WO2008034890A2 - Vorrichtung zur erfassung einer kraft und/oder eines drehmoments - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung einer kraft und/oder eines drehmoments Download PDF

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WO2008034890A2
WO2008034890A2 PCT/EP2007/060011 EP2007060011W WO2008034890A2 WO 2008034890 A2 WO2008034890 A2 WO 2008034890A2 EP 2007060011 W EP2007060011 W EP 2007060011W WO 2008034890 A2 WO2008034890 A2 WO 2008034890A2
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sensor
torque
electrically conductive
force
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Frank Grunwald
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Continental Automotive Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • 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
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1435—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving magnetic or electromagnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting a force and / or a torque, in particular for use in motor vehicles.
  • corresponding devices To detect torques between two coupling points of the device and in particular to form electrical signals that reflect the force or torque between the coupling points.
  • corresponding devices according to the prior art have electrical or electronic devices for the conversion of forces, torques, displacements or movements in the signals.
  • the said devices are therefore often shielded by additional electrical films or sheets.
  • additional foils or sheets require an increased effort in the manufacture of the devices and increase the complexity of the device.
  • the present invention is therefore based on the object, a device for detecting a force and / or a
  • the object is achieved by a device for detecting a force and / or a torque with an elastic element, which is deformable by the force or the torque, and which surrounds an inner region, and a sensor for detecting a by the force or the Torque generated deformation of the element to form electrical signals, wherein the sensor is disposed in the inner region of the elastic element and the elastic element has at least one electrically conductive structure, the sensor against electric fields from the area around the elastic element at least partially shielded.
  • the basic structure of the device according to the invention therefore initially comprises the elastic element, which is deformed by the engaging force or the applied torque.
  • the force or the torque acts between two Ankoppel- points that may lie directly in the elastic element or at least with respect to the direction of the force or the torque action firmly connected to the elastic element coupling elements.
  • the sensor For detecting the deformation of the sensor is used, which may preferably be a sensor with at least one electrical or electronic component; the sensor may preferably also have at least one signal processing circuit and / or at least one first stage of evaluation electronics for processing signals of the component.
  • the sensor does not need to be directly connected to the elastic element, it is also possible to transmit the deformation by means of corresponding, connected to the elastic element coupling elements to the sensor.
  • An essential idea of the invention is now to use the elastic element simultaneously for two functions, namely once for the implementation of the force or the torque in a detectable by the sensor deformation and the other to shield the sensor against at least electric fields.
  • the elastic element or, more precisely, the electrically conductive structure therein is preferably shaped in such a way that it forms an electric field, at least partially shielding, with respect to the electrical shielding.
  • the structure or element may therefore in particular have holes, apertures, slots or similar intermediate spaces which do not significantly impair the shielding for a given purpose.
  • the structure is formed depending on the type and size of the expected fields to be shielded and a predetermined maximum residual field strength at the location of the sensor.
  • the structure is designed such that an impairment of signals generated by the sensor can be effected by predetermined for a given application electric fields only within a predetermined tolerance range.
  • the device Since an additional shield can be omitted, the device requires a smaller overall space than known devices.
  • the device only has to have a shielding against electric fields, since this also affects the action of time-varying electromagnetic fields is reduced.
  • the elastic element preferably comprises at least one soft-magnetic structure which at least partially shields the sensor against magnetic fields from the area around the elastic element. This structure can in principle be provided separately from the electrically conductive structure.
  • the at least one electrically conductive structure soft magnetic material so that the sensor is at least partially shielded from magnetic fields from the area around the elastic element.
  • This embodiment has the advantage that a single structure is sufficient to at least partially shield dynamic, and in particular also static, both electrical and magnetic fields.
  • the design of the structures is carried out according to the design of the electrically conductive structure.
  • the electrically conductive structure can be configured as desired.
  • the elastic element consists of plastic
  • the electrically conductive regions for example of an electrically conductive plastic or graphite.
  • Such a device can have a particularly long life with a suitable choice of the metal and provide a very good shielding.
  • the elastic element may in principle be shaped in any way, as long as it fulfills the above two functions. It proves to be very advantageous if the elastic element comprises, as an electrically conductive structure, a spring which is formed from an electrically conductive spring material wound around the inner region. By selecting the type of spring and the spring constant of the spring, the be adapted in a very simple manner to a desired detection range for the forces or torques.
  • the elastic element may comprise a screw or coil spring made of metal as an electrically conductive structure.
  • This embodiment has the advantage that on the one hand in many cases, a suitable spring is already available and does not need to be specially manufactured, and on the other hand, a very good shielding, in particular by selecting the pitch, can be achieved.
  • a particularly good shielding is achieved if the electrically conductive structure has meshes.
  • the structure can then act electrically like a Faraday cage.
  • the elastic element comprises, as an electrically conductive structure, an elastically resilient basket with meshes of metallic material.
