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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Differenzdrehmomentsensor
für eine
sich kontinuierlich drehende Welle und insbesondere einen Sensor
für Anwendungen
in Automobilen, einschließlich
der Lenkung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
neuesten Anforderungen an die Automobilindustrie, den Verbrauch
von Motorkraft zu reduzieren, haben es notwendig gemacht, die Hydraulikpumpe
der Servolenkung durch einen wesentlich effizienteren Elektromotor
zu ersetzen, der zur Lenkkraftunterstützung durch ein Getriebe mit
der Lenkwelle verbunden ist. Das Hauptproblem lag in der Erfassung
der von dem Fahrer aufgebrachten Kraft, um dadurch zu erfahren,
wie stark die Lenkkraft unterstützt
werden muss.
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Die
Automobilindustrie hat mit wenig Erfolg versucht, ein preiswertes
Verfahren für
die genaue Erfassung der Torsion bei der damals verfügbaren Länge von
2,54 cm (1") der
Lenkwelle aus Stahl mit einem Durchmesser von 1,9 cm (3/4") zu finden. Die Lösung war,
einen Torsionsstab in die Lenkwelle zu integrieren, um dadurch mehr
Torsionsflexibilität
zu ermöglichen.
Diese Bewegung kann nun unter Verwendung von weit weniger teueren
Mitteln erfasst werden, um zu bestimmen, wie hoch die Lenkkraft
ist, die der Fahrer auf das Lenkrad ausübt, und sie kann wiederum vorgeben,
wie viel Kraft für
eine Unterstützung
auf den Motor auszuüben
ist.
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Diese
Erfassung könnte
mit Widerstandselementen (Potentiometern) bewerkstelligt werden, doch
handelt es sich hierbei um eine Kontakttechnologie, die verschleißanfällig und
elektrisch verrauscht ist. Eine kontaktfreie Lösung ist deshalb sehr zu bevorzugen.
Eine andere Möglichkeit
ist die Verwendung von optischen Kodierern. Diese erfüllen zwar ebenfalls
die Funktion, sind aber unerlaubt teuer (speziell absolute optische
Kodierer), und von der Benutzung der Lichtquelle ist aus Gründen der
Zuverlässigkeit
abzuraten.
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Allgemein
arbeiten diese und andere Verfahren für eine Drehmomentmessung derzeit
mit zwei Winkelverschiebungs-Sensoren, nämlich einem auf jeder Seite
des Torsionsstabs.
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Ein
Nachteil dieses Differenz-Winkelverschiebungsverfahrens ist, dass
zwei separate Ausgangssensoren vorhanden sind und dass der Verdrehwinkel
die Differenz zwischen den Ausgangssignalen ist. Dies ist nicht
sehr genau. Eine Lösung
für dieses
Problem ist in dem Patent Nr. 4,680,976 von Lustenberger angegeben,
bei dem ein elektromagnetisches Verfahren mit zwei gegenüberliegenden
Spulen angewandt wird. Dies unterliegt Funkstörungen von externen Quellen
und seine Genauigkeit reicht möglicherweise
nicht aus.
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Das
Dokument US-A-3 729 991 zeigt einen kapazitiven Drehmomentwandler,
der einen Torsionsstab mit Metallscheiben aufweist, die mit Speichen
versehen sind und die an jedem seiner Enden montiert sind, wobei
die gesamte Anordnung sandwichartig zwischen kreisförmigen abschirmenden Metallscheiben
aufgenommen ist.
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Aufgabe und
Zusammenfassung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven
Differenzdrehmomentsensor zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß der vorstehend
genannten Aufgabe wird ein kapazitiver Drehmomentsensor für eine sich drehende
Welle zur Verfügung
gestellt, wobei die Welle durch einen versenkten Torsionsstab in
eine erste und eine zweite Hälfte
geteilt ist, umfassend eine dielektrische Scheibe, die eine Mehrzahl
von Speichen aufweist und für
eine Drehung mit einer ersten Hälfte
der Welle montiert ist; ein aus einer ersten und einer zweiten mit Öffnungen
versehenen leitenden Scheibe gebildetes Paar, das die dielektrische
Scheibe käfigartig
einschließt
und das für
eine Drehung mit der genannten Hälfte
der Welle montiert ist, wobei der Käfig Abschnitte der Speichen
der dielektrischen Scheibe im Verhältnis zu einem ausgeübten Wellendrehmoment
abdeckt; ein Paar konzentrischer Kondensator-Plattenringe, die die
erste Wellenhälfte
umschließend
in einer gemeinsamen Ebene liegen und neben der ersten mit Öffnungen
versehenen leitenden Scheibe angeordnet sind; eine gegenüberliegende
Kondensatorplatte, die die zweite Wellenhälfte umschließt und neben
der zweiten mit Öffnungen
versehenen leitenden Scheibe angeordnet ist; und elektrische Brückenmittel
zum Vergleichen der zwischen dem Paar konzentrischer Ringe und der
gegenüberliegenden
Kondensatorplatte gebildeten Kapazitäten, um das ausgeübte Wellendrehmoment
zu bestimmen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A und 1B sind Draufsichten auf zwei Kondensatorbereiche
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine perspektivische
Ansicht der Kombination der 1A und 1B , wie diese tatsächlich an
einer Welle verwendet werden würde,
deren Torsion zu bestimmen ist.
