专利名称：具有转动角-索引-检测装置的转矩传感器布置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的传感器布置以及该传感器布置 在机动车中的使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于转矩传感器的、在功能上被扩展的传感器布置。根据本发明，该目的通过根据权利要求1的传感器布置实现。转矩传感器和转动角-索引装置优选集成在一共同的组件中。由此可以降低制造 成本和安装成本。特别地，转矩传感器和转动角-索引装置的传感元件和/或电子组件布 置在共同的印刷电路板上和/或共同的芯片上。转矩传感器和转动角-索引装置优选如此设计，即它们使用物理上彼此不同的传 感检测原理。特别地，转矩传感器利用磁编码器和至少一个磁场传感元件，而转动角-索引 装置使用光学编码器和光学传感元件。转矩传感器优选包括第一轴的第一轴部段和第二轴部段，这两个轴部段借助于扭 力杆彼此连接、并设计和布置为可相对于彼此转动，其中磁编码器布置在第一轴部段上、而 配设于该编码器的两个定子元件布置在第二轴部段上，定子元件分别具有突出的指状部。 特别地，定子元件分别具有软磁性环形件，所述环形件具有相对于第一轴沿轴向突出、并尤 其优选地基本上设计为梯形的指状部，其中两个定子元件的指状部无接触地彼此接合，且 两个定子元件共同地配设有至少一个磁场传感元件，借助于该磁场传感元件直接地或间接 地检测第一轴部段和第二轴部段之间的相对扭转角，由该扭转角推出作用于第一轴的转 矩。这种转矩传感器已证实是相对精确且可靠的。这种梯形指状部的设计已证明特别适合 用于磁场的相对精确的引导。这两个轴部段分别优选地设计为紧固于第一轴或扭力杆上的套筒。可选地，转矩传感器优选不包括扭力杆，而是设计成在基本上刚性的轴上检测转 矩，其中转矩传感器具有以下传感元件中的至少一个-应变计，-压电和/或压阻传感元件，-磁致伸缩传感元件，-基于表面波的应用的传感元件，其中该至少一个传感元件直接或间接地与第一轴连接和/或如此设计和布置，即 该至少一个传感元件可以检测作用于第一轴的转矩。特别地，该传感元件布置于可以实现 在轴上的简化安装的传感器载体模块上，其中该传感器载体模块布置在轴的凹部中或设计 为箔片的形式，该箔片布置在轴上或安置在轴上。该传感器载体模块尤其优选地设计和装 配入轴中和/或与轴连接，使得传感器载体模块由作用于轴上的转矩一致地偏转、和/或存 在于轴中的机械应力被传递至传感器载体模块，且至少一个传感元件检测该偏转和/或机 械应力。该传感器载体模块更尤其优选地如此设计，即该传感器载体模块无线地接收其电能供应，且无线地发送或传递信息。为此，该传感器载体模块具有例如一个RFID(无线射频 识别)芯片。转动角-索引装置优选具有索引编码元件以及配设于索引编码元件的索引传感 元件，其中索引编码元件或索引传感元件直接或间接地与第一轴连接且随之一起转动，且 相应的索引传感元件或索引编码元件相对于第一轴位置固定地且无接触地布置。特别地， 索引编码元件设计为可磁性或光学地检测和/或是导电的，其中索引传感元件包括至少一 个磁场传感元件和/或线圈或光学传感元件。特别优选地，索引编码元件设计为导磁或导 电的圆盘或部分圆盘——其基本垂直于第一轴的轴线地布置。可选地，索引编码元件特别 优选地设计为凸片或凸片元件或指状部或冲压件或其它位于体部中的编码——其中该体 部本身和/或索引编码设计为可磁性或光学地检测。可选地，索引编码元件优选设计为导 磁的穿孔圆盘或具有至少一个凹部的圆盘。术语“索引传感元件”优选理解为意味着“第一传感元件”和/或“第一磁场传感 元件”。