EP2984466A1 - Sensorvorrichtung mit einer drehmomentsensoreinrichtung und einer inkrementalsensoreinrichtung und kraftfahrzeug - Google Patents

Sensorvorrichtung mit einer drehmomentsensoreinrichtung und einer inkrementalsensoreinrichtung und kraftfahrzeug

Info

Publication number
EP2984466A1
EP2984466A1 EP14716847.0A EP14716847A EP2984466A1 EP 2984466 A1 EP2984466 A1 EP 2984466A1 EP 14716847 A EP14716847 A EP 14716847A EP 2984466 A1 EP2984466 A1 EP 2984466A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor device
magnet
stator
incremental
torque
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Withdrawn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
EP14716847.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ekkehart Froehlich
Roman Schoepe
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.)
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Original Assignee
Valeo Schalter und Sensoren 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 Valeo Schalter und Sensoren GmbH filed Critical Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Publication of EP2984466A1 publication Critical patent/EP2984466A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/104—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving permanent magnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits
    • B62D6/08—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque
    • B62D6/10—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque characterised by means for sensing or determining torque

Definitions

  • the invention relates to a sensor device for a shaft, in particular a
  • Steering shaft a motor vehicle, comprising a torque sensor device and a Inkrementalsensoreinnchtung.
  • the torque sensor device is configured to detect a torque applied to the shaft, while the
  • Incremental sensor means for outputting signal pulses at predetermined angular intervals of the shaft is used.
  • the torque sensor device comprises a magnetic stator which is designed to conduct magnetic flux and comprises two stator parts which are arranged spaced apart from each other along an axis and which each have an annular disk arranged perpendicular to the axis.
  • Inkrementalsensoreinnchtung comprises a rotatably connected to the stator
  • the invention also relates to a motor vehicle, in particular a passenger car, with such a sensor device.
  • Torque sensor means for detecting a on a steering shaft of a
  • a torque sensor device is, for example, from
  • a magnet - such as a ring magnet - arranged, while mounted on the other shaft part, a holder with a magnetic stator, which is opposite to the permanent magnet in the radial direction over a small air gap.
  • a stator - which usually consists of two separate stator parts - the magnetic flux of the magnet is passed to a first and a second flux guide, which then deliver the magnetic flux to a magnetic sensor - for example, a Hall sensor.
  • a torque sensor device is also known from the document DE 10 2007 043 502 A1.
  • steering angle sensors are known from the prior art, which serve to detect the current absolute steering angle of the steering shaft.
  • Such a device is known for example from DE 10 2008 01 1 448 A1.
  • Rotary movement of the steering shaft is transmitted here via a gear on a smaller gear, which carries a magnet.
  • the rotation of the small gear is then detected using a magnetic sensor.
  • steering angle sensors provide an analog signal which characterizes the instantaneous angular position and thus the respective current absolute value of the steering angle.
  • Index sensors or incremental sensors which output a digital or a discrete signal in contrast to the aforementioned steering angle sensors.
  • This digital signal comprises signal pulses, which due to a relative movement of a
  • Transmit element to be generated with respect to a receiving element.
  • the transmitting element is usually arranged such that upon rotation of the steering shaft, it describes an annular path which leads past the stationary receiving element.
  • Incremental sensor devices are usually used to check the plausibility of the absolute steering angle, which is measured by means of the steering angle sensors. Namely, it can roughly be determined by means of the digital signal of the incremental sensor device in which angular range the absolute steering angle should lie, so that a check of the measured absolute angle is possible.
  • the prior art also includes such sensor devices in which the torque sensor device on the one hand and the incremental sensor device on the other hand are integrally formed as a common structural unit.
  • Such a device with a torque sensor and an incremental sensor is
  • a combined torque and index sensor device is furthermore known from DE 10 2010 064 145 A1.
  • Index sensor devices is to be regarded as a disadvantage of the fact that they require a relatively large amount of space, which is limited in particular in the field of steering shaft available. It is an object of the invention to provide a combined torque and
  • Incremental sensor device to provide, which is particularly compact compared to the prior art.
  • a sensor device is for a shaft, in particular a
  • Steering shaft a motor vehicle designed and includes a
  • Torque sensor device for detecting a force applied to the shaft
  • Torque and an incremental sensor device or index sensor device has a magnetic stator configured to conduct magnetic flux from a magnet toward a flux guide and thereby to a magnetic sensor, and two along an axis - viz
  • Stator parts includes.
  • the stator parts each have an annular disk arranged perpendicular to the axis.
  • the incremental sensor device comprises a transmitting element that is connected directly or indirectly to the stator in a rotationally fixed manner, as well as a
  • the incremental sensor device is designed so that at predetermined angular intervals of the shaft - for example, per revolution or several times per revolution - each a signal pulse due to a relative movement between the transmitting element and the receiving element is output.
  • Incremental sensor device thus outputs in particular a digital or discrete signal.
  • a plane arranged perpendicular to the axis is defined by the annular disks of the magnetic stator and the transmitting element of the incremental sensor device is arranged axially between the planes.
  • Embodiments in which the transmitting element is located axially outside the stator can be created by the inventive arrangement of the transmitting element, a sensor device which is particularly compact and space-saving, especially in the axial direction. This proves especially when using the sensor device in a Steering shaft of the motor vehicle as particularly advantageous, in which, as is known, relatively little space is available.
  • the two stator parts are preferably identical or identical.
  • the respective annular disc are preferably from a plurality of tooth elements, which preferably show in the axial direction and are thus arranged parallel to the axis and are preferably arranged distributed equidistantly in the circumferential direction.
  • tooth elements of the magnetic flux is received by a permanent magnet and then delivered via the annular disc to a flux guide, which in turn emits the magnetic flux to a magnetic sensor.
  • the two stator parts are arranged on an annular and in particular bead-like holder or carrier. Then the transmitting element of the
  • Incremental sensor device may be arranged on an outer circumference of the holder.
  • a sensor device is provided, which is also very compact in the radial direction.
  • the annular disks of the stator are radially beyond the Au ° Congress of the holder beyond, so between the
  • Ring pushing quasi a storage space is formed, which is bounded axially by the annular discs and radially through the Au trichloric acid holder.
  • This storage space is now used for the arrangement of the transmitting element.
  • this arrangement eliminates the need for an additional holder for the transmitting element, because an already existing holder of the stator is used.
  • the said holder may for example be formed from plastic.
  • the holder may also be formed in one piece.
  • the receiving element is preferably in the form of a switch, which is always short-circuited and generates a signal pulse when passing through the
  • Transmitting element is passed or when the transmitting element is guided past the receiving element.
  • the transmitting element is designed as a magnet and the receiving element as a magnetic sensor.
  • the magnet is radially magnetized, so that its magnetic field lines and thus the lines of a magnetic field generated by the magnet substantially perpendicular to a radial Au .seite the magnet and thus in particular run perpendicular to the outer circumference of the holder.
  • crosstalk of the incremental sensor device on the one hand and the torque sensor device on the other hand can be prevented or at least largely reduced because the magnetic field lines of the magnet are not aligned with the annular disks of the magnetic stator or do not extend in the axial direction.
  • the magnet is formed with its magnetism mirror-symmetrical with respect to an axially centrally disposed between the planes of the annular discs center plane.