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3 ist ein schematisches
Diagramm, das zeigt, wie die Kapazitäten von 2 verarbeitet werden.
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4 ist ein Diagramm, das
die Funktionsweise von 3 darstellt.
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5 ist eine Draufsicht auf
einen Bereich der Erfindung.
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6 ist eine Draufsicht auf
einen weiteren Bereich der Erfindung.
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7 ist eine Draufsicht, die
eine Kombination der 5 und 6 zeigt.
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8 ist eine Draufsicht, die
eine Kombination der 7 und 1B im Zustand eines Null-Drehmoments
zeigt.
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9 ist eine Draufsicht ähnlich wie 8, die den Zustand bei einem
maximalen Drehmoment zeigt.
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10 ist ein perspektivisches
Sprengbild, das zeigt, wie die Komponenten der Erfindung an einer
Welle angebracht werden würden.
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11 ist eine auseinandergezogene
Querschnittsdarstellung, die in größerem Detail zeigt, wie die
Komponenten von 10 montiert
und untereinander verbunden sind.
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Detailbeschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
Technologie der kapazitiven Erfassung ist hinreichend bekannt. Der
Wert eines Kondensators hängt
von der Dielektrizitätskonstante
des dielektrischen Materials zwischen den Kondensatorplatten, der
Fläche
der Platten und dem Abstand zwischen den beiden Platten ab. Ein
beliebiger dieser Parameter kann in dem Erfassungsverfahren verwendet
werden.
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Ein
Verschiebungssensor lässt
sich konstruieren, indem ein Teil aus dielektrischem Material in die
und aus den parallelen Platten eines Kondensators ge schoben wird.
Dies ist aufgrund von Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit für reale
Anwendungen nicht geeignet. Die Dielektrizitätskonstante von Luft liegt
sehr nahe an eins bei trockenen Zuständen. Wenn jedoch die Feuchtigkeit
zunimmt, sind die Medien nicht mehr länger reine Luft, sondern eine
Mischung aus Luft und Wassermolekülen, deren Dielektrizitätskonstante
größer als
eins ist, was zu erheblichen Verschiebungsfehlern führt. Zur
Beseitigung dieses Problems kennt man den Einsatz eines radiometrischen
kapazitiven Sensors. Hier sind nebeneinander parallele Plattenkondensatoren
angeordnet, und die Länge
des beweglichen dielektrischen Materials ist größer als die Länge eines
individuellen Kondensators: Der Charakter dieser Konstruktion kann
durch die ratiometrische Formel des Verhältnisses von zwei Kapazitäten definiert
werden. Bei dieser Konstruktion wird die Erfassung der Bewegung
des Dielektrikums zwischen den Platten gewünscht. Dies kann durch die
in 3 dargestellte, handelsübliche Verarbeitungsschaltung
für das
Signal des kapazitiven Sensors geschehen. Hier ist der Spannungsausgang
VT das Verhältnis der Differenz und der
Summe der individuellen Kapazitäten
mal einer Konstante. Da der Sensor auf einer ratiometrischen Anordnung
basiert, haben Umwelteinflüsse wie
Feuchtigkeit, Temperatur etc. einen minimalen Effekt auf die Genauigkeit,
und dies aufgrund der Tatsache, das der Wert von C1 und der Wert
von C2 einander verfolgen (proportional zunehmen und abnehmen).
Die vorstehende Konstruktion ist nur für einen Sensortyp mit linearer
Verschiebung geeignet. Wenn jedoch das vorstehend genannte Verfahren
angewandt wird, sind kapazitive Drehsensoren zwar möglich, doch
auf einen maximalen Winkel von 180° begrenzt. Eine derartige Konstruktion
hätte eine
gemeinsame kreisförmige
Kondensatorplatte mit einer geteilten Kondensatorplatte in Halbkreisen,
die ein sich drehendes Di-elektrikum zwischen sich aufnehmen. In
Fällen,
in denen die Erfassung des Drehmoments beispielsweise von sich drehenden
Maschinen oder von dem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs mit mehreren
Umdrehungen von Anschlag zu Anschlag gewünscht wird, ist eine solche
Konstruktion nicht verwendbar.