  • an elastically resilient basket with meshes of metallic material.
  • Such a construction of the structure allows, in particular, that the basket also assumes the function of the elastic element, the elastic element consisting essentially of the basket.
  • Such a basket has the further advantage that it can be stamped from a sheet and thus easily manufactured.
  • the sensor can in principle be of any desired design, provided it is suitable for detecting the deformation.
  • it can directly detect a deformation of the elastic element, as is conceivable, for example, in the case of a capacitive sensor.
  • the sensor comprises two relatively movable parts which are connected to portions of the elastic member which are moved relative to each other in a force or torque to be detected by deformation of the elastic member. This advantageously allows the use of different types of sensors and at the same time a very free design of the elastic element. At least one of the sections it may in particular be one of the coupling points.
  • the parts can be connected directly to the sections of the elastic element.
  • at least one of the parts of the sensor is held on a first holder which is connected to an engagement point on the elastic element.
  • the connection can be formed directly or indirectly. This has the advantage that the parts of the sensor need not meet any special requirements for the attachment.
  • the other part of the sensor can also be held at a second holder connected to a different point of engagement which is moved when the elastic element is deformed relative to the first point of application, the two holders being movable relative to one another and being deformed by deformation of the elastic element to be detected force or a torque to be detected are movable.
  • the coupling points between which the force or the torque acts formed on the holders are particularly preferably, the coupling points between which the force or the torque acts formed on the holders. This has the advantage that the coupling can be made much more free.
  • the holders are particularly preferably subject to forced movement in their relative movement, so that the holders perform a predetermined movement relative to one another when the elastic element is deformed by a force to be detected or a torque to be detected. This ensures that only forces and torques are detected in a desired direction.
  • the forced operation can be realized, for example, by guiding the holders on a guide device are such that the holders perform a predetermined movement relative to each other in a deformation of the elastic member by a force to be detected or a torque to be detected. This enables a precise detection of the relative movement or relative position of the parts relative to one another.
  • the holders can be guided into or into each other and, in particular, designed so that the holders perform a predetermined movement relative to one another during a deformation of the elastic element by a force to be detected or a torque to be detected.
  • This also allows an accurate detection of the relative movement or relative position of the parts to each other.
  • This embodiment has the further advantage that an additional guide device is not absolutely necessary.
  • any sensors may be considered, in particular those which operate without contact, i. whose two parts do not need to be touched during acquisition.
  • the sensor may comprise, in particular as a first part a magnet and as a second part a magnetic field sensor for detecting the field of the magnet, a change in the field of the magnet or the magnetic flux excited by the magnet or the flux change produced.
  • a magnetic field sensor is in particular a Hall sensor into consideration.
  • the sensor for detecting a torque, it proves to be advantageous if the sensor as a first part of a magnet and as a second part sensitive to directions of the magnetic field of the magnet sensor element, preferably a magnetoresistive sensor element comprises.
  • Such sensor elements offer the advantage that direction-changing movements of the magnet, such as can occur during the detection of the torque, can be particularly sensitive and therefore accurate.
  • the elastic element has a connection region, via which the electrically conductive structure is connectable to a ground potential.
  • the invention therefore also relates to a vehicle electrical system having a device according to the invention for detecting a force or a torque and a ground line which is connected to the connection region of the device.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device for detecting a force
  • Fig. 2 is a schematic representation of another device for detecting a force
  • Fig. 3 is a schematic representation of a device for detecting a torque.
  • a force detecting device 1 comprises an elastic member 2 surrounding an inner portion 3 and a two-piece sensor 6 supported on holders 4 and 5 for detecting deformation of the elastic member 2 generated by the force to form of electrical signals.
  • the sensor 6 is arranged in the inner region 3 of the elastic element 2.
  • the elastic element 2 is in this embodiment, a coil spring made of a soft magnetic, electrically conductive spring steel.
  • the pitch of the coil spring is chosen so that this, unlike in the schematic drawing tion, has the largest possible number of turns.
  • the spring constant is chosen as a function of the maximum size of the forces to be detected so that a predetermined elastic change in length of the coil spring does not exceed a predetermined maximum value with effect of the maximum force.
  • each of the holders 4 and 5 is connected to another end of the elastic see element 2 as a point, so that a
  • the cylindrical in their basic form holder 4 and 5 are along the screw axis linearly guided by a guide, not shown, for example, a coaxial with the screw axis passing through a corresponding guide bore in the holders 4 and 5 extending rod.
  • the holders 4 and 5 are identical except for receptacles for parts of the sensor 6 and have at the mutually facing ends recesses 9 and 9 ', so that the ends each form only halves of a cylinder and are complementary to each other, so that the holders 4 and 5 are movable relative to each other.
  • the end of each holder is arranged in the recess of the other holder and the flat opposite surfaces of the holder extend at least approximately parallel to each other.
