasenverschobene, vorzugsweise
rechteckförmige
Gebersignale, die über
drei Geberleitungen 13 auf die Sensoreinheit 6 übertragen
werden, wobei zumindest eine der Geber leitungen 13 zur
Synchronisation unmittelbar mit dem Mikrokontroller 12 verbunden
ist. Die Signalaufbereiter 11 konditionieren die von der
Sensoreinheit 6 ausgegebenen Signale für das Drehmoment, die Grobwinkellage
und die Feinwinkellage. Der Mikrokontroller 12 arbeitet
mit einer internen vielfachen Frequenz des Signalgenerators 9 empfängt die
konditionierten Signale und ermittelt die Zeitverschiebung zu den
vom Signalgenerator ausgegebenen Gebersignalen, woraus der Drehwinkel
und der Torsionswinkel der Lenkwelle 1 berechnet und z.B.
einer Zentralsteuerung 14 übermittelt werden.
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Die 3 und 4 zeigen
die einander zugewandten Seiten der Festscheibe 10 und
der Markierscheibe 20. Die stationären Sensorelemente der Festscheibe 10 und
die Drehmarkierung 18 der Markierscheibe 20 sind
als flache, einander eng benachbarte parallele, kapazitiv gekoppelte,
wechselseitig umlaufend konfigurierte Drehelektroden 17 zur
Bestimmung des Drehwinkels ausgebildet. Zusätzlich zu diesen sind zur Signalübertragung
auf den einander zugewandten Seiten wechselseitig angeordnete konzentrische
innere Elektrodenringe 15, 25 angebracht, die
auf der Festscheibe an die Geberleitungen 13 (2)
angeschlossen sind und deren Gebersignale kapazitiv auf die Elektrodenringe 25 der Markierscheibe 20 übertragen
werden. Die breiteren Elektrodenringe 15 der Festscheibe 10 überdecken toleranzausgleichend
die schmaleren Elektrodenringe 25 der Markierscheibe 20.
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Die
Drehelektroden bestehen aus ringartigen, paarweise einander zugeordneten
mittleren Grobdrehelektroden 16 und 26 sowie äußeren hochauflösenden Drehelektroden 17 und 27.
Die Drehelektroden 17 der Markierscheibe 20 bestehen
aus diskreten Elektrodensegmenten 21 und die zugehörigen Elektroden 27 der
Festscheibe 10 aus durchgehenden kammartig ineinander greifenden
komplementären
Elektrodenfeldern 22, die durch eine rechteckig mäanderförmig umlaufenden
Trennfuge 24 getrennt sind und die über elektrische Verbindungsleitungen 23 an
einen der Signalaufbereiter 11 angeschlossen sind. Die
ringförmig
verteilten Elektrodensegmente 21 von gleicher Gestalt sind
zur Erzeugung periodisch ändernder
Felder in abwechselnder Reihenfolge mit den verschiedenen Elektrodenringen 25 elektrisch
verbunden. Die unterschiedlichen Überdeckungen zwischen den Elektrodensegmenten 21 der
verschiedenen Phasen und den Elektrodenfeldern 22 ergeben
bei einer Verdrehung der Lenkwelle 1 entsprechend dem in 10 dargestellten
Diagramm eine periodisch wiederholte lineare Beziehung zwischen den
Gebersignalen x und den von der Sensoreinheit 6 (1)
ausgegebenen aufbereiteten Signalen y1, die durch Differenzbildung
zwischen den beiden Elektrodenfeldern im Signalaufbereiter 11 (2)
noch verstärkt
werden können.
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Die
Grobdrehelektroden 26 auf der Markierscheibe 20 bestehen
aus drei diskreten, an die verschiedenen Elektrodenringe 25 angeschlossenen Teilringen 36 und
die zugehörigen
Gegenelektroden der Festscheibe aus zwei durchgehenden Elektrodenflächen 37,
zwischen denen eine spiralförmige ansteigende
und abnehmende weitere Trennfuge 27 verläuft. Die
Elektrodenflächen
sind über
die Verbindungsleitung 23 (2) mit einem
weiteren der Signalaufbereiter 11 verbunden. Für einen
Umlauf der Lenkwelle 1 ergibt sich hier eine einfache durchgehende
lineare Beziehung zwischen den Gebersignalen und den ausgehenden
Signalen wie dies aus dem in 9 dargestellten
Diagramm ersichtlich ist, worin x den Drehwinkel und y die Signalverschiebung
wiedergibt.