  • This means that the spatial course of the magnetic field lines of the magnetic field is mirror-symmetrical with respect to the center plane, which lies axially in the middle between the two annular disks and perpendicular to the axis.
  • This embodiment is based on the fact that magnetic field lines are present even with a radial magnetization of the magnet, in particular on the axial edge of the magnet, which additionally have an axial directional component.
  • the magnet may be ring-segment-shaped and thus formed in the form of a ring segment or incomplete ring and at least one pair of poles or
  • a signal pulse is output by the incremental sensor device whenever the magnet passes the magnetic sensor. Per revolution thus a single signal pulse can be output.
  • a plurality of individual partial magnets may each be arranged in the form of a ring segment along the circumference.
  • the magnet is formed completely annular and has a plurality of pole pairs, which are arranged distributed in the circumferential direction.
  • the north poles and the south poles are arranged alternately distributed in the circumferential direction, so that in each case a south pole and each south pole in each case a north pole immediately adjoins each north pole in the circumferential direction.
  • Circumferentially wider than other poles of the magnet is formed.
  • that signal pulse which is generated by this wider pole is also specially marked. This has advantages in particular with regard to the evaluation of the discrete signal.
  • the torque sensor device preferably comprises at least one sensor element, which is arranged on a printed circuit board and serves to receive the magnetic flux from the stator.
  • the printed circuit board can be one for the sensor element of the torque sensor device as well as for the receiving element of
  • Incremental sensor device be common circuit board, so that both the
  • the printed circuit board is preferably arranged parallel to the planes of the annular disks.
  • the circuit board is arranged eccentrically between the planes of the annular discs, so that the sensor element of the torque sensor device is located axially in the middle between the planes.
  • a symmetrical torque sensor device is provided in which the sensor element is arranged in the center plane and thus axially centrally between the annular discs.
  • the receiving element of the incremental sensor device in turn, can be arranged on a side of the printed circuit board opposite the sensor element of the torque sensor device.
  • the receiving element of the incremental sensor device on the same side of the circuit board as the sensor element of
  • Torque sensor device may be arranged.
  • the receiving element of the incremental sensor device and / or the sensor element of the torque sensor device may be formed as an SMD component (surface-mounted device), which is mounted on the common printed circuit board in SMT technology (surface mounting technology).
  • SMD component surface-mounted device
  • the circuit board can thus be equipped in a single manufacturing step with both the sensor element and with the receiving element.
  • the sensor element and / or the receiving element may be formed as a THT component (through hole technology).
  • the invention also relates to a motor vehicle with a shaft, in particular a steering shaft, and with a sensor device according to the invention.
  • the motor vehicle is preferably a passenger car.
  • FIG. 1 in a schematic and perspective view a
  • a torque sensor device of a sensor device according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 in a schematic and perspective view of the
  • Fig. 3 is a schematic representation of a sectional view through the
  • Sensor device wherein the sensor device additionally comprises an incremental sensor device; 4 is a schematic illustration of an end face of the sensor device according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of an end face of a printed circuit board according to the arrow V of FIG. 6;
  • Fig. 6 is a schematic representation of a sectional view through the
  • Fig. 12 to 14 in a schematic representation in each case one end of the
  • Fig. 1 partial components of a total of 1 designated sensor device are shown, which is designed specifically for a steering shaft of a motor vehicle.
  • the components shown in Fig. 1 are components of a
  • Torque sensor device 100 which is designed for measuring the torque which is applied to the steering shaft.
  • the steering shaft includes two shaft parts, which are axially connected to each other via a torsion bar.
  • a holder 2 On one of the shaft parts, a holder 2 is mounted rotatably, while on the other shaft part, a ring magnet, not shown in the figures, is mounted rotationally fixed.
  • the holder 2 is for example an integrally formed plastic part, in particular a cast component.
  • the holder 2 has two axially juxtaposed cylindrical regions, namely on the one hand a first axial cylindrical or bead-like region 3 and a in The first axial region 3 is connected to the second axial region 4 via a multiplicity of strut pairs 5 distributed in the circumferential direction.
  • Each strut pair 5 consists of two adjacent struts, between which an axial recess 6 is formed. This recess 6 also represents a passage opening.
  • the first axial region 3 of the holder 2 has two axial edge regions, namely, on the one hand, a first outer edge region 7 and, on the other hand, a second axial region
  • Edge region 8. In the illustrated embodiment is in the second axial
  • a circumferential flange 9 is formed, which protrudes slightly from the first axial region 3 in the radial direction to the outside.
  • a plurality of radial recesses 10 are formed, which in the same
  • first axial edge region 7 Also in the first axial edge region 7 are a plurality of axial
  • Recesses 1 1 formed, which are formed as axial depressions in the externa ßeren edge of the axial portion 3 of the holder 2. These recesses 1 1 are arranged offset in the circumferential direction to the recesses 10, so that the
  • Recesses 10 are arranged and vice versa.
  • a slider 12 As well as a stator 13, which consists in the embodiment of a first stator 14 and a second stator 15.
  • the stator 13 is formed of a soft magnetic material and serves to conduct the magnetic flux from said ring magnet to a flux guide and thereby to a sensor element, such as a Hall sensor.
  • the slider 12 has an inner periphery 17, into which the first axial portion 3 of the holder 2 can be received, so that the outer periphery of the first portion 3 can slide on the inner periphery 17 of the slider 12.
  • FIG. 1 of the holder 2 and the stator parts 14, 15 is merely exemplary and may be different depending on the embodiment.
  • the attachment of the stator parts 14, 15 to the holder 2 can be designed differently, so that the invention is not limited to the manner of attachment described below.
  • Each stator part 14, 15 is in each case formed in one piece, wherein the stator parts 14, 15 are also identical.
  • Each stator part 14, 15 has a flange-like and radially extending or radially facing annular disk 18 and 19, as well as a plurality of tooth elements 20 and 21, respectively, of the respective
  • Ring disc 18 and 19 protrude in the axial direction, in the direction of the holder 2 and in the direction of the other stator part 14, 15.
  • the tooth elements 20, 21 thus extend in the axial direction approximately parallel to a rotational axis of the
  • the two stator parts 14, 15 are identical, so that the number of tooth elements 20 corresponds to the number of tooth elements 21.
  • the tooth elements 20, 21 each have a base body 22 and 23 and a to the base body 22, 23 axially immediately adjacent tab 24 and 15 on.
  • the tab 24, 25 has a significantly smaller width in the circumferential direction than the main body 22 and 23, about half a width.
  • the tab 24 °.25 also forms an axial free end 26 and 27 of the respective tooth element 20 and 21st to
  • the stator 14 is attached with its tooth elements 20 on the second axial portion 4 of the holder 2, so that the stator 13 is attached with its tooth elements 20 on the second axial portion 4 of the holder 2, so that the stator 13 is attached with its tooth elements 20 on the second axial portion 4 of the holder 2, so that the stator 13 is attached with its tooth elements 20 on the second axial portion 4 of the holder 2, so that the stator 13 is attached with its tooth elements 20 on the second axial portion 4 of the holder 2, so that the
  • Tooth elements 20 are received in corresponding openings between the pairs of struts 5 and supported on an inner periphery of the first axial portion 3.