  • the sensor 6 is designed as a two-part, non-contact sensor, and comprises a Hall sensor 10 as a magnetic field sensor and a permanent magnet as the second part
  • the Hall sensor 10 and the magnet 11 are in shots 12 and 13 in the holder 4 and 5 in the parallel to each other extending surfaces of the ends of the holder 4 and 5 in the region of the recesses 9 and 9 'arranged that the dipole of the magnet 11 parallel to the direction of the relative movement of the holder 4 and 5 and the screw axis of the elastic EIe- element 2 extends and a movement of the magnet 11 relative to the Hall sensor 10 can be detected by this.
  • the Hall sensor 10 already has an evaluation device which processes and amplifies signals of a Hall element of the Hall sensor 10. Signals of the sensor 6 can be detected via a guided in the holder 4 signal line.
  • Coil spring moved relative to each other.
  • the amount of movement is determined by the elastic properties of the elastic element 2.
  • the movement corresponding to the force is detected by the sensor 6, which then emits corresponding detection signals.
  • the elastic element 2 which has an electrically conductive and soft magnetic structure or more precisely, in this example the helical spring, forms a kind of cage which shields both electrical and magnetic static or dynamic fields with respect to the interior 3 and thus to the sensor 5.
  • the sensor is preferably arranged in the direction of the axis of the coil spring in the middle third. This results in a particularly compact design with good shielding.
  • a particularly good shielding results when the electrically conductive structure, that is, here the coil spring 2 is connected via a connection region or ground connection 14 to a ground line, for example, to a motor vehicle electrical system of a motor vehicle.
  • a second exemplary embodiment in FIG. 2 differs from the first exemplary embodiment only in that the elastic element 2 in the form of a helical spring is now replaced by an elastic element 16 made of a cylindrical basket punched from a soft magnetic metal sheet, and an arrangement of stitches 17 comprises. These meshes allow a particularly good shielding of electrical and magnetic fields.
  • the stitches are formed so that in
  • a third embodiment in Fig. 3 differs from the first embodiment in that now the device for detecting a torque is formed.
  • cylindrical holders 4 'and 5' are arranged in the inner region 3 of the elastic element 2 and fixedly connected to the ends or coupling points of the elastic element 2.
  • the holders 4 'and 5' are rotatably supported relative to one another about their coaxial cylinder axes by means of a journal 15, so that they are only rotatably rotatable relative to one another.
  • a sensitive to the direction of the magnetic field of the magnet 11 sensor element 18 is now used, in the example, a suitably oriented magnetoresistive element, now in a receptacle 12 'in the holder 5' facing end face in the vicinity the circumference of the holder 4 'is held.
  • the magnet 11 is located in a receptacle 13 'in a corresponding position in the holder 5'.
  • the magnet 11 is held so that the dipole now runs parallel to a tangent to the circumference of the holder 9 '.
  • the magnetoresistive sensor element 18 is oriented in its receptacle in such a way that it can detect the change in the direction of the magnetic field caused by rotation of the holders 4 'and 5' relative to one another and output a corresponding detection signal.

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Abstract

Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft und/oder eines Drehmoments Eine Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft und/oder eines Drehmoments umfasst ein elastisches Element, das durch die Kraft bzw. das Drehmoment verformbar ist, und das einen Innenbereich umgibt, und einen Sensor zur Erfassung einer durch die Kraft bzw. das Drehmoment erzeugten Verformung des Elements unter Bildung von elektrischen Signalen. Der Sensor ist in dem Innenbereich des elastischen Elements angeordnet. Das elastische Element weist wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur auf, die den Sensor gegen elektrische Felder aus dem Bereich um das elastische Element wenigstens teilweise abschirmt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft und/oder eines Drehmoments
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft und/oder eines Drehmoments, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.
Vorrichtungen der genannten Art dienen dazu, Kräften und
Drehmomenten zwischen zwei Ankoppelstellen der Vorrichtung zu erfassen und insbesondere auch elektrische Signale zu bilden, die die Kraft bzw. das Drehmoment zwischen den Ankoppelstellen wiedergeben. Dazu verfügen entsprechende Vorrichtungen nach dem Stand der Technik über elektrische bzw. elektronische Einrichtungen zur Umsetzung von Kräften, Drehmomenten, Verlagerungen oder Bewegungen in die Signale.
Bei vielen Anwendungen solcher Vorrichtungen, insbesondere beispielsweise in Kraftfahrzeugen, sind diese jedoch mehr oder weniger starken, statischen oder dynamischen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern aus ihrem Umfeld ausgesetzt, die Signalbildung und/oder die Signale der jeweiligen Vorrichtung beeinträchtigen; in extremen Fällen können sich die Signale für eine weitere sinnvolle Verarbeitung nicht mehr eignen.