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Nach 4 weist
die Markierscheibe 20 zur Umdrehungszählung an ihrem äußeren Umfang
einen radial abstehenden zahnartigen Nocken 33 auf, der
knapp in eine Verzahnung eines konvex zugeordneten Zahnkranzsegmentes 34 eingreift
und dieses bei jeder Umdrehung um eine Zahnteilung weiterdreht.
Diese Verstellung kann mit anhand von zugeordneten Sensorfeldern 35 erfasst
werden, um Mehrfachumdrehungen berücksichtigen zu können.
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Die 5 und 6 zeigen
die Markierscheibe 20 und die Sensorscheibe 30 mit
ihren einander zugewandten Seiten, auf denen Elektroden angeordnet
sind, die auf der Markierscheibe eine Torsionsmarkierung 19 und
auf der mitdrehenden Sensorscheibe Sensorelemente bilden, die eine
relative Verdrehung zur Torsionsmarkierung 19 erfassen.
Die Sensorelemente und die Torsionsmarkierung sind als flache, einander
eng benachbarte parallele, kapazitiv gekoppelte, wechselseitig umlaufend
konfigurierte Torsionselektroden ausgebildet sind, die auf der Markierscheibe 20 aus
diskreten weiteren Elektrodensegmenten 28 und auf der Sensorscheibe 30 aus durchgehenden
kammartig ineinander greifenden komplementären weiteren Elektrodenfeldern 29 bestehen,
die durch eine weitere sinusoide Trennfuge 31 voneinander
getrennt sind. Die in engerer Teilung und höherer Anzahl vorhandenen Elektrodensegmente 28 sind
in ähnlicher
Weise wie bei den Drehelektroden in abwechselnder Reihenfolge an
die Elektrodenringe 25 (4) ange schlossen.
Die Torsionselektroden wirken in ähnlicher Weise wie die Drehelektroden.
Durch die sinusoide Trennfuge 31 und die höhere Anzahl
der Elektrodensegmente wird eine im Vergleich zur Drehmarkierung
noch höhere
Winkelauflösung
erzielt, die bereits eine geringe Verformung der elastomeren Buchse 3 (1)
erkennbar macht.
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Die 7 und 8 zweigen
die einander zugewandten Seiten der Sensorscheibe 30 und
der Übertragerscheibe 40.
Die Sensorscheibe 30 ist auf ihrer den Elektrodenfeldern 29 (6)
gegenüberliegenden
Seite mit zwei Ringelektroden 32 versehen, die mit jeweils
einem der beiden Elektrodenfelder 29 elektrisch verbunden
sind. Die Übertragerscheibe 40 weist
auf ihrer der Sensorscheibe 30 zugewandten Seite weiter
Ringelektroden 42 auf, die die Ringelektroden 32 überdecken
und an die zur Festscheibe führenden
Leitung 8 (1) angeschlossen sind. Die beiden
Paare der Ringelektroden 32 und 42 sind mit einander
kapazitiv gekoppelt und übertragen
kontaktlos die von den Elektrodenfeldern 29 (6)
ausgehenden Signale, die über
die Verbindungsleitung 23 (2) einem
weiteren der Signalaufbereiter 11 zugeleitet werden.
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- 1
- Lenkwelle
- 2
- Endstück
- 3
- Buchse
- 4
- Lenksäule
- 5
- Lenkrad
- 6
- Sensoreinheit
- 7
- Gehäuse
- 8
- Leitung
- 9
- Signalgenerator
- 10
- Festscheibe
- 11
- Signalaufbereiter
- 12
- Mikrokontroller
- 13
- Geberleitung
- 14
- Zentralsteuerung
- 15
- Elektrodenring
- 16
- Grobdrehelektrode
- 17
- Drehelektrode
- 18
- Drehmarkierung
- 19
- Torsionsmarkierung
- 20
- Markierscheibe
- 21
- Elektrodensegment
- 22
- Elektrodenfeld
- 23
- Verbindungsleitung
- 24
- Trennfuge
- 25
- Elektrodenring
- 26
- Grobdrehelektrode
- 27
- Drehelektrode
- 28
- Elektrodensegment
- 29
- Elektrodenfeld
- 30
- Sensorscheibe
- 31
- Trennfuge
- 32
- Ringelektrode
- 33
- Nocken
- 34
- Zahnkranzsegment
- 35
- Sensorfeld
- 36
- Teilring
- 37
- Elektrodenfläche
- 42
- Ringelektrode
- 40
- Übertragerscheibe