  • the tooth elements 20 After attaching the stator part 14 to the second axial region 4 of the holder 2, the tooth elements 20 are arranged in the interior of the first region 3, so that only the tabs 24 protrude axially beyond the first region 3.
  • the tabs 24 are then in the same angular positions as the recesses 1 1 and can thus be taken by bending into these corresponding recesses 1 1 to ensure a secure fit of the stator 14 in all directions.
  • the stator part 14 in both the axial direction and in
  • the sensor device 1 additionally has one
  • Incremental sensor device or an index sensor device which is designed with the torque sensor device 100 as an integral unit.
  • Torque sensor device 100 and an incremental sensor device 40 is shown in a sectional view in Fig. 3.
  • the axis of rotation of the shaft is designated 41.
  • the two annular discs 18, 19 are arranged parallel to each other and perpendicular to the axis 41 and each define a plane 42 and 43, which is oriented perpendicular to the axis 41.
  • Axially in the middle between the planes 42, 43 is also a radial center plane 44.
  • the incremental sensor device 40 comprises a transmitter element 46 which is designed in the form of a magnet 45 and which is connected to a
  • Outer periphery 47 of the first axial portion 3 of the holder 2 is mounted.
  • the magnet 45 thus lies in an intermediate region or a storage space between the two annular disks 18, 19 and is thus arranged axially between the two radial planes 42, 43.
  • the magnet 45 is magnetized in the radial direction, so that magnetic field lines 48 of the magnetic field extend substantially perpendicular to a radial outer side 49 or to the surface of the magnet 45.
  • the magnetic poles are thus located substantially on the radial outer side of the magnet 45.
  • the magnetic field lines 48 in the axial edge region of the magnet 45 also on an axial direction component, but this is compensated by the fact that the magnetic field lines 48 with respect to mirror symmetry the center plane 44 and thus the magnetic field is equal to the two annular discs 18, 19.
  • an axial end side of the sensor device 1 is shown, wherein in addition, a printed circuit board 50 and a flux guide 51 are shown.
  • the flux conductor 51 serves to conduct the magnetic flux from the stator 13 toward a sensor element 52 arranged on the printed circuit board, which sensor is arranged on the opposite side of the printed circuit board 50 and is thus indicated by dashed lines in FIG. 4.
  • a receiving element 53 of the incremental sensor device 40 which is in the form of a magnetic sensor, is arranged on the same printed circuit board 50. Also this receiving element 53 is arranged on the opposite side of the circuit board 50 and thus only indicated by dashed lines.
  • FIG. 6 shows a sectional view through the sensor device 1 along a section line VI-VI indicated in FIG. As is apparent from Fig. 6, the
  • Circuit board 50 is arranged parallel to the annular discs 18, 19 and is au ßerdem off-center with respect to the median plane 44. By this arrangement, the circuit board 50, the two electronic components, namely the receiving element 53 and the
  • FIG. 5 A plan view of a region of the printed circuit board 50 according to the arrow V in FIG. 6 is shown in FIG. 5.
  • the receiving element 53 may be designed as an SMD component, which is surface mounted on the circuit board 50.
  • the magnet 45 may have a pole pair of a north pole N and a south pole S, which are arranged side by side in the circumferential direction. in the
  • the north pole N is divided in the circumferential direction into two smaller elements, between which the south pole S is located.
  • FIG. 7 Another embodiment is shown in Figs. 7 to 9.
  • the receiving element 53 is located on the opposite side of the printed circuit board 50 and thus on that side, which faces away from the sensor element 52 of the torque sensor device 40.
  • FIG. 8 a sectional view along a section line VIII-VIII indicated in FIG. 7 is shown. As is apparent in particular from FIG. 8, this is
  • Magnetic field lines 48 have an axial component.
  • the receiving element 53 is designed in this embodiment as an SMD component.
  • FIGS. 10 and 11 A still further embodiment is shown in FIGS. 10 and 11.
  • the receiving element 53 is on the same side of the circuit board 50 as the
  • Sensor element 52 is designed as a THT component and connected via connecting wires to the circuit board 50. As with all other embodiments is also here the sensor element 52 designed as an SMD component, but may alternatively be formed as a THT component.
  • FIG. 11 shows a sectional view along a section line X1-X1 indicated in FIG.
  • a radial component of the magnetic field lines 48 is detected by the receiving element 53.
  • Embodiments may be provided which will be described in more detail below with reference to FIGS. 12 to 14.
  • the magnet 45 -as already explained- has a single pole pair of a south pole S and a north pole N.
  • the magnet 45 is thus designed in the form of a ring segment.
  • the magnet 45 of FIG. 13 is formed entirely annular, so that the magnet 45 surrounds the holder 2 in full or encased.
  • the magnet 45 has a plurality of pole pairs, wherein the north pole N and the south pole S are arranged alternately distributed in the circumferential direction. At each north pole N thus immediately follows a south pole S.
  • FIG. 14 essentially corresponds to that according to FIG. 13, wherein a pole 54-in the exemplary embodiment a south pole S-is made wider in the circumferential direction compared to the other poles.
  • the magnet 45 When the steering shaft is rotated, the magnet 45 also rotates and describes an annular path which passes by the receiving element 53.
  • Receiving element 53 then generates a discrete or digital signal with a plurality of signal pulses - such as voltage pulses - which by means of Incremental sensor device 40 are delivered, for example, to a control unit. Depending on this signal, for example, the absolute steering angle can then be plausibilized, which is measured by means of a separate steering angle sensor device.
  • signal pulses - such as voltage pulses - which by means of Incremental sensor device 40 are delivered, for example, to a control unit.
  • the absolute steering angle can then be plausibilized, which is measured by means of a separate steering angle sensor device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (1) für eine Welle, insbesondere eine Lenkwelle, eines Kraftfahrzeugs, mit einer Drehmomentsensoreinrichtung (100) zur Erfassung eines auf die Welle aufgebrachten Drehmoments, wobei die Drehmomentsensoreinrichtung (100) einen magnetischen Stator aufweist, der zum Leiten von magnetischem Fluss ausgebildet ist und zwei entlang einer Achse (41) beabstandet zueinander angeordnete Statorteile (14, 15) umfasst, welche jeweils eine senkrecht zur Achse (41) angeordnete Ringscheibe (18, 19) aufweisen, und mit einer Inkrementalsensoreinrichtung (40), welche ein mit dem Stator drehfest verbundenes Sendeelement (46) und ein Empfangselement aufweist und dazu ausgebildet ist, in vorbestimmten Winkelabständen der Welle jeweils einen Signalimpuls aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem Sendeelement (46) und dem Empfangselement auszugeben, wobei durch die Ringscheiben (18, 19) des magnetischen Stators jeweils eine senkrecht zur Achse (41) angeordnete Ebene (42, 43) definiert ist und das Sendeelement (46) der Inkrementalsensoreinrichtung (40) axial zwischen den Ebenen (42, 43) angeordnet ist.