Die genannten Vorrichtungen werden daher häufig durch zusätzliche elektrische Folien oder Bleche abgeschirmt. Diese zu- sätzlichen Folien oder Bleche erfordern jedoch einen erhöhten Aufwand bei der Herstellung der Vorrichtungen und erhöhen die Komplexität der Vorrichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft und/oder eines
Drehmoments zu schaffen, die einfach herstellbar und gegen- über dem Einfluss äußerer elektrischer und vorzugsweise auch magnetischer Felder unempfindlich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft und/oder eines Drehmoments mit einem elastischen Element, das durch die Kraft bzw. das Drehmoment verformbar ist, und das einen Innenbereich umgibt, und einem Sensor zur Erfassung einer durch die Kraft bzw. das Drehmoment erzeugten Verformung des Elements unter Bildung von elektrischen Signa- len, wobei der Sensor in dem Innenbereich des elastischen E- lements angeordnet ist und das elastische Element wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur aufweist, die den Sensor gegen elektrische Felder aus dem Bereich um das elastische Element wenigstens teilweise abschirmt.
Der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst also zunächst das elastische Element, das durch die angreifende Kraft bzw. das angreifende Drehmoment verformt wird. Die Kraft bzw. das Drehmoment wirkt dabei zwischen zwei Ankoppel- stellen, die unmittelbar in dem elastischen Element liegen können oder an wenigstens bezüglich der Richtung der Krafteinwirkung bzw. der Drehmomenteinwirkung fest mit dem elastischen Element verbundenen Koppelelementen.
Zur Erfassung der Verformung dient der Sensor, bei dem es sich vorzugsweise um einen Sensor mit wenigstens einem elektrischen bzw. elektronischen Bauelement handeln kann; der Sensor kann vorzugsweise auch wenigstens eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder wenigstens eine erste Stufe einer Auswerteelektronik zur Verarbeitung von Signalen des Bauelements besitzen. Der Sensor braucht dabei nicht unmittelbar mit dem elastischen Element verbunden zu sein, es ist auch möglich, die Verformung mittels entsprechender, mit dem elastischen Element verbundener Koppelelemente an den Sensor zu übertragen. Eine wesentliche Idee der Erfindung besteht nun darin, das elastische Element gleichzeitig für zwei Funktionen zu verwenden, nämlich einmal zur Umsetzung der Kraft bzw. des Drehmoments in eine durch den Sensor detektierbare Verformung und zum anderen zur Abschirmung des Sensors gegen wenigstens elektrische Felder.
Dazu ist das elastische Element bzw. genauer die elektrisch leitfähige Struktur darin vorzugsweise so geformt, dass es bzw. sie im Hinblick auf die elektrische Abschirmung einen elektrische Felder wenigstens teilweise abschirmenden Käfig bildet. Die Struktur bzw. des Element kann daher insbesondere Löcher, Durchbrüche, Schlitze oder ähnliche Zwischenräume aufweisen, die die Abschirmung für einen gegebenen Einsatz- zweck nicht wesentlich beeinträchtigen. Die Struktur ist dabei in Abhängigkeit von der Art und Größe der zu erwartenden, abzuschirmenden Felder und einer vorgegebenen maximalen Restfeldstärke am Ort des Sensors ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Struktur so ausgebildet, dass eine Beeinträchtigung von durch den Sensor erzeugten Signalen durch für einen gegebenen Einsatzzweck vorgegebene elektrische Felder nur innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs erfolgen kann.
Damit wird ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung erzielt, der gleichzeitig zu einer stark reduzierten Empfindlichkeit gegenüber im Umfeld der Vorrichtung wirkender elektrische Felder führt.
Da eine zusätzliche Abschirmung entfallen kann, benötigt die Vorrichtung insgesamt einen kleineren Bauraum als bekannte Vorrichtungen .
Prinzipiell braucht die Vorrichtung nur eine Abschirmung gegen elektrische Felder aufzuweisen, da hiermit auch die Einwirkung zeitlich veränderlicher elektromagnetischer Felder reduziert wird. Vorzugsweise umfasst das elastische Element jedoch wenigstens eine weichmagnetische Struktur, die den Sensor gegen magnetische Felder aus dem Bereich um das elastische Element wenigstens teilweise abschirmt. Diese Struktur kann prinzipiell von der elektrisch leitfähigen Struktur getrennt vorgesehen sein.
Vorzugswiese enthält jedoch die wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur weichmagnetisches Material, so dass der Sensor gegen magnetische Felder aus dem Bereich um das elastische Element wenigstens teilweise abgeschirmt wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine einzige Struktur ausreicht, um dynamische und insbesondere auch statische, sowohl elektrische als auch magnetische Felder wenigstens teil- weise abzuschirmen.