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Die
1A,
1B und
2 zeigen
die Platten des erfindungsgemäßen Kondensators
ohne das eingesetzte Dielektrikum.
1A zeigt
eine ringförmige oder
ringartige Kondensatorplatte
10, die eine Welle
11 (von
welcher lediglich die Achse dargestellt ist) umschließt. Diese
liegt einem Paar konzentrischer Kondensatorplattenringe
12 und
13 gegenüber, die
in der gleichen Ebene miteinander liegen und die wiederum die Wellenachse
11 umschließen. Wie
vorstehend erläutert
und wie in
2 dargestellt,
wären sie an
der Welle
11 in unmittelbarer Nähe, jedoch mit einem dazwischen
vorgesehenen Dielektrikum
16 montiert. Wie in
2 dargestellt ist, tritt
die Kapazität
C1 zwischen der Platte
10 und dem äußeren konzentrischen Ring
13 auf,
und die Kapazität
C2 tritt zwischen der Platte
10 und dem inneren Ring
12 auf. Die
Ringplatten
12 und
13 sollten vorzugsweise flächengleich
sein, um bei einem Null-Drehmoment für einen ausgeglichenen Kapazitätsausgang
(d.h. gleiche Kapazitäten
C1 und C2) zu sorgen. Gleiche Flächen
lassen sich durch eine einfache Geometrie ohne weiteres schaffen.
In
1B sind die drei
zugehörigen
Radien für
flächengleiche
Kondensatorplatten gezeigt, und es gilt die folgende Formel:
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6 zeigt bei Pos. 16 eine
dielektrische Scheibe mit einer Mehrzahl von Sektoren oder Speichen 17,
die drehbar an einer Welle 11 montiert ist und die, siehe 2, zwischen der Platte 10 und
den konzentrischen Kondensatorplattenringen 12 und 13 eingesetzt
ist, wie anhand der gestrichelten Linie dargestellt. Die dielektrische
Scheibe 16 ist an beiden Seiten durch ein Paar mit Öffnungen
versehene leitende Scheiben, die in 5 als
Pos. 18 und 19 angegeben sind, käfigartig
eingeschlossen oder abgeschirmt. Es ist nur eine Scheibe dargestellt.
Die beiden Scheiben schließen
die dielektrische Scheibe 16 käfigartig ein und sind miteinander
verbunden, wobei die Öffnungen
in den Scheiben aufeinander ausgerichtet sind. Insbesondere bezugnehmend
auf 5 umfasst jede leitende
Scheibe einen äußeren Öffnungsring 21 und
einen inneren Öffnungsring 22,
die bezüglich
ihrer Dimensionen an die Ringe 12, 13 von 1B angepasst sind. Die mit Öffnungen
versehenen Ringe 21 und 22 alternieren rund um
einen Kreis mit vollen leitenden Abschnitten. Die konzentrischen Ringe 21 und 22 sind
gegeneinander um 180° versetzt,
so dass der volle Abschnitt von einem Ring mit der Öffnung des
anderen übereinstimmt.
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7 zeigt die Anordnung der
dielektrischen Scheibe 16 an einer der mit Öffnungen
versehenen leitenden Scheiben 18 oder 19, wobei
die Breite des Sektors oder der Speiche 17 etwa gleich
der Elongation der Öffnungen
der Ringe 21 oder 22 ist. Wenn daher, wie in 8 dargestellt, die konzentrischen leitenden
Platten von 1B unter
der Scheibe von 7 in
Anordnung gebracht sind und wenn kein Drehmoment ausgeübt wird,
belegen diese Sektoren oder Speichen 17 eine Hälfte der Öffnungen
gegenüber
dem Ring 13 und eine Hälfte
der Öffnungen
gegenüber
dem Ring 12, nämlich 22 und 21 (siehe 5). Dadurch wird aufgrund
der gleichen Flächen der
konzentrischen Ringe 12 und 13 für gleiche
Werte oder ausgeglichene Kapazitäten
C1 und C2 gesorgt.
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9 zeigt eine Situation bei
maximalem Drehmoment (für
eine Drehrichtung), wobei die Öffnungen
des inneren konzentrischen Rings 12 nur minimal von der
Speiche 17 bedeckt sind und wobei die Abdeckung bei dem äußeren Ring 13 maximal
ist. Vom elektrischen Standpunkt betrachtet bedeutet das Vorgenannte,
dass, wenn die dielektrischen Speichen 17 in der leitenden
Scheibe aus Metall vorgesehen sind, dies dazu dient, diese gegen
die gegenüberliegenden
Kondensatorplatten (siehe 2) abzuschirmen
und keinen Einfluss auf die Kapazitäten C1 und C2 hat. Mit anderen
Worten: Der Metallkäfig
macht den dielektrischen Bereich zwischen ihnen unsichtbar. Wenn
er sich über
die Grenzen dieses Käfigs
oder dieser Abschirmung hinaus und in die Aperturen oder Öffnungen
hinein bewegt, modifiziert dies die Kapazitäten. Daher hätte der äußere Ring 13 mit
Bezug auf 9 die maximale
Kapazität, weil
die dielektrische Speiche 17 im wesentlichen nicht abgeschirmt
ist, und der innere Ring 12 hat die minimale Kapazität. Wegen
des ausgeglichenen Zu stands, der initial in 8 dargestellt ist, würden diese Kapazitäten um exakt
den gleichen Betrag zunehmen und abnehmen. Ein Drehmoment in der
entgegengesetzten Richtung führt
zur umgekehrten Abdeckung der Öffnungen.