Description

Sensorvorrichtung mit einer Drehmomentsensoreinrichtung und einer
Inkrementalsensoreinnchtung und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für eine Welle, insbesondere eine
Lenkwelle, eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Drehmomentsensoreinrichtung sowie eine Inkrementalsensoreinnchtung. Die Drehmomentsensoreinrichtung ist zum Erfassen eines auf die Welle aufgebrachten Drehmoments ausgebildet, während die
Inkrementalsensoreinnchtung zum Ausgeben von Signalimpulsen in vorbestimmten Winkelabständen der Welle dient. Die Drehmomentsensoreinrichtung umfasst einen magnetischen Stator, der zum Leiten von magnetischem Fluss ausgebildet ist und zwei entlang einer Achse beabstandet zueinander angeordnete Statorteile umfasst, welche jeweils eine senkrecht zur Achse angeordnete Ringscheibe aufweisen. Die
Inkrementalsensoreinnchtung umfasst ein mit dem Stator drehfest verbundenes
Sendeelement sowie ein Empfangselement, wobei aufgrund einer Relativbewegung zwischen Sendeelement und Empfangselement die Signalimpulse erzeugbar sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einer derartigen Sensorvorrichtung.
Drehmomentsensoreinrichtungen zur Erfassung eines auf eine Lenkwelle eines
Kraftfahrzeugs aufgebrachten Drehmoments sind bereits Stand der Technik. Solche Drehmomentsensoreinrichtungen können beispielsweise bei elektrischen Lenksystemen eingesetzt werden. Eine Drehmomentsensoreinrichtung ist zum Beispiel aus dem
Dokument US 2004/0194560 A1 sowie aus der Druckschrift DE 102 40 049 A1 bekannt. Die Drehmomentsensoreinrichtung ist dabei an zwei sich in axialer Richtung
gegenüberliegenden Wellenteilen bzw. Teilwellen der Lenkwelle angebracht, welche über einen Torsionsstab miteinander verbunden sind. An dem ersten Wellenteil ist ein Magnet - etwa ein Ringmagnet - angeordnet, während auf dem anderen Wellenteil ein Halter mit einem magnetischen Stator angebracht ist, welcher dem Dauermagneten in radialer Richtung über einen kleinen Luftspalt gegenüberliegt. Über den Stator - welcher üblicherweise aus zwei separaten Statorteilen besteht - wird der magnetische Fluss des Magneten hin zu einem ersten und einem zweiten Flussleiter geleitet, welche dann den magnetischen Fluss an einen Magnetsensor - beispielsweise einen Hall-Sensor - abgeben. Eine solche Drehmomentsensoreinrichtung ist außerdem aus dem Dokument DE 10 2007 043 502 A1 bekannt. Außerdem sind aus dem Stand der Technik Lenkwinkelsensoren bekannt, welche zur Erfassung des aktuellen absoluten Lenkwinkels der Lenkwelle dienen. Eine solche Einrichtung ist zum Beispiel aus der DE 10 2008 01 1 448 A1 bekannt. Eine
Drehbewegung der Lenkwelle wird hier über ein Getriebe auf ein kleineres Zahnrad übertragen, welches einen Magneten trägt. Die Rotation des kleinen Zahnrades wird dann mithilfe eines Magnetsensors erfasst. Bekanntlich liefern Lenkwinkelsensoren ein analoges Signal, welches die augenblickliche Winkelstellung und somit den jeweils aktuellen absoluten Wert des Lenkwinkels charakterisiert.
Das Interesse richtet sich vorliegend jedoch insbesondere auf so genannte
Indexsensoren bzw. Inkrementalsensoren, welche im Unterschied zu den genannten Lenkwinkelsensoren ein digitales bzw. ein diskretes Signal ausgeben. Dieses digitale Signal umfasst Signalimpulse, welche aufgrund einer Relativbewegung eines
Sendeelements bezüglich eines Empfangselements erzeugt werden. Das Sendeelement ist üblicherweise so angeordnet, dass es bei Drehung der Lenkwelle eine ringförmige Bahn beschreibt, die an dem ortsfesten Empfangselement vorbeiführt. Bei einem
Passieren des Empfangselements wird ein Signalimpuls ausgegeben. Solche
Inkrementalsensoreinrichtungen dienen üblicherweise zur Plausibilisierung des absoluten Lenkwinkels, der mittels der Lenkwinkelsensoren gemessen wird. Anhand des digitalen Signals der Inkrementalsensoreinrichtung kann nämlich grob festgestellt werden, in welchem Winkelbereich der absolute Lenkwinkel liegen soll, sodass eine Überprüfung des gemessenen absoluten Winkels möglich ist.
Zum Stand der Technik gehören auch solche Sensorvorrichtungen, bei denen die Drehmomentsensoreinrichtung einerseits sowie die Inkrementalsensoreinrichtung andererseits integral als eine gemeinsame Baueinheit ausgebildet sind. Eine solche Vorrichtung mit einem Drehmomentsensor und einem Inkrementalsensor ist
beispielsweise aus der DE 10 2005 038 516 A1 sowie der EP 2 434 259 A1 bekannt.
Eine kombinierte Drehmoment- und Indexsensoreinrichtung ist des Weiteren aus der DE 10 2010 064 145 A1 bekannt.
An den aus dem Stand der Technik bekannten Drehmoment- und
Indexsensorvorrichtungen ist als nachteilig der Umstand anzusehen, dass diese relativ viel Bauraum beanspruchen, der insbesondere im Bereich der Lenkwelle nur beschränkt zur Verfügung steht. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kombinierte Drehmoment- und
Inkrementalsensorvorrichtung bereitzustellen, welche im Vergleich zum Stand der Technik besonders kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensorvorrichtung sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen
Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist für eine Welle, insbesondere eine
Lenkwelle, eines Kraftfahrzeugs konzipiert und umfasst eine
Drehmomentsensoreinrichtung zur Erfassung eines auf die Welle aufgebrachten
Drehmoments sowie eine Inkrementalsensoreinrichtung bzw. Indexsensoreinrichtung. Die Drehmomentsensoreinrichtung hat einen magnetischen Stator, der zum Leiten von magnetischem Fluss von einem Magneten hin zu einem Flussleiter und hierdurch zu einem Magnetsensor ausgebildet ist und zwei entlang einer Achse - nämlich
insbesondere einer Drehachse der Welle - beabstandet zueinander angeordnete
Statorteile umfasst. Die Statorteile weisen jeweils eine senkrecht zur Achse angeordnete Ringscheibe auf. Die Inkrementalsensoreinrichtung wiederum umfasst ein mit dem Stator mittelbar oder unmittelbar drehfest verbundenes Sendeelement sowie ein
Empfangselement. Die Inkrementalsensoreinrichtung ist so ausgebildet, dass in vorbestimmten Winkelabständen der Welle - beispielsweise pro Umdrehung oder mehrmals pro Umdrehung - jeweils ein Signalimpuls aufgrund einer Relativbewegung zwischen Sendeelement und Empfangselement ausgegeben wird. Die
Inkrementalsensoreinrichtung gibt somit insbesondere ein digitales bzw. diskretes Signal aus. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch die Ringscheiben des magnetischen Stators jeweils eine senkrecht zur Achse angeordnete Ebene definiert ist und das Sendeelement der Inkrementalsensoreinrichtung axial zwischen den Ebenen angeordnet ist.