In beiden Fällen erfolgt die Auslegung der Strukturen entsprechend der Auslegung der elektrisch leitfähigen Struktur.
Prinzipiell kann die elektrisch leitfähige Struktur beliebig ausgebildet sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass das elastische Element aus Kunststoff besteht, in den elektrisch leitfähige Bereiche, beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff oder Graphit, eingebracht sind. Vor- zugsweise ist jedoch wenigstens die elektrisch leitfähige
Struktur aus Metall, besonders bevorzugt aus einem weichmagnetischen Metall. Eine solche Vorrichtung kann bei geeigneter Wahl des Metalls eine besonders lange Lebensdauer aufweisen und eine sehr gute Abschirmung bieten.
Das elastische Element kann prinzipiell in beliebiger Weise geformt sein, solange es die oben genannten beiden Funktionen erfüllt. Als sehr vorteilhaft erweist es sich, wenn das elastische Element als elektrisch leitfähige Struktur eine Feder umfasst, die aus einem um den Innenbereich gewundenen elektrisch leitfähigen Federmaterial gebildet ist. Durch Wahl der Art der Feder und der Federkonstante der Feder kann die Vor- richtung in sehr einfacher Weise an einen gewünschten Detek- tionsbereich für die Kräfte bzw. Drehmomente angepasst werden .
Insbesondere kann das elastische Element als elektrische leitfähige Struktur eine Schraub- oder Spiralfeder aus Metall umfassen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zum einen in vielen Fällen eine geeignete Feder bereits verfügbar ist und nicht speziell hergestellt zu werden braucht, und dass zum anderen eine sehr gute Abschirmung, insbesondere durch Wahl der Ganghöhe, erreicht werden kann.
Eine besonders gute Abschirmung wird erreicht, wenn die elektrisch leitfähige Struktur Maschen aufweist. Die Struktur kann dann elektrisch wie ein Faradayscher Käfig wirken.
Besonders bevorzugt umfasst das elastische Element als elektrisch leitfähige Struktur einen elastisch federnden Korb mit Maschen aus metallischem Material. Eine solche Ausbildung der Struktur erlaubt es insbesondere dass der Korb auch die Funktion des elastischen Elements übernimmt, das elastische Element als im Wesentlichen aus dem Korb besteht. Ein solcher Korb hat den weiteren Vorteil, dass er aus einem Blech gestanzt und damit einfach hergestellt werden kann.
Der Sensor kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein, soweit er zur Erfassung der Verformung geeignet ist. Beispielsweise kann er direkt eine Verformung des elastischen Elements erfassen, wie es beispielsweise bei einem kapazitiven Sensor denkbar ist. Vorzugsweise umfasst der Sensor jedoch zwei relativ zueinander bewegliche Teile, die mit Abschnitten des elastischen Elements verbunden sind, die bei einer zu erfassenden Kraft- bzw. Drehmomenteinwirkung durch Verformung des elastischen Elements relativ zueinander bewegt werden. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise den Einsatz verschiedener Typen von Sensoren und gleichzeitig eine sehr freie Gestaltung des elastischen Elements. Bei wenigstens einem der Abschnitte kann es sich insbesondere um eine der Ankoppelstellen handeln .
Die Teile können direkt mit den Abschnitten des elastischen Elements verbunden sein. Vorzugsweise ist jedoch wenigstens einer der Teile des Sensors an einem ersten Halter gehalten, der mit einer Angriffsstelle an dem elastischen Element verbunden ist. Die Verbindung kann dabei direkt oder indirekt ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Teile des Sensors keine besonderen Anforderungen an die Befestigung zu erfüllen brauchen. Insbesondere kann auch der andere Teil des Sensors an einem mit einer anderen Angriffsstelle, die bei Verformung des elastischen Elements relativ zu der ersten Angriffsstelle bewegt wird, verbundenen zweiten Halter gehalten sein, wobei die beiden Halter relativ zueinander beweglich und durch Verformung des elastischen Elements durch eine zu erfassende Kraft bzw. ein zu erfassendes Drehmoment bewegbar sind.
Besonders bevorzugt sind die Ankoppelstellen, zwischen denen die Kraft bzw. das Drehmoment angreift, an den Haltern ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Ankopplung wesentlich freier gestaltet werden kann.
Zwischen der wirkenden Kraft bzw. dem wirkenden Drehmoment und der Verformung des elastischen Elements bzw. Relativbewegung der Halter zueinander besteht vorzugsweise ein fester quantitativer Zusammenhang. Besonders bevorzugt unterliegen die Halter daher in ihrer Relativbewegung einer Zwangsfüh- rung, so dass die Halter bei einer Verformung des elastischen Elements durch eine zu erfassende Kraft bzw. ein zu erfassendes Drehmoment eine vorgegebene Bewegung relativ zueinander ausführen. Damit kann sichergestellt, dass nur Kräfte und Drehmomente in einer gewünschten Richtung erfasst werden.
