DE10200409A1 - Wandlerkörper und Sensor zur Umwandlung einer Scherkraft oder eines Drehmomentes in ein elektrisches Signal - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist ein Wandlerkörper (41) bzw. ein Sensor zur Umwandlung einer an Drehmoment- oder Kraftaufnahmemitteln (1, 2, 7, 7', 16, 16', 23, 23', 24) des Wandlerkörpers anliegenden Scherkraft oder eines Drehmomentes in ein in Abhängigkeit von der Scherkraft oder dem Drehmoment beeinflußtes magnetisches Feld, wobei ferner der Wandlerkörper mindestens ein verformbares Material (3, 8, 17, 25, 25') umfaßt, welches sich nach Maßgabe der anliegenden Scherkraft oder des anliegenden Drehmomentes nach Art eines elastischen Materials verformt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandlerkörper gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Sensoren und Meßeinrichtungen zur Erfassung von Drehmomenten oder Kräften sind im Prinzip bekannt. Aus der DE-A 696 08 100 geht ein Leistungssensor hervor, welcher zur Bestimmung eines über ein Drehmomentglied übertragenes Drehmoment ge­ eignet ist. Eine Bestimmung des Drehmoment erfolgt durch sensorische Auswertung eines vom Drehmoment beeinflußten ma­ gnetischen Feldes, wobei das ein Magnetfeld erzeugende Ele­ ment ein magnetoelastisches Material ist, welches ferroma­ gnetische, magnetostriktive Aufnehmermittel aufweist, die direkt oder indirekt an einem Teil der Oberfläche eines Drehmomentglieds angebracht sind oder einen Teil derselben bilden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen besonders einfach aufgebauten Drehmoment- oder Kraft-Sensor anzugeben, welcher für die Anwendung in Kraftfahrzeug- Lenkungen besonders geeignet ist und zudem kostengünstig in großen Stückzahlen herstellbar ist. Des weiteren soll der angegebene Sensor ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Ge­ nauigkeit aufweisen.

Erfindungsgemäß wird daher ein Wandlerkörper zum Einsatz in einem Kraft- oder Drehmoment-Sensor gemäß Anspruch 1 vorge­ schlagen.

Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung liegt in der An­ wendung eines oder mehrerer elastischer Elemente, wie z. B. Reifengummikörper, welche sich durch die Drehmoment- oder Krafteinwirkung verformen, wobei der oder die elastischen Elemente durch Einbringen eines magnetisierten oder magneti­ schen Materials eine Permanentmagnetisierung aufweisen. Die Permanentmagnetisierung ist derart ausgebildet, daß der Gum­ mikörper als elektromechanischer Wandler und gleichzeitig wie ein zum Beispiel aus der Kraftfahrzeug-Raddrehzahl­ sensorik bekannter magnetischer Encoder nutzbar ist. Ein aus der Raddrehzahlsensorik bekannter Encoder weist in der Regel eine magnetische Maßverkörperung in Form einer regelmäßigen Folge von Nord-/Südpol-Paaren auf, so daß dieser in Verbin­ dung mit Hall-Effekt oder magnetoresistiven Sensoren zur Dreh- oder Winkelmessung nutzbar wird.

Die Erfindung betrifft auch einen Sensor gemäß Anspruch 11 mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement, welches das Magnetfeld vom zuvor beschriebenen Wandlerkörper sensorisch erfaßt.