“磁场传感元件”理解为意味着“磁电转换元件”，优选理解为“霍尔元件”或“磁阻 传感元件”。特别地，这种磁场传感元件具有集成的电信号处理电路。索引编码元件优选借助于载体元件紧固于第一轴上或转矩传感器的轴部段的一 个上。特别地，该载体元件基本上为环状。“索引编码元件”优选理解为一“索引段”，尤其是就索引段和索引传感元件或磁场 传感元件之间的相对扭转角来检测该索引段而言。优选地，借助于索引传感元件检测到或没有检测到该索引编码元件使得可以确定 在特定的时刻第一轴和固定参考点或索引传感元件之间的各相对扭转角是否位于限定的 索引范围内或限定的重叠区域内。有利地，索引编码元件设计为磁编码器，且转动角-索引装置具有两个导磁的导 板，导板将由索引编码元件产生或调制的磁场引导至索引传感元件，使得索引传感元件可 以由此检测索引编码元件，特别是就索引编码元件的可测长度和导板的长度而言相对于各 周界线位于限定的重叠区域内的索引编码元件。导板实现了使用相对较弱的磁体作为索引 元件，由此，传感器布置中的根据磁作用原理工作的其它传感器模块——例如可选的、下面 进一步描述的转矩传感器模块——尽可能小地被干扰。优选地，索引编码元件布置在转动角传感器模块的磁编码器上，特别是直接地或 间接地编码在该编码器的一个或多个磁道内。可选地，传感器布置优选不具有带有这种编 码器的转动角传感器模块。传感器布置优选具有包括至少一个交替地磁化的第二编码器的转矩传感器，两个 具有轴向突出且彼此接合的指状部的定子元件配设于该第二编码器，特别地，定子元件将 第二编码器的磁场借助于两个另外的金属采集板传导至第二磁场传感元件，以检测在轴部 段之间的转矩或作用于轴上的转矩。索引编码元件优选布置在转矩传感器的定子元件之一的凸缘上，和/或布置在另 外的编码器的凸缘上。由此可以相对简单且价廉地把索引编码元件紧固于第一轴上和/或 轴部段之一上。有利地，转动角-索引装置包括第一传感元件，尤其是第一磁场传感元件，且转矩传感器包括第二磁场传感元件。第一、第二磁场传感元件以及至少一个信号处理电路有利 地布置在一共同的印刷电路板上。优选地，就垂直于第一轴的面积而言，转动角-索引装置的导板具有不同大小的 面积，特别地，邻近转矩传感器的导板具有比其它导板更大的面积，由此为转矩传感器屏蔽 了磁索引编码元件的磁场。优选地，转矩传感器的定子元件借助于一共同的连接件——特别是由注塑塑料制 成的连接件——彼此连接。由此设定了两个定子元件彼此之间相对精确且固定的相对取 向。传感器布置优选包括一共同的壳体。转动角-索引装置优选根据如下检测原理之一设计-优选借助于叉形挡光板的测量在第一轴上直接地或间接地紧固一个光学凸片或标记作为索引编码元件，其随着 轴一起转动。一个特别是集成在传感器电子组件中的光学发射装置产生电磁波——其可选 地例如为可见光或不可见光，并朝光敏传感器装置的方向发送该电磁波。通过接收装置上 的光量检测该索引编码元件。该原理和转矩传感器的结合是尤其有利的，因为物理测量原 理是不同的。-优选借助于MR位移传感器的测量在第一轴上安置有利用交替磁极磁化的磁编码器。设计成利用限定的磁极长度来 工作的磁阻位移传感器用作读取装置。在位于索引位置时或当检测到索引段时，索引位置/ 索引段的磁极长度相对于其余的角度范围是不同的，从而测出位移传感器的桥接信号的幅