Die Zwangsführung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Halter an einer Führungseinrichtung geführt sind, so dass die Halter bei einer Verformung des elastischen Elements durch eine zu erfassende Kraft bzw. ein zu erfassendes Drehmoment eine vorgegebene Bewegung relativ zueinander ausführen. Damit wird eine genaue Erfassung der Relativbewe- gung oder Relativlage der Teile zueinander ermöglicht.
Alternativ können die Halter an- oder ineinander geführt und insbesondere so ausgebildet sein, dass die Halter bei einer Verformung des elastischen Elements durch eine zu erfassende Kraft bzw. ein zu erfassendes Drehmoment eine vorgegebene Bewegung relativ zueinander ausführen. Auch damit wird eine genaue Erfassung der Relativbewegung oder Relativlage der Teile zueinander ermöglicht. Diese Ausführungsform hat den weiteren Vorteil, dass eine zusätzliche Führungseinrichtung nicht un- bedingt notwendig ist.
Als Sensoren können beliebige Sensoren in Betracht kommen, insbesondere solche, die berührungslos arbeiten, d.h. deren beide Teile sich bei der Erfassung nicht zu berühren brau- chen. Bei der Vorrichtung kann der Sensor insbesondere als ersten Teil einen Magneten und als zweiten Teil einen Magnetfeldsensor zur Erfassung des Feldes des Magneten, einer Änderung des Feldes des Magneten oder des durch den Magneten erregten magnetischen Flusses oder der erzeugten Flussänderung umfassen. Als Magnetfeldsensor kommt insbesondere ein Hall- Sensor in Betracht.
Insbesondere zur Erfassung eines Drehmoments erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Sensor als ersten Teil einen Magne- ten und als zweiten Teil ein für Richtungen des Magnetfelds des Magneten empfindliches Sensorelement, vorzugsweise ein magnetoresistives Sensorelement, umfasst. Solche Sensorelemente bieten den Vorteil, dass richtungsändernde Bewegungen des Magneten, wie sie bei der Erfassung des Drehmoments auf- treten können, besonders empfindlich und damit genau erfassen können . Um eine möglichst gute Abschirmung auch bei großen Feldern zu ermöglichen, kann bei der Vorrichtung das elastische Element einen Anschlussbereich aufweist, über den die elektrisch leitfähige Struktur mit einem Massepotential verbindbar ist.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch eine Kraftzeugelektrik mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft oder eines Drehmoments und einer Masseleitung, die mit dem Anschlussbereich der Vorrichtung verbunden ist.
Die Erfindung wird im Folgenden noch weiter beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments.
In Fig. 1 umfasst eine Vorrichtung 1 zur Erfassung einer Kraft F ein elastisches Element 2, das einen Innenbereich 3 umgibt, und einen zweiteiligen, an Haltern 4 und 5 gehaltenen Sensor 6 zur Erfassung einer durch die Kraft erzeugten Verformung des elastischen Elements 2 unter Bildung von elektrischen Signalen. Der Sensor 6 ist in dem Innenbereich 3 des elastischen Elements 2 angeordnet.
Das elastische Element 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Schraubenfeder aus einem weichmagnetischen, elektrisch leitenden Federstahl. Die Ganghöhe der Schraubenfeder ist so gewählt, dass diese, anders als in der schematischen Zeich- nung dargestellt, eine möglichst große Anzahl von Windungen aufweist. Die Federkonstante ist in Abhängigkeit von der maximalen Größe der zu erfassenden Kräfte so gewählt, dass eine vorgegebene elastische Längenänderung der Schraubenfeder bei Wirkung der maximalen Kraft einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet.
In dem von dem elastischen Element umschlossenen Innenraum 3 befinden sich die beiden Halter 4 und 5, die zum einen Ankoppelstellen 7 und 8 aufweisen, an denen externe Elemente zur Kraftübertragung angekoppelt werden können. Zum anderen ist jeder der Halter 4 und 5 mit einem anderen Ende des elasti- sehen Elements 2 als Angriffspunkt verbunden, so dass eine
Relativbewegung der Halter 4 und 5 entlang der Schraubenachse des elastischen Elements zu einer Verformung, hier genauer Stauchung oder Dehnung des elastischen Elements 2, in, in diesem Beispiel vorzugsweise linearer, Abhängigkeit von der Kraft führt. Die Halter dienen daher auch als Koppelelemente.
Die in ihrer Grundform zylindrischen Halter 4 und 5 sind dazu entlang der Schraubenachse linear durch eine nicht gezeigte Führung, beispielsweise einen koaxial zu der Schraubenachse verlaufenden durch eine entsprechende Führungsbohrung in den Haltern 4 und 5 verlaufenden Stab, geführt.