Der erfindungsgemäße Sensor eignet sich besonders zur Erfas­ sung von Drehmomenten und Kräften im Maschinen und Anlagen­ bau, bevorzugt läßt sich dieses jedoch im Bereich der Kraft­ fahrzeugtechnik einsetzen. Besonders bevorzugt ist die Ver­ wendung des erfindungsgemäßen Sensors zum Einsatz in elek­ trischen Lenkungen, elektronischen Bremsen bzw. Bremsbetäti­ gungen etc. Wird im Anwendungsfall von Wellen neben dem Drehmoment auch die Drehzahl erfaßt, eignet sich der erfin­ dungsgemäße Sensor auch zur Leistungsmessung.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von eini­ gen Ausführungsbeispiele an Hand der Figuren.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Übersicht der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 Beispiele für Wandlerkörper nach der Erfindung,

Fig. 3 Beispiele für Drehmomentsensoren mit Wandlerkör­ pern gemäß Fig. 2,

Fig. 4 Wandlerkörper für Schermomenten und entsprechende Kraftsensoren und

Fig. 5 ein Beispiel für eine sensorische Anordnung mit elektronischer Signalverarbeitung.

In Fig. 1 ist Wandlerkörper 41 mit einer magnetischen Enco­ dierung 42 versehen. Encodierung 42 wird durch einen Magnet­ feldsensor 43 gelesen. Signalaufbereitung 44 ist mit Magnet­ feldsensor 43 zur Aufbereitung der durch diesen erzeugten Signale elektrisch verbunden. Die aufbereiteten Signale wer­ den dann an ein mit der Signalaufbereitung verbundenes elek­ tronisches Steuergerät 31 geleitet, wo die sensorischen Si­ gnale empfangen und verarbeitet werden. Steuergerät 31 ist bevorzugt eine elektronische Kontrolleinheit einer Kraft­ fahrzeugbremsanlage (ECU). Zur Steuerung der Bremsanlage sind in Steuergerät 31 insbesondere ein oder mehrere Mikro­ rechner integriert, mit dem/denen die Regelfunktionen und die Ein-/Ausgabe-Funktionen, welche für die Sensorik und Bremsenaktuatorik benötigt werden, durchgeführt werden kann/können.

Teilbilder a) und b) in Fig. 2 zeigen einen Wandlerkörper, welcher aus einem festen koaxialen Verbund aus Innenstab 1, Außenrohr 2 und Elastomerkern 3 besteht. Elastomerkern 3 bildet mit Rohr und Kern einen beispielgemäßen Meßwandler, welcher in Verbindung mit den in Fig. 3 dargestellten Drehmomentsensoren oder Kraftsensoren einen beispielgemäßen Sensor ergibt.

Außenrohr 2 kann beispielsweise aus einem Metall mit einer geringen Permeabilität bestehen. Kern 3 weist zwei in unter­ schiedliche Richtungen (N, S) magnetisierte Zonen 45, 46 auf, welche durch eine magnetisch neutrale Zone 9a voneinan­ der getrennt sind. Die neutrale Zone ist beispielsweise eine in die Tiefe des Elastomers ragende Fläche, welche sich da­ durch auszeichnet, daß die Magnetfeldlinien, welche durch die magnetisierten Zonen bzw. Areale erzeugt werden, senk­ recht durch die Fläche hindurchgehen. Die Lage der neutralen Zone auf der Kernoberfläche richtet sich nach dem durch den Magnetfeldsensor genutzten Effekt. Sie kann daher entweder entlang einer Grenzfläche zwischen einem in Nordrichtung und einem in Südrichtung magnetisierten Gebiet verlaufen oder aber auch, wie durch Linie 9' in Fig. 2a symbolisiert, in­ nerhalb eines in eine bestimmte Richtung magnetisierten Ge­ bietes verlaufen.

Als Elastomer für Kern 3 sind bevorzugt hochwertige Gummi­ massen, welche zum einen langlebig sind und zum anderen über die Lebensdauer des Produktes lediglich geringe Veränderun­ gen in deren Elastizitätseigenschaften zeigen. Entsprechende Elastomere werden beispielsweise zur Fertigung von Kraft­ fahrzeugreifen, insbesondere als Reifengummi, vielfach ein­ gesetzt. Unter dem Begriff "Elastomer" wird nach der Erfin­ dung ein nichtmetallisches, reversibel verformbares Material verstanden.