值变化。-借助于MR梯度传感器的测量是有利的在传感器芯片上于不同位置处安置两个磁阻结构，两个磁阻结构的各电阻器分别 成对地彼此串联地电连通。然后传感元件可识别作为索引编码元件与第一轴连接的磁标识 或磁索引，在此情形中可以补偿磁干扰场。例如，DE4436876描述了这种传感器设计。-优选借助于涡流传感器的测量由交流电供电的线圈组成一振荡电路。如果现在一作为索引编码元件的测量标志 在线圈前方移动，那么将在标志中感应生成涡流，根据法拉第感应定律该涡流产生了电磁 场，该电磁场反作用于励磁线圈的场并引起线圈阻抗的改变。-借助于RFID的测量是有利的在第一轴上安置作为电感负载(标签)的天线结构，该天线结构可以和收发装置 谐振。如果现在标签从收发装置旁边经过，则使电路谐振。基于无线RFID信号传输的传感 器和基于同样基础的索引传感器的组合是尤其有利的，因为可以以相同的制造方法实现如 天线结构和谐振电路等组件。基于不同的信号来区别传感器，因此可利用数字编码来传递 转矩信息，其中可以通过载体频率的幅值改变来明确地识别出测量到了索引。-借助于感应式接近开关/传感器的测量是优选的感应式接近开关的工作近似于涡流传感器，被供给以交流电且具有铁氧体磁芯的 线圈产生一交变场，该交变场由标识削弱并进而改变了线圈的性质/特性。-借助于轮速传感器的测量是有利的
轮速传感器的磁场的方向或开关型霍尔传感器(其具有辅助磁体)的磁场的通量 密度被标识改变，这可以由传感器记录。此外，本发明还涉及传感器布置在机动车中的应用，尤其是作为转矩传感器布 置一其具有转动角-索引-检测装置——的尤其优选地在机动车的转向系统中的应用。此外，本发明还有利地涉及一转向系统，该转向系统具有权利要求中所述的或如 上建议的传感器布置或传感器布置变型之一，其中第一轴与驱动装置、尤其是电动机或液 压伺服装置直接地或间接地机械地联接，从而使得驱动装置可导致第一轴的转动，其中传 感器布置包括一角度传感器，该角度传感器检测作为第二轴的、驱动装置的驱动轴的转动 角，其中角度传感器和驱动装置尤其如此地设计，即角度传感器可以在一次回转中绝对地 检测第二轴的转动角。
由从属权利要求、下述根据附图对实施例的描述以及由在本文中说明的特征的组 合得出其它优选的实施方式。示意性地示出图1，2为示例性的转动角-索引装置，图3为导板和索引编码元件之间的重叠区域，图4为示例性的传感器布置，包括转动角-索引装置和具有定子元件的转矩传感 器，定子元件的指状部配设给磁编码器，图5为导板相对于索引编码元件可选的相对布置，图6至8为可选的示例性实施方式，其包括图4中的具有相应的可选转动角-索 引装置的转矩传感器，图9为包括转矩传感器和转动角-索引装置的传感器布置，其中转矩传感器检测 刚性轴上的转矩，而转动角-索引装置包括RFID，图10为示例性的传感器布置，其使用了 RFID技术来传递转矩信息以及传递索引 信息，以及图11为具有光学叉形挡光板的转动角-索引装置的可选的示例性实施例。
具体实施例方式图1示出第一轴1，索引编码元件13借助于载体元件16紧固于第一轴上。根据示 例，第一磁场传感元件11检测磁场并进而通过检测磁场传感元件11的检测区域和索引编 码元件13的区域是否重叠来检测相对于索引编码元件13的相对位置。根据示例，在图2中，索引编码元件13作为偶极磁体借助于载体元件16紧固于第 一轴1上。两个导板15a、1 无接触地配设给索引编码元件13。当相对位置适当时，导板 15aU5b把索引编码元件13的磁场引导至第一磁场传感元件11。因此，索引编码元件13 只需产生具有相对较小的通量密度的磁场。在图3中示例性地示出例如设计为永磁体的索引编码元件13和13’与配设于第 一磁场传感元件11的导板1 和1 之间的重叠区域U。在此，导板1 较大，且比导板 15b覆盖更大的角度范围。第一磁场传感元件11在重叠区域U中检测索引编码元件13或13’。导板15a的较大设计用于为其它传感器布置模块——尤其是转矩传感器——屏蔽索 引编码元件13的磁场。