Die Halter 4 und 5 sind bis auf Aufnahmen für Teile des Sensors 6 gleich ausgebildet und weisen an den einander zuge- wandten Enden Ausnehmungen 9 bzw. 9' auf, so dass die Enden jeweils nur Hälften eines Zylinders bilden und zueinander komplementär sind, so dass die Halter 4 und 5 relativ zueinander bewegbar sind. Dabei ist das Ende jeweils eines Halters in der Ausnehmung des jeweils anderen Halters angeordnet und die ebenen sich gegenüberliegenden Flächen der Halter verlaufen wenigstens näherungsweise parallel zueinander.
Der Sensor 6 ist als zweiteiliger, berührungslos arbeitender Sensor ausgeführt, und umfasst als Magnetfeldsensor einen Hall-Sensor 10 und als zweiten Teil einen Permanentmagneten
11. Der Hall-Sensor 10 und der Magnet 11 sind so in Aufnahmen 12 und 13 in dem Halter 4 bzw. 5 in den parallel zueinander verlaufenden Flächen der Enden der Halter 4 bzw. 5 im Bereich der Ausnehmungen 9 bzw. 9' angeordnet, dass der Dipol des Magneten 11 parallel zu der Richtung der Relativbewegung der Halter 4 und 5 bzw. der Schraubenachse des elastischen EIe- ments 2 verläuft und eine Bewegung des Magneten 11 relativ zu dem Hall-Sensor 10 durch diesen erfassbar ist.
Der Hall-Sensor 10 verfügt in diesem Ausführungsbeispiel bereits über eine Auswerteeinrichtung, die Signale eines HaIl- Elements des Hall-Sensors 10 verarbeitet und verstärkt. Signale des Sensors 6 können über eine in dem Halter 4 geführte Signalleitung erfasst werden.
Bei Einwirkung einer Kraft zwischen den Haltern 4 und 5 wer- den diese unter Verformung des elastischen Elements 2, der
Schraubenfeder, relativ zueinander bewegt. Das Ausmaß der Bewegung wird durch die elastischen Eigenschaften des elastischen Elements 2 bestimmt. Die der Kraft so entsprechende Bewegung wird durch den Sensor 6 erfasst, der daraufhin ent- sprechende Detektionssignale abgibt.
Das elastische Element 2, das eine elektrisch leitende und weichmagnetische Struktur aufweist bzw. genauer darstellt, in diesem Beispiel die Schraubenfeder, bildet eine Art Käfig, der sowohl elektrische als auch magnetische statische oder dynamische Felder gegenüber dem Innenraum 3 und damit dem Sensor 5 abschirmt. Der Sensor ist vorzugsweise in Richtung der Achse der Schraubenfeder im mittleren Drittel angeordnet. Damit ergibt sich bei guter Abschirmung ein besonders kompak- ter Aufbau.
Eine besonders gute Abschirmung ergibt sich, wenn die elektrisch leitende Struktur, das heißt hier die Schraubenfeder 2 über einen Anschlussbereich bzw. Masseanschluss 14 mit einer Masseleitung beispielsweise einer Kraftfahrzeugelektrik eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Ein zweites Ausführungsbeispiel in Fig. 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass das elastische Element 2 in Form einer Schraubenfeder nun durch ein elastisches Element 16 aus einem zylindrischen Korb er- setzt ist, der aus einem weichmagnetischen metallischen Blech gestanzt ist, und eine Anordnung von Maschen 17 umfasst. Diese Maschen erlauben eine besonders gute Abschirmung elektrischer und magnetischer Felder.
Vorzugsweise sind die Maschen so ausgebildet, dass sich in
Richtung der zu erfassenden Kraft jeweils mäandernde Strukturen ohne Knicke ergeben. Damit kann ein besonders gutes elastisches Verhalten erzielt werden.
Alle anderen Teile sind gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel unverändert.
Ein drittes Ausführungsbeispiel in Fig. 3 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass nun die Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments ausgebildet ist.
Dazu sind ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel in ihrer Grundform zylindrische Halter 4' und 5' im Innenbereich 3 des elastischen Elements 2 angeordnet und mit den Enden bzw. An- koppelpunkten des elastischen Elements 2 fest verbunden. Anders als im ersten Ausführungsbeispiel sind die Halter 4 ' und 5' jedoch mittels eines Lagerzapfens 15 um ihre koaxialen Zylinderachsen relativ zueinander drehbar gelagert, so dass sie relativ zueinander zwangsgeführt nur drehbar sind.