Die Magnetisierung des Elastomers wird bevorzugt durch Ein­ bringen von magnetisierten oder magnetischen Partikeln er­ zeugt. Hierzu kann zweckmäßigerweise pulverförmiges magneti­ sches Material verwendet werden. Es ist besonders zweckmä­ ßig, wenn das Pulver homogen im Gummimaterial verteilt ist.

Die magnetischen Partikel bestehen oder enthalten bevorzugt ein permanentmagnetisches Material, welches auf an sich be­ kannte Weise zur Herstellung von Dauermagneten eingesetzt wird. Einsetzbare permanentmagnetische Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke weisen an sich bekannte Zusammensetzun­ gen auf, wie zum Beispiel an sich bekannte Zusammensetzungen aus den Elementsystemen Fe/Sr, Nd/Fe/B oder Co/Sm.

Das in Kern 3 einmagnetisierte Nord-/Südpolmuster ist in der Weise eingebracht, daß im mechanisch unbelasteten Zustand gemäß Teilbild a) die neutrale Zone 9a zwischen den Polen als eine, zumindest im Bereich der Oberfläche, im wesentli­ chen gerade Linie verläuft. Mit Einwirkung eines Drehmomen­ tes (Pfeile 4 und 5) nimmt die Zone nach Maßgabe der Kraft einen s-förmig gekrümmten Verlauf 9b an.

Gemäß einem weiteren, nicht dargestellten Beispiel sind zu­ mindest in die Kernoberfläche mehrere Polpaare angeordnet.

In diesem Fall ist es möglich, mehrere Polpaare gleichzeitig in der beschriebenen Weise sensorisch zu nutzen.

Eine weitere Ausführungsform für einen Wandlerkörper zeigen Teilbilder c) und d). Zylinderförmiger Elastomerkern 8 ist zwischen zwei scheibenförmigen, gegeneinander drehbaren, Platten 7 und 7' angeordnet, welche mit Flanschen 6 und 6' verbunden sind. Kern 8 und Platten 7, 7' bilden einen mecha­ nisch festen Verbund, welcher zweckmäßigerweise durch eine stoffschlüssige Verbindung, die z. B. durch Vulkanisation, erzeugt werden kann. Kern 8 ist entsprechend der zuvor be­ schriebenen Ausführungsform in magnetischen Zonen magneti­ siert, so daß eine neutrale Zone 9c entsteht. Mit Aufbringen eines Drehmomentes M gemäß Teilbild d) erfährt neutrale Zone 9d eine Krümmung.

Teilbild e) zeigt eine Ausführungsform eines Wandlerkörpers, welcher sich dadurch auszeichnet, daß Flansche 6 und 6' mit­ tels eines Torsionsstabes 6a (z. B. eine Torsionsfeder aus Stahl) fest verbunden sind. Im Außenbereich der Flansche ist konzentrisch zu Stab 6a ein Gummikern 8a in Form eines Zy­ lindermantels angeordnet, welcher Stab 6a ringförmig um­ schließt. Kern 8a bildet mit Platten 7 und 7' einen mecha­ nisch festen Verbund. Das Richtmoment des Torsionsstabes und das des Kerns wird dabei so aufeinander abgestimmt, daß der magnetisch encodierte Gummikern durch die Richtwirkung des Torsionsstabs in seiner Funktion als Maßstabsverkörperung nicht wesentlich eingeschränkt wird. Hierdurch läßt sich er­ reichen, daß Torsionsstab 6a ein axiales Führungselement darstellt, wobei Kern 8a im wesentlichen das aufgebrachte Drehmoment aufnimmt.