图4示出具有转矩传感器2的传感器布置的示例性实施例，该传感器布置包括交 替磁化的编码器7、两个定子元件8a、8b、配设于定子元件的金属采集板18a、18b和第二磁 场传感元件14，借助于该第二磁场传感元件14检测磁编码器7的磁场，根据作用于第一轴 1的转矩通过定子元件8a、8b调制该磁场。定子元件8a、8b分别由导磁材料制成，金属采 集板18a、18b也是一样，其中定子元件8a、8b分别具有环形件10以及设计为梯形的指状部 9，所述指状部沿第一轴1的轴向从环形件突出并彼此面对且彼此接合。此外，传感器布置 具有转动角-索引装置3，该转动角-索引装置3与转矩传感器2 —起形成一共同的、一体 的组件。转动角-索引装置3包括设计为永磁体的索引编码元件13，该索引编码元件13布 置在定子元件之一 8b的凸缘19上。导板15a、Mb将索引编码元件13——其设计为偶极 磁体——的磁场引导至第一磁场传感元件11。第一磁场传感元件11和第二磁场传感元件 14布置在一共同的电子印刷电路板上。传感器布置具有共同的壳体21——其例如由塑料 制成，插头22集成在壳体中。第一轴例如包括第一轴部段4和第二轴部段5，它们通过未示 出的扭力杆彼此连接。在此，磁编码器7例如布置在第一轴部段4上，而定子元件8a、8b布 置在第二轴部段5上。转动角-索引装置3同样布置在第二轴部段5上。在上述传感器布置的一个未示出的、可选的示例性实施例中，转动角-索引装置 如此设计，即其不具有导板，取而代之的，索引传感元件和索引编码元件彼此之间的间距明 显要小得多。在未示出的实施例中，这通过如下方式解决，即环形的索引编码元件具有相对 于图4来说显著较大的外半径，并进而直接朝第一磁场传感元件或索引传感元件突出，直 到与之隔开一相对较小的气隙。图5示出设计为偶极磁体的索引编码元件13相对于导板15a、15b和第一磁场传 感元件11的相对布置的可选的实施例。导板15a、1 不是从正面而主要从侧面配设于索 引编码元件13。图6示例性地示出具有可选的转动角-索引装置3的传感器布置，其中第一磁场 传感元件或索引传感元件11设计为通以交流电并被相应地激励的线圈，索引编码元件13 配设于该线圈，且例如作为钢制凸轮布置在第一轴1的载体元件16上。在此情形中，第一 磁场传感元件11检测比较当钢制凸轮13与传感元件相面对地布置时和当钢制凸轮13转 动离开传感元件时该轴的磁路的导磁率的变化。在未另外地示出的实施例中，索引编码元件设计为导电的指状部或区段或凸片， 通过线圈11在其中产生涡流，当线圈11位于相面对的位置时，该涡流再次影响线圈11或 在线圈11中感应出一电压，由此，线圈11和指状部13之间的彼此相面对的布置或相应地 限定的相对位置被识别为限定的转动角或转动角范围。基于涡流传感装置的转矩传感器 和转动角-索引装置的组合是有利的，因为可以忽略由电磁场的大的频率差引起的相互影 响。在图7a)至c)中，示例性的转动角-索引装置3和已经根据图4描述的转矩传感 器一起集成为一个共同的组件，该组件包括作为第一传感装置或索引传感装置11的轮速 传感器，该轮速传感器具有沿箭头方向磁化的永磁体23以及磁阻传感元件M。在此，布置 在第一轴1上的环形的索引编码元件13配设于该索引传感装置11，该索引编码元件13由导磁材料形成且具有两个环(Kulissen) 25J6，在图7的b)、c)中说明了环25、26的设计 和定向以及由环影响的磁场分布。根据环25 J6相对于彼此的设计，磁场被向右或向左偏 转，这由传感元件M检测到。例如，通过根据图7b)的环25 J6相对于彼此的设计来编码 转动角-索引装置的限定的转动角范围，其中根据图7b)，环形索引编码元件13的环25、26 的其它区域设计为相对于一圆周线围绕第一轴1。