Demnach wird vorgeschlagen, das Sendeelement der Inkrementalsensoreinrichtung axial zwischen den beiden Ringscheiben des Stators anzuordnen. Im Vergleich zu
Ausführungsformen, bei denen das Sendeelement axial außerhalb des Stators liegt, kann durch die erfindungsgemäße Anordnung des Sendeelements eine Sensorvorrichtung geschaffen werden, die insbesondere in axialer Richtung besonders kompakt und Platz sparend ist. Dies erweist sich insbesondere beim Einsatz der Sensorvorrichtung bei einer Lenkwelle des Kraftfahrzeugs als besonders vorteilhaft, bei welcher bekanntlich relativ wenig Bauraum zur Verfügung steht.
Die beiden Statorteile sind bevorzugt gleich bzw. identisch ausgestaltet. Von der jeweiligen Ringscheibe stehen vorzugsweise eine Vielzahl von Zahnelementen ab, die bevorzugt in axiale Richtung zeigen und somit parallel zur Achse angeordnet sind sowie vorzugsweise äquidistant in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Durch diese Zahnelemente wird der magnetische Fluss von einem Dauermagneten empfangen und dann über die Ringscheibe an einen Flussleiter abgegeben, welcher wiederum den magnetischen Fluss an einen Magnetsensor abgibt.
Bevorzugt sind die beiden Statorteile an einem ringförmigen und insbesondere wulstartigen Halter bzw. Träger angeordnet. Dann kann das Sendeelement der
Inkrementalsensoreinrichtung an einem Außenumfang des Halters angeordnet sein. Somit wird eine Sensorvorrichtung geschaffen, welche auch in radialer Richtung sehr kompakt ausgebildet ist. Üblicherweise stehen die Ringscheiben des Stators nämlich radial über den Au ßenumfang des Halters hinaus über, sodass zwischen den
Ringschieben quasi ein Stauraum ausgebildet ist, der axial durch die Ringscheiben und radial durch den Au ßenumfang des Halters begrenzt ist. Dieser Stauraum wird nun für die Anordnung des Sendeelements genutzt. Außerdem erübrigt sich durch diese Anordnung der Einsatz eines zusätzlichen Halters für das Sendeelement, weil ein ohnehin vorhandener Halter des Stators genutzt wird.
Der genannte Halter kann beispielsweise aus Kunststoff gebildet sein. Der Halter kann auch einstückig ausgebildet sein.
Das Empfangselement ist bevorzugt in Form eines Schalters ausgebildet, welcher immer dann kurz geschlossen wird und einen Signalimpuls erzeugt, wenn er durch das
Sendeelement passiert wird bzw. wenn das Sendeelement an dem Empfangselement vorbeigeführt wird.
In einer Ausführungsform ist das Sendeelement als Magnet und das Empfangselement als Magnetsensor ausgebildet.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Magnet radial magnetisiert ist, sodass seine Magnetfeldlinien und somit die Linien eines von dem Magneten erzeugten Magnetfelds im Wesentlichen senkrecht zu einer radialen Au ßenseite des Magneten und somit insbesondere senkrecht zum Außenumfang des Halters verlaufen. Auf diese Art und Weise kann ein Übersprechen der Inkrementalsensoreinrichtung einerseits und der Drehmomentsensoreinrichtung andererseits verhindert oder zumindest weitgehend reduziert werden, weil die Magnetfeldlinien des Magneten nicht auf die Ringscheiben des magnetischen Stators ausgerichtet werden bzw. nicht in axialer Richtung verlaufen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Magnet mit seiner Magnetisierung spiegelsymmetrisch bezüglich einer axial mittig zwischen den Ebenen der Ringscheiben angeordneten Mittelebene ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der räumliche Verlauf der Magnetfeldlinien des Magnetfelds spiegelsymmetrisch bezüglich der Mittelebene ist, die axial mittig zwischen den beiden Ringscheiben und senkrecht zur Achse liegt. Diese Ausführungsform beruht darauf, dass selbst bei einer radialen Magnetisierung des Magneten insbesondere am axialen Rand des Magneten Magnetfeldlinien vorhanden sind, die zusätzlich auch eine axiale Richtungskomponente besitzen. Die
spiegelsymmetrische Ausgestaltung des Magneten bezüglich seiner Magnetisierung sorgt also dafür, dass das Magnetfeld an beiden Ringscheiben gleich ist und das Übersprechen zwischen der Drehmomentsensoreinrichtung und der Inkrementalsensoreinrichtung somit vollständig vermieden werden kann.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Magneten können nun verschiedenste
Ausführungsformen vorgesehen sein:
Zum einen kann der Magnet ringsegmentförmig und somit in Form eines Ringsegments bzw. unvollständigen Rings ausgebildet sein und zumindest ein Polpaar oder
ausschließlich ein Polpaar aus einem Nordpol und einem Südpol aufweisen, die in Umfangsrichtung nebeneinander, insbesondere unmittelbar aneinander anschließend, angeordnet sind. Durch eine solche ringsegmentförmige Ausgestaltung des Magneten kann der Fertigungsaufwand reduziert werden. Weist der Magnet ein Polpaar aus einem Nordpol und einem Südpol auf, so wird durch die Inkrementalsensoreinrichtung immer dann ein Signalimpuls ausgegeben, wenn der Magnet den Magnetsensor passiert. Pro Umdrehung kann somit ein einziger Signalimpuls ausgegeben werden. Optional können auch mehrere einzelne Teilmagnete jeweils in Form eines Ringsegments entlang des Umfangs angeordnet sein.
Zum anderen kann jedoch vorgesehen sein, dass der Magnet vollumfänglich ringförmig ausgebildet ist und eine Vielzahl von Polpaaren aufweist, die in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Nordpole und die Südpole abwechselnd in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, sodass sich an jeden Nordpol in Umfangsrichtung jeweils ein Südpol und an jeden Südpol jeweils ein Nordpol unmittelbar anschließt. Es werden somit pro Umdrehung so viele Signalimpulse erzeugt und ausgegeben, wie es Polpaare gibt. Somit kann ein präziseres diskretes Signal bereitgestellt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Pol des Magneten in
Umfangsrichtung breiter als andere Pole des Magneten ausgebildet ist. Somit wird auch derjenige Signalimpuls speziell gekennzeichnet, welcher durch diesen breiteren Pol erzeugt wird. Dies hat Vorteile insbesondere hinsichtlich der Auswertung des diskreten Signals.
Die Drehmomentsensoreinrichtung umfasst vorzugsweise zumindest ein Sensorelement, welches auf einer Leiterplatte angeordnet ist und zum Empfangen des magnetischen Flusses von dem Stator dient. Die Leiterplatte kann dabei eine für das Sensorelement der Drehmomentsensoreinrichtung sowie für das Empfangselement der
Inkrementalsensoreinrichtung gemeinsame Leiterplatte sein, sodass sowohl das
Sensorelement als auch das Empfangselement auf derselben Leiterplatte angeordnet sind. Somit wird die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert, weil keine zusätzliche Leiterplatte eingesetzt zu werden braucht.
Die Leiterplatte ist bevorzugt parallel zu den Ebenen der Ringscheiben angeordnet.
Bevorzugt ist die Leiterplatte außermittig zwischen den Ebenen der Ringscheiben angeordnet, sodass das Sensorelement der Drehmomentsensoreinrichtung axial mittig zwischen den Ebenen liegt. Somit wird eine symmetrische Drehmomentsensoreinrichtung geschaffen, bei welcher das Sensorelement in der Mittelebene und somit axial mittig zwischen den Ringscheiben angeordnet ist.