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Wenn
nun bezugnehmend auf die 3 und 4 die Kapazitäten C1 und
C2 verglichen werden, erzeugen sie die Ausgangsspannung VT, und wenn, wie in 4 dargestellt, ein ausgeglichener Zustand bei
beispielsweise 2,5 Volt vorliegt, zeigt dies ein Null-Drehmoment
an. Ein maximales Drehmoment im Uhrzeigersinn kann etwas weniger
als 5,0 Volt und ein maximales Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn
kann etwas über
0,0 Volt sein.
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10 ist ein Sprengbild, das
die einzelnen Teile und die mechanische Gesamtheit des Drehmomentsensors
zeigt. Eine seiner hauptsächlichen
Anwendungen ist die als Lenkmomentsensor für die Automobilindustrie. Wie
in 11 ausführlicher
erläutert
ist, würde
sich die Welle 11 durch alle in 10 gezeigten Komponenten hindurch erstrecken.
Für die Komponenten
an den Enden sind ein Gehäuse 26 am
rechten Ende und eine Abdeckung 27 am linken Ende vorgesehen.
Die Einheit 28 ist eine gedruckte Schaltung, die die beiden
in 1B gezeigten Kondensatorringe
enthält.
Sie enthält
auch eine Signalverarbeitungsschaltung. Der andere Kondensatorring
von 1A ist bei Pos. 10 gezeigt.
Schließlich
ist die dielektrische Scheibe 16 vorgesehen, die zwischen
mit Öffnungen
versehenen leitenden Platten 18 und 19 sandwich-
oder käfigartig
aufgenommen ist.
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11 zeigt, wie alle diese
Teile an der Welle 11 zusammengesetzt sind. Die einander
gegenüberliegenden
Kondensatorplatten 10 und 12, 13 umschließen die
Welle 11, drehen sich jedoch nicht mit der Welle 11,
wie das angegeben ist. Die Welle enthält einen Torsionsstab 31,
der eine erste Wellenhälfte 11A mit
einer zweiten Wellenhälfte 11B verbindet. Mit Öffnungen
versehene leitende Platten 18 und 19 sind zusammen
an dem Bund 32, der an dem Wellenabschnitt 11A befestigt
ist, montiert. Ein Bolzen 33 verbindet die mit Öffnungen versehene
Scheibe 19 mit der Scheibe 18, so dass sie sich
zusammen drehen und in Ausrichtung aufeinander gehalten werden.
Die dielektrische Scheibe 16 ist über acht Bolzen 34 an
einem Bund 36 montiert, der für eine Drehung mit der Wellenhälfte 11B befestigt
ist. Die Bolzen 34 sind sowohl in 8 als auch in 9 dargestellt und sind in einem zusätzlichen,
mit Öffnungen versehenen
Kreis 37 in den Platten 18 und 19 bewegbar,
wie in 5 angegeben.
Die mit Öffnungen
versehenen leitenden Platten 18 und 19 sind durch
den Draht 37 elektrisch verbunden. Sie sind auch gegenüber der
Erde isoliert.
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Zusammengefasst
kann die vorliegende Ausbildung für einen kontaktfreien Drehmomentsensor
somit Kapazitätsänderungen
für kleine
Winkel einer Differenzdrehung unter Beibehaltung dieser Kapazität bei einem
konstanten Drehmoment über
infinite Umdrehungen der Welle erfassen. Die spezielle Geometrie
sorgt dafür,
dass die Kapazität
zwischen zwei konzentrischen Ringen in einer gemeinsamen angrenzenden
Platte in entgegengesetzten Richtungen variiert. Der metallische
Käfig,
der den dielektrischen Rotor abschirmt, zeigt eine konstante Kupplung
für die
kapazitive Scheibe. Befindet sich der dielektrische Bereich in dem
Käfig,
ist der Effekt auf die gesamte Kapazität Null. Wenn das Dielektrikum
aufgrund eines Drehmoments in Uhrzeigerrichtung oder entgegen der
Uhrzeigerrichtung aus dem Käfig
herauskommt, wird die Kapazität
proportional geändert.