根据图8a)至c)，可选的、示例性的转动角-索引装置3和已经根据图4描述的转 矩传感器一起集成为一个共同的组件，该组件的第一传感装置或索引传感装置11包括一 磁场传感元件，该磁场传感元件具有数个朝向彼此不同的敏感结构27。所述敏感结构27设 计或布置为基本上沿着检测方向或磁场传感元件内的环形索引编码元件13的运动的切线 方向。通过穿过所述敏感结构的短划线来说明这些结构的朝向——即其敏感的检测方向。 沿其在图8b)中展开示出的编码器轨道，索引编码元件13具有多个磁极对，除了索引段17 的磁极长度外，所述磁极对分别具有限定的相等长度。根据图8c)说明磁场传感元件的输 出信号的结果幅值A。通过相对于其它角度范围明显不同的幅值来识别索引段17，并进而 识别限定的转动角或转动角范围。已证明，这种具有不同的敏感结构27的布置在测量技术 上是特别稳健可靠的。图9示出包括转矩传感器和转动角-索引装置的示例性的传感器布置，其中转矩 传感器检测作用于刚性轴(其为第一轴1)上的转矩，而转动角-索引装置包括RFID。根 据示例，为了检测转矩，第一轴1不具有扭力杆，而是借助于传感元件检测作用于轴上的转 矩，该传感元件集成在布置于传感器载体模块观上的RFID芯片四中，其实现了在轴上的 简化安装。传感器载体模块观布置在轴的凹部中且装配在轴上。例如如此设计该传感器 载体模块观，即该传感器载体模块观无线地接收其电能供应并无线地发送或传递信息。在 此，RFID芯片四包括转矩传感器的传感元件、索引编码元件和电子信号处理电路。供应电 能，且转矩信息借助于第一天线30传递，其中作为索引传感元件的转动角-索引装置具有 附加第二天线31。RFID芯片四和第二天线31之间的索引信息利用显著不同的频率无线 地传送，其中适当地设计为此所需要的组件。如图10所示，示例性地进一步改进根据图9描述的实施例。在图IOc)中示出两 个冠状天线32a、32b，其中一个32b与装配在第一轴1中的传感器载体模块28上的RFID芯 片四连接。借助于所述冠状天线对RFID芯片20进行电能供应以及进行转矩信息传递。在 该传感器布置中，转动角-索引装置包括所述两个冠状天线，通过将两个冠状天线设计为 几何形状基本上相同且具有缺口 33、并且通过当两个缺口彼此相面对时识别出或检测出限 定的转动角或转动角范围，一个天线32b用作索引编码元件，而另一个天线3 用作索引传 感元件。由此减少了联接，如图IOb)中示出的，这可根据输出信号幅值确定。根据示例，如此设计和布置两个冠状天线32a、32b，使得其绕第一轴1地接合，并 具有一个或多个绕组，所述绕组设计为几何形状基本全等且呈圆环段或马蹄铁的形状并分 别具有限定的缺口 33。图11示出转动角-索引装置的可选的实施例，该转动角-索引装置具有作为索引 编码元件的光学可测的凸片13，该凸片13布置在第一轴上且借助于作为索引传感元件11 的叉形挡光板检测。该叉形挡光板在此具有光学发射装置34，该发射装置例如可选地发射 可见或不可见的电磁波，电磁波由光学传感装置35检测，此外，凸片13布置在发射装置34和传感装置35之间，这识别限定的角度或角度范围或索引/索引范围。
权利要求
1.一种传感器布置，所述传感器布置包括用于测量作用于第一轴(1)的转矩的转矩传 感器O)，其特征在于，所述传感器布置具有转动角-索引装置(3)，所述转动角-索引装置 (3)设置为能够检测和/或识别所述第一轴(1)相对于一限定的转动角和/或限定的转动 角范围的角位置。
2.根据权利要求1所述的传感器布置，其特征在于，所述转矩传感器( 和所述转动 角-索引装置(3)集成在一共同的组件中。