Das Empfangselement der Inkrementalsensoreinrichtung wiederum kann an einer dem Sensorelement der Drehmomentsensoreinrichtung gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet sein.
Alternativ kann das Empfangselement der Inkrementalsensoreinrichtung auch an derselben Seite der Leiterplatte wie das Sensorelement der
Drehmomentsensoreinrichtung angeordnet sein. Das Empfangselement der Inkrementalsensoreinrichtung und/oder das Sensorelement der Drehmomentsensoreinrichtung kann als SMD-Bauteil (surface-mounted device) ausgebildet sein, welches auf der gemeinsamen Leiterplatte in SMT-Technologie (surface mounting technology) montiert wird. Die Leiterplatte kann somit in einem einzigen Fertigungsschritt sowohl mit dem Sensorelement als auch mit dem Empfangselement bestückt werden.
Alternativ kann das Sensorelement und/oder das Empfangselement als THT-Bauteil (through hole technology) ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft au ßerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Welle, insbesondere einer Lenkwelle, und mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt ein Personenkraftwagen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer und perspektivischer Darstellung eine
Drehmomentsensoreinrichtung einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 in schematischer und perspektivischer Darstellung die
Drehmomentsensoreinrichtung im zusammengebauten Zustand;
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht durch die
Sensorvorrichtung, wobei die Sensorvorrichtung zusätzlich eine Inkrementalsensoreinrichtung aufweist; Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Stirnseite der Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 in schematischer Darstellung eine Stirnseite einer Leiterplatte gemäß Pfeildarstellung V aus Fig. 6;
Fig. 6 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht durch die
Sensorvorrichtung gemäß Fig. 4 entlang einer in Fig. 4
angedeuteten Linie Vl-Vi;
Fig. 7 bis 9 in schematischer Darstellung die Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 10 und 1 1 in schematischer Darstellung die Sensorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 12 bis 14 in schematischer Darstellung jeweils eine Stirnseite der
Sensorvorrichtung, wobei unterschiedliche Ausgestaltungen eines Magneten näher erläutert werden.
In Fig. 1 sind Teilkomponenten einer insgesamt mit 1 bezeichneten Sensorvorrichtung dargestellt, welche speziell für eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs konzipiert ist. Die in Fig. 1 dargestellten Komponenten sind Bestandteile einer
Drehmomentsensoreinrichtung 100, welche zum Messen des Drehmoments ausgebildet ist, welches auf die Lenkwelle aufgebracht wird.
Die Lenkwelle beinhaltet dabei zwei Wellenteile, welche über einen Torsionsstab miteinander axial verbunden sind. An einem der Wellenteile wird ein Halter 2 drehfest angebracht, während an dem anderen Wellenteil ein in den Figuren nicht dargestellter Ringmagnet drehfest angebracht wird. Der Halter 2 ist beispielsweise ein einstückig ausgebildetes Kunststoffteil, insbesondere ein Gussbauteil.
Der Halter 2 hat zwei axial nebeneinander angeordnete zylindrische Bereiche, nämlich einerseits einen ersten axialen zylindrischen bzw. wulstartigen Bereich 3 sowie einen in axialer Richtung versetzt angeordneten und einen etwas geringeren Durchmesser aufweisenden zweiten axialen Bereich 4. Der erste axiale Bereich 3 ist über eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Strebenpaaren 5 mit dem zweiten axialen Bereich 4 verbunden. Jedes Strebenpaar 5 besteht dabei aus zwei nebeneinander angeordneten Streben, zwischen denen eine axiale Aussparung 6 ausgebildet ist. Diese Aussparung 6 stellt auch eine Durchgangsöffnung dar.
Der erste axiale Bereich 3 des Halters 2 hat zwei axiale Randbereiche, nämlich einerseits einen ersten äußeren Randbereich 7 sowie andererseits einen zweiten axialen
Randbereich 8. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem zweiten axialen
Randbereich 8 ein umlaufender Flansch 9 ausgebildet, der von dem ersten axialen Bereich 3 in radialer Richtung ein wenig nach außen absteht. In dem Flansch 9 sind eine Vielzahl von radialen Aussparungen 10 ausgebildet, welche in denselben
Winkelpositionen wie die Aussparungen 6 ausgebildet sind.
Auch in dem ersten axialen Randbereich 7 sind eine Vielzahl von axialen
Aussparungen 1 1 ausgebildet, welche als axiale Vertiefungen in dem äu ßeren Rand des axialen Bereichs 3 des Halters 2 ausgeformt sind. Diese Aussparungen 1 1 sind in Umfangsrichtung versetzt zu den Aussparungen 10 angeordnet, sodass die
Aussparungen 1 1 in Umfangsrichtung jeweils zwischen zwei benachbarten
Aussparungen 10 angeordnet sind und umgekehrt.
Zur Sensorvorrichtung 1 gehört au ßerdem ein Gleitstück 12, wie auch ein Stator 13, welcher im Ausführungsbeispiel aus einem ersten Statorteil 14 und einem zweiten Statorteil 15 besteht. Der Stator 13 ist aus einem weichmagnetischen Material gebildet und dient zum Leiten des magnetischen Flusses von dem genannten Ringmagneten hin zu einem Flussleiter und hierdurch hin zu einem Sensorelement, etwa einem Hall-Sensor.
Das Gleitstück 12 hat einen inneren Umfang bzw. eine innere Hülse 17, in welche der erste axiale Bereich 3 des Halters 2 aufgenommen werden kann, sodass der äu ßere Umfang des ersten Bereichs 3 an dem inneren Umfang 17 des Gleitstücks 12 gleiten kann.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausgestaltung des Halters 2 und der Statorteile 14, 15 ist lediglich beispielhaft und kann je nach Ausführungsform unterschiedlich sein. Insbesondere die Befestigung der Statorteile 14, 15 an dem Halter 2 kann unterschiedlich gestaltet werden, sodass die Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebene Befestigungsart beschränkt ist.
Jedes Statorteil 14, 15 ist jeweils einstückig ausgebildet, wobei die Statorteile 14, 15 außerdem gleich ausgebildet sind. Jedes Statorteil 14, 15 weist eine flanschartige und sich in radialer Richtung erstreckende bzw. radial zeigende Ringscheibe 18 bzw. 19 auf, wie auch eine Vielzahl von Zahnelementen 20 bzw. 21 , welche von der jeweiligen
Ringscheibe 18 bzw. 19 in axialer Richtung abstehen, und zwar in Richtung zum Halter 2 bzw. in Richtung zu dem jeweils anderen Statorteil 14, 15. Die Zahnelemente 20, 21 erstrecken sich somit in axialer Richtung etwa parallel zu einer Drehachse des
Wellenteils. Die beiden Statorteile 14, 15 sind dabei gleich ausgebildet, sodass auch die Anzahl der Zahnelemente 20 der Anzahl der Zahnelemente 21 entspricht.