Statt des Hall-Sensors 10 wird nun ein für die Richtung des Magnetfeldes des Magneten 11 empfindliches Sensorelement 18 verwendet, im Beispiel ein geeignet ausgerichtetes magnetore- sistives Element, das nun in einer Aufnahme 12' in einer dem Halter 5 ' zugewandten Stirnfläche in der Nähe des Umfangs des Halters 4' gehalten ist. Der Magnet 11 befindet sich in einer Aufnahme 13' in einer entsprechenden Lage in dem Halter 5' . Der Magnet 11 ist so gehalten, dass der Dipol nun parallel zu einer Tangente an den Umfang des Halters 9' verläuft. Das magnetoresistive Sensorelement 18 ist in seiner Aufnahme so orientiert, dass es die bei einer Drehung der Halter 4' und 5' zueinander hervorgerufene Änderung der Richtung des Magnetfeldes erfassen und ein entsprechendes Detektionssignal abgeben kann.
Wird ein Drehmoment auf einen der Halter übertragen, während der andere fest montiert ist, führt dieses Drehmoment zu einer Drehung der Halter relativ zueinander, die wiederum das elastische Element 2 in Abhängigkeit von dem Drehmoment verformen. Die von der Größe des Drehmoments abhängige Größe der Drehung wird mittels des Sensors 6 erfasst, der dann ein ent- sprechendes Detektionssignal ausgibt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft und/oder eines Drehmoments mit - einem elastischen Element (2; 16), das durch die Kraft bzw. das Drehmoment verformbar ist, und das einen Innenbereich (3) umgibt, und - einem Sensor (6) zur Erfassung einer durch die Kraft bzw. das Drehmoment erzeugten Verformung des Elements (2; 16) unter Bildung von elektrischen Signalen, wobei der Sensor (6) in dem Innenbereich (3) des elastischen Elements (2; 16) angeordnet ist und das elastische Element (2; 16) wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur (2; 16) aufweist, die den Sensor (6) gegen elektrische Felder aus dem Bereich um das elastische Element (2; 16) wenigstens teilweise abschirmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elastische Element (2; 16) wenigstens eine weichmagnetische Struktur (2; 16) umfasst, die den Sensor (6) gegen magnetische
Felder aus dem Bereich um das elastische Element (2; 16) wenigstens teilweise abschirmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die wenigstens eine elektrisch leitfähige Struktur (2; 16) weichmagnetisches Material enthält, so dass der Sensor (6) gegen magnetische Felder aus dem Bereich um das elastische Element (2; 16) wenigstens teilweise abgeschirmt wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrisch leitfähige Struktur (2; 16) aus Metall ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elastische Element (2) als elektrisch leitfähige Struktur eine Feder (2) umfasst, die aus einem um den Innenbereich (3) gewundenen elektrisch leitfähigen Federmaterial gebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elastische Element (2) als elektrisch leitfähige
Struktur eine Schraub- oder Spiralfeder (2) aus Metall umfasst .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrisch leitfähige Struktur (16) Maschen (17) aufweist .
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elastische Element (16) als elektrisch leitfähi- ge Struktur (16) einen elastisch federnden Korb mit Maschen (17) aus metallischem Material umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (6) zwei relativ zueinander bewegliche Teile (10, 11; 18, 11) umfasst, die mit Abschnitten des elastischen Elements (2; 16) verbunden sind, die bei einer zu erfassenden Kraft- bzw. Drehmomenteinwirkung durch Verformung des elastischen Elements (2; 16) relativ zueinander bewegt werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der wenigstens einer der Teile (10; 18) des Sensors (6) an einem ersten Halter (4; 5) gehalten ist, der mit einer Angriffsstelle an dem elastischen Element (2; 16) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der auch der andere Teil (11) des Sensors (6) an einem zweiten Halter (4'; 5') gehalten ist, wobei die beiden Halter (4, 4'; 5,5') relativ zueinander beweglich und durch Verformung des elastischen Elements (2; 16) durch eine zu erfassende
Kraft bzw. ein zu erfassendes Drehmoment bewegbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Halter (4, 4 ' ; 5,5') einer Zwangsführung (15) unterliegen, so dass die Halter (4, 4'; 5,5') bei einer Verformung des elastischen Elements (2; 16) durch eine zu erfassende Kraft bzw. ein zu erfassendes Drehmoment eine vorgegebene Bewegung relativ zueinander ausführen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 1, bei der die Halter an- oder ineinander geführt sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor als ersten Teil einen Magneten (11) und als zweiten Teil einen Magnetfeldsensor (10) zur Erfassung des Feldes des Magneten, einer Änderung des Feldes des Magneten oder des durch den Magneten erregten magnetischen Flusses oder der erzeugten Flussänderung um- fasst .
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Erfassung eines Drehmoments, bei der der Sensor als ersten Teil einen Magneten (11) und als zweiten Teil ein für Richtungen des Magnetfelds empfindliches Sensorelement (18), vorzugsweise ein magnetore- sistives Sensorelement, umfasst.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elastische Element (2; 16) einen Anschlussbereich (14) aufweist, über den die elektrisch leitfähige Struktur (2; 16) mit einem Massepotential verbindbar ist.
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