Fig. 3 zeigt Beispiele für Drehmomentsensoren, welche unter Verwendung der zuvor beschriebenen Wandlerkörper hergestellt sind. Teilbilder 3a) und 3b) umfassen einen Wandlerkörper gemäß Teilbildern 2c) und 2d). Zur Abtastung des von Kern 8 des Wandlerkörpers erzeugten Magnetfelds sind sensorische Elemente 11, 11' in Halterfingern 12, 12' eingebettet, so daß diese beabstandet zu Kern 8 angeordnet sind. Halterfin­ ger 12, 12' sind mechanisch mit ringförmigen Sensorhal­ tern 10, 10' verbunden. Die elektrischen Anschlüsse der Sen­ sorelemente sind der Übersichtlichkeit halber nicht darge­ stellt. Sensorhalter 10, 10' liegen mechanisch fixiert auf Platten 7, 7' auf. Bei den eingesetzten sensorischen Elemen­ ten 11, 11' handelt es sich bevorzugt um magnetfeldempfind­ liche AMR-Elemente, welche auf an sich bekannte Weise das aufgenommene Magnetfeld in ein elektrisch weiterverarbeite­ tes Widerstandssignal umwandeln. Wird an Flansche 6 und 6' ein Drehmoment angelegt, verdrehen sich die mit den Flan­ schen verbundenen Sensorhalter gegensinnig, so daß das sen­ sorische Element des oberen Sensorhalters die Encoderverdre­ hung in der Nähe des unteren Flansches und zugleich das sen­ sorische Element des unteren Sensorhalters die gegenläufige Encoderverdrehung in der Nähe des oberen Flansches detek­ tiert.

Das weiter oben beschriebene magnetisierte Elastomer für den Kern kann z. B. durch Variation der Magnetisierungstiefe so ausgestaltet werden, daß an der Encoderoberfläche eine ge­ eignete magnetische Feldstärke von beispielsweise etwa 25 kA/m erreicht wird.

Der Meßbereich für das durch den erfindungsgemäßen Drehmo­ mentsensor meßbare Drehmoment wird im wesentlichen durch das Richtmoment des Wandlerelementes bestimmt, wobei das Richt­ moment das Moment dividiert durch den Auslenkungswinkel ist. Selbstverständlicherweise läßt sich das Richtmoment des Wandlerelements an den Meßbereich fachmännisch durch geeig­ nete Dimensionierung des Kerns an die gewünschten Anforde­ rungen anpassen.

Eine Anpassung der Meßempfindlichkeit des Sensors kann vor­ teilhafterweise durch Verschieben der bzw. des sensorischen Lesepunktes entlang der neutralen Zonen erfolgen. Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, daß die Auslenkung der neutra­ len Zone bei konstanter Last gemäß den Fig. 2b, 2d, 4c, 4 h vom Ort des Meßpunktes abhängt.

Bevorzugt werden als sensorische Elemente Sensorelemente eingesetzt, die auf die Richtung des magnetischen Feldstär­ kevektors reagieren.

Beispiele für geeignete magnetfeldempfindliche Sensorelemen­ te sind Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren. Bevor­ zugt werden gemäß der Erfindung Sensoren auf Basis des AMR-Effektes (anisotroper magnetoresistiver Effekt) eingesetzt. Werden AMR-Sensoren eingesetzt, so ist bevorzugt, Sensoren solchen Typs einzusetzen, bei denen die sensorische Struktur als Kombination zweier gegeneinander winkelverschobener Brückenstrukturen ausgebildet sind. Entsprechende AMR-Sensoren sind im Zusammenhang mit Präzisionswinkelmessungen bereits bekannt geworden (Fa. Philips, Data Handbook SC17/2001, Typ KMZ43).

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die magnetfeldempfindlichen Strukturen der magnetoresistiven Elemente so angeordnet, daß die senkrecht aus den Magnetpo­ len des Kerns (Encoder) austretenden Magnetfeldlinien paral­ lel durch eine Ebene verlaufen, welche die magnetoresistive Struktur trägt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die besagte Ebene senkrecht zur Oberfläche des Kernmantels auf­ gerichtet wird. Auf diese Weise wird nicht, wie bei einer parallel zum Encoder ausgerichteten Sensorfläche, das mit­ tensymmetrisch durch die Ebene rotierendes Starkfeld des ma­ gnetischen Encoders genutzt, sondern ein geometrisch