Nachfolgend wird eine mögliche Befestigungsart des Stators 13 am Halter 2 beschrieben, wobei - wie bereits ausgeführt - die Erfindung nicht auf diese spezielle Befestigungsart beschränkt ist. Die Zahnelemente 20, 21 weisen jeweils einen Grundkörper 22 bzw. 23 sowie eine sich an den Grundkörper 22, 23 axial unmittelbar anschließende Lasche 24 bzw. 15 auf. Die Lasche 24, 25 hat in Umfangsrichtung eine deutlich geringere Breite als der Grundkörper 22 bzw. 23, etwa eine halbe Breite. Die Lasche 24 bzw.25 bildet auch ein axiales freies Ende 26 bzw. 27 des jeweiligen Zahnelements 20 bzw. 21 . Zur
Befestigung des Stators 13 wird einerseits das Statorteil 14 mit seinen Zahnelementen 20 auf den zweiten axialen Bereich 4 des Halters 2 aufgesteckt, sodass die
Zahnelemente 20 in korrespondierenden Öffnungen zwischen den Strebenpaaren 5 aufgenommen und an einem Innenumfang des ersten axialen Bereichs 3 abgestützt werden. Nach dem Aufstecken des Statorteils 14 auf den zweiten axialen Bereich 4 des Halters 2 sind die Zahnelemente 20 im Inneren des ersten Bereichs 3 angeordnet, sodass lediglich die Laschen 24 axial über den ersten Bereich 3 hinaus überstehen. Die Laschen 24 befinden sich dann in denselben Winkelpositionen wie die Aussparungen 1 1 und können somit durch Umbiegen in diese korrespondierenden Aussparungen 1 1 aufgenommen werden, um einen sicheren Sitz des Statorteils 14 in allen Richtungen zu gewährleisten. Somit wird das Statorteil 14 sowohl in axialer Richtung als auch in
Umfangsrichtung fixiert bzw. an dem Halter 2 festgelegt. Dabei wird auch die
Ringscheibe 18 in Anlage mit dem Flansch 9 gebracht. Entsprechend erfolgt die
Befestigung des zweiten Statorteils 15 am Halter 2, wobei hier die Zahnelemente 21 von der gegenüberliegenden axialen Seite in den axialen Bereich 3 des Halters 2 eingesteckt werden. Die Drehmomentsensoreinrichtung 100 ist im zusammengebauten Zustand in Fig. 2 dargestellt.
Wie bereits ausgeführt, weist die Sensorvorrichtung 1 zusätzlich eine
Inkrementalsensoreinrichtung bzw. eine Indexsensoreinrichtung auf, welche mit der Drehmomentsensoreinrichtung 100 als eine integrale Baueinheit ausgeführt ist. Eine solche integral ausgeführte Sensorvorrichtung 1 mit der
Drehmomentsensoreinrichtung 100 und einer Inkrementalsensoreinrichtung 40 ist in einer Schnittdarstellung in Fig. 3 gezeigt. Die Drehachse der Welle ist dabei mit 41 bezeichnet. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die beiden Ringscheiben 18, 19 parallel zueinander und senkrecht zur Achse 41 angeordnet und definieren jeweils eine Ebene 42 bzw. 43, welche senkrecht zur Achse 41 orientiert ist. Axial mittig zwischen den Ebenen 42, 43 liegt eine ebenfalls radiale Mittelebene 44. Die Inkrementalsensoreinrichtung 40 umfasst ein in Form eines Magneten 45 ausgebildetes Sendeelement 46, welches an einem
Außenumfang 47 des ersten axialen Bereichs 3 des Halters 2 angebracht ist.
Der Magnet 45 liegt also in einem Zwischenbereich bzw. einem Stauraum zwischen den beiden Ringscheiben 18, 19 und ist somit axial zwischen den beiden radialen Ebenen 42, 43 angeordnet. Dabei ist der Magnet 45 in radialer Richtung magnetisiert, sodass Magnetfeldlinien 48 des Magnetfelds im Wesentlichen senkrecht zu einer radialen Außenseite 49 bzw. zur Oberfläche des Magneten 45 verlaufen. Die Magnetpole befinden sich also im Wesentlichen an der radialen Außenseite des Magneten 45. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weisen die Magnetfeldlinien 48 im axialen Randbereich des Magneten 45 auch eine axiale Richtungskomponente auf, was jedoch dadurch kompensiert wird, dass die Magnetfeldlinien 48 spiegelsymmetrisch bezüglich der Mittelebene 44 verlaufen und das magnetische Feld somit gleich an den beiden Ringscheiben 18, 19 ist. Es kommt somit zu keinem Übersprechen zwischen der Inkrementalsensoreinrichtung 40 und der Drehmomentsensoreinrichtung 100.
In Fig. 4 ist eine axiale Stirnseite der Sensorvorrichtung 1 gezeigt, wobei zusätzlich auch eine Leiterplatte 50 sowie ein Flussleiter 51 dargestellt sind. Der Flussleiter 51 dient zum Leiten des magnetischen Flusses von dem Stator 13 hin zu einem auf der Leiterplatte angeordneten Sensorelement 52, welcher an der abgewandten Seite der Leiterplatte 50 angeordnet und somit in Fig. 4 gestrichelt angedeutet ist. Auf derselben Leiterplatte 50 ist des Weiteren ein Empfangselement 53 der Inkrementalsensoreinrichtung 40 angeordnet, welches in Form eines Magnetsensors ausgebildet ist. Auch dieses Empfangselement 53 ist auf der abgewandten Seite der Leiterplatte 50 angeordnet und somit lediglich gestrichelt angedeutet.
In Fig. 6 ist eine Schnittansicht durch die Sensorvorrichtung 1 entlang einer in Fig. 4 angedeuteten Schnittlinie Vl-Vl dargestellt. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist die
Leiterplatte 50 parallel zu den Ringscheiben 18, 19 angeordnet und liegt au ßerdem außermittig bezüglich der Mittelebene 44. Durch diese Anordnung der Leiterplatte 50 sind die beiden elektronischen Bauteile, nämlich das Empfangselement 53 sowie das
Sensorelement 52, welche in diesem Ausführungsbeispiel auf derselben Seite der Leiterplatte 50 angeordnet sind, axial mittig zwischen den Ringscheiben 18, 19 und somit in der Mittelebene 44 angeordnet. Somit verlaufen die Magnetfeldlinien 48 direkt durch das Empfangselement 53 hindurch.
Eine Draufsicht auf einen Bereich der Leiterplatte 50 gemäß der Pfeildarstellung V aus Fig. 6 ist in Fig. 5 dargestellt. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, kann das Empfangselement 53 als SMD-Bauteil ausgeführt sein, welches auf der Leiterplatte 50 oberflächenmontiert ist. Der Magnet 45 kann dabei ein Polpaar aus einem Nordpol N und einem Südpol S aufweisen, welche in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Im
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist der Nordpol N in Umfangsrichtung in zwei kleinere Elemente aufgeteilt, zwischen denen sich der Südpol S befindet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 7 bis 9 gezeigt. Hier befindet sich das Empfangselement 53 auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 50 und somit an derjenigen Seite, die vom Sensorelement 52 der Drehmomentsensoreinrichtung 40 abgewandt ist. In Fig. 8 ist dabei eine Schnittansicht entlang einer in Fig. 7 angedeuteten Schnittlinie Vlll-Vlll gezeigt. Wie insbesondere aus Fig. 8 hervorgeht, ist das
Empfangselement 53 au ßermittig bezüglich der Mittelebene 44 angeordnet. Eine
Erfassung des magnetischen Felds ist jedoch deshalb möglich, weil die
Magnetfeldlinien 48 eine axiale Komponente aufweisen. Wie weiterhin aus Fig. 9 hervorgeht, in welcher eine Draufsicht auf die Leiterplatte 50 von einer in Fig. 8 mit IX bezeichneten Blickrichtung aus dargestellt ist, ist das Empfangselement 53 auch bei diesem Ausführungsbeispiel als SMD-Bauteil ausgeführt.