3.根据权利要求1或2所述的传感器布置，其特征在于，所述转矩传感器( 和所述转 动角-索引装置(3)如此地设计，即它们使用物理上彼此不同的传感检测原理。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的传感器布置，其特征在于，所述转矩传感器 (2)包括所述第一轴(1)的第一轴部段(4)和第二轴部段(5)，所述两个轴部段借助于扭力 杆彼此连接、并设计和布置为能够相对于彼此转动，其中在所述第一轴部段(4)上布置有 磁编码器(7)并在所述第二轴部段( 上布置有两个配设于所述磁编码器(7)的、并分别 具有突出的指状部(9)的定子元件(8a、8b)。
5.根据权利要求4所述的传感器布置，其特征在于，所述定子元件(8a、8b)分别具有软 磁性的环形件(10)，所述环形件具有相对于所述第一轴(1)沿轴向突出的、并特别设计为 基本上呈梯形的指状部(9)，其中所述两个定子元件的指状部无接触地彼此接合，且至少一 个磁场传感元件(14)共同地配设于所述定子元件(8a、8b)，借助于所述磁场传感元件直接 地或间接地检测所述第一轴部段(4)和第二轴部段( 之间的相对扭转角，由所述扭转角 推出作用于所述第一轴(1)的转矩。
6.根据权利要求1至3中至少一项所述的传感器布置，其特征在于，所述转矩传感器 (2)不包括扭力杆，其中所述转矩传感器( 具有以下传感元件中的至少一个-应变计，-压电和/或压阻传感元件，-磁致伸缩传感元件，-基于表面波的应用的传感元件，其中所述至少一个传感元件直接或间接地与所述第一轴(1)连接和/或如此地设计和 布置，即所述至少一个传感元件能够检测作用于所述第一轴的转矩。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的传感器布置，其特征在于，所述转动角-索引 装置C3)具有索引编码元件(1 以及配设于所述索引编码元件的索引传感元件(11)，其中 所述索引编码元件或所述索引传感元件直接或间接地与所述第一轴(1)连接且随之一起 转动，且相应的索引传感元件(11)或索引编码元件(1 相对于所述第一轴位置固定地且 无接触地布置。
8.根据权利要求7所述的传感器布置，其特征在于，所述索引编码元件(1 设计为可 磁性或光学地检测和/或是导电的；所述索引传感元件(11)包括至少一个磁场传感元件和 /或线圈或光学传感元件。
9.根据权利要求7或8所述的传感器布置，其特征在于，所述索引编码元件(1 设计 为磁编码器，且所述转动角-索引装置C3)具有两个导磁的导板(1如、1恥)，所述导板将由 所述索引编码元件(1 产生或调制的磁场引导至所述索引传感元件(11)；所述索引传感 元件能够由此检测所述索引编码元件，特别是就所述索引编码元件的可测长度和所述导板(15aU5b)的长度而言以相应的周界线为基准位于限定的重叠区域(U)内的索引编码元 件。
10.根据权利要求1至9中至少一项所述的传感器布置在机动车中的应用。
全文摘要
一种传感器布置，包括用于测量作用于第一轴(1)的转矩的转矩传感器(2)，其中所述传感器布置具有转动角-索引装置(3)，所述转动角-索引装置(3)设置为可检测和/或识别第一轴(1)相对于一限定的转动角和/或限定的转动角范围的角位置。
文档编号G01L3/24GK102099663SQ200980127369
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者H·安东尼, K·林克, W·弗利茨 申请人:大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司