Eine noch weitere Ausführungsform ist in den Fig. 10 und 1 1 dargestellt. Hier befindet sich das Empfangselement 53 an derselben Seite der Leiterplatte 50 wie das
Sensorelement 52, ist jedoch als THT-Bauteil ausgeführt und über Anschlussdrähte an die Leiterplatte 50 angebunden. Wie bei allen anderen Ausführungsformen ist auch hier das Sensorelement 52 als SMD-Bauteil ausgeführt, kann jedoch alternativ als THT- Bauteil ausgebildet sein.
Während in Fig. 10 eine Stirnseite dargestellt ist, zeigt Fig. 1 1 eine Schnittansicht, entlang einer in Fig. 10 angedeuteten Schnittlinie Xl-Xl. Wie aus Fig. 1 1 hervorgeht, wird durch das Empfangselement 53 eine radiale Komponente der Magnetfeldlinien 48 erfasst.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Magneten 45 können verschiedene
Ausführungsformen vorgesehen sein, welche Bezug nehmend auf die Fig. 12 bis 14 nachfolgend näher beschrieben werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 weist der Magnet 45 - wie bereits ausgeführt - ein einziges Polpaar aus einem Südpol S und einem Nordpol N auf. Diese sind in
Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet, wobei der Nordpol N auf zwei kleinere Elemente aufgeteilt ist, die sich beidseitig an den Südpol N in Umfangsrichtung anschließen.
In diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 ist der Magnet 45 also ringsegmentförmig ausgebildet.
Demgegenüber ist der Magnet 45 gemäß Fig. 13 vollumfänglich ringförmig ausgebildet, sodass der Magnet 45 den Halter 2 vollumfänglich umschließt bzw. ummantelt. Der Magnet 45 hat eine Vielzahl von Polpaaren, wobei die Nordpole N und die Südpole S in Umfangsrichtung abwechselnd verteilt angeordnet sind. An jeden Nordpol N schließt sich somit unmittelbar ein Südpol S an.
Die Ausgestaltung gemäß Fig. 14 entspricht im Wesentlichen der gemäß Fig. 13, wobei ein Pol 54 - im Ausführungsbeispiel ein Südpol S - im Vergleich zu den übrigen Polen in Umfangsrichtung breiter ausgeführt ist.
Andere Magnetisierungsmuster beziehungsweise mehrere unterschiedliche Polbreiten sind ebenfalls möglich.
Beim Drehen der Lenkwelle dreht sich auch der Magnet 45 und beschreibt eine ringförmige Bahn, welche an dem Empfangselement 53 vorbeiführt. Das
Empfangselement 53 erzeugt dann ein diskretes bzw. digitales Signal mit einer Vielzahl von Signalimpulsen - beispielsweise Spannungsimpulsen -, welche mittels der Inkrementalsensoreinrichtung 40 beispielsweise an ein Steuergerät abgegeben werden. In Abhängigkeit von diesem Signal kann dann beispielsweise der absolute Lenkwinkel plausibilisiert werden, der mittels einer separaten Lenkwinkelsensoreinrichtung gemessen wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Sensorvorrichtung (1 ) für eine Welle, insbesondere eine Lenkwelle, eines
Kraftfahrzeugs, mit einer Drehmomentsensoreinrichtung (100) zur Erfassung eines auf die Welle aufgebrachten Drehmoments, wobei die
Drehmomentsensoreinrichtung (100) einen magnetischen Stator (13) aufweist, der zum Leiten von magnetischem Fluss ausgebildet ist und zwei entlang einer Achse (41 ) beabstandet zueinander angeordnete Statorteile (14, 15) umfasst, welche jeweils eine senkrecht zur Achse (41 ) angeordnete Ringscheibe (18, 19) aufweisen, und mit einer Inkrementalsensoreinrichtung (40), welche ein mit dem Stator (13) drehfest verbundenes Sendeelement (46) und ein Empfangselement (53) aufweist und dazu ausgebildet ist, in vorbestimmten Winkelabständen der Welle jeweils einen Signalimpuls aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem Sendeelement
(46) und dem Empfangselement (53) auszugeben,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Ringscheiben (18, 19) des magnetischen Stators (13) jeweils eine senkrecht zur Achse (41 ) angeordnete Ebene (42, 43) definiert ist und das
Sendeelement (46) der Inkrementalsensoreinrichtung (40) axial zwischen den Ebenen (42, 43) angeordnet ist.
2. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Statorteile (14, 15) an einem ringförmigen Halter (2) angeordnet sind und das Sendeelement (46) der Inkrementalsensoreinrichtung (40) an einem Au ßenumfang
(47) des Halters (2) angeordnet ist.
3. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sendeelement (46) ein Magnet (45) ist und das Empfangselement (53) ein Magnetsensor ist.
4. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (45) radial magnetisiert ist, sodass Magnetfeldlinien (48) eines von dem Magneten (45) erzeugten Magnetfelds im Wesentlichen senkrecht zu einer radialen Außenseite (49) des Magneten (45) verlaufen.
5. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet (45) mit seiner Magnetisierung spiegelsymmetrisch bezüglich einer axial mittig zwischen den Ebenen (42, 43) angeordneten Mittelebene (44) ausgebildet ist.
6. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet (45) ringsegmentförmig ausgebildet ist und ein Polpaar (N, S) aus einem Nordpol (N) und einem Südpol (S) aufweist, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
7. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet (45) vollumfänglich ringförmig ausgebildet ist und eine Vielzahl von Polpaaren (N, S) aufweist, die in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
8. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Pol (54) des Magneten (45) in Umfangsrichtung breiter als ein anderer Pol (N, S) des Magneten (45) ausgebildet ist.
9. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehmomentsensoreinrichtung (100) zumindest ein Sensorelement (52) aufweist, wobei das Sensorelement (52) der Drehmomentsensoreinrichtung (100) und das Empfangselement (53) der Inkrementalsensoreinrichtung (40) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (50) angeordnet sind.
10. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterplatte (50) parallel zu den Ebenen (42, 43) angeordnet ist.
1 1 . Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterplatte (50) au ßermittig zwischen den Ebenen (42, 43) angeordnet ist und das Sensorelement (52) der Drehmomentsensoreinrichtung (100) axial mittig zwischen den Ebenen (42, 43) angeordnet ist.
12. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Empfangselement (53) der Inkrementalsensoreinrichtung (40) an einer dem Sensorelement (52) der Drehmomentsensoreinrichtung (100) gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (50) angeordnet ist.
13. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Empfangselement (53) der Inkrementalsensoreinrichtung (40) und das Sensorelement (52) der Drehmomentsensoreinrichtung (100) an ein und derselben Seite der Leiterplatte (50) angeordnet sind.
14. Kraftfahrzeug mit einer Welle, insbesondere einer Lenkwelle, und mit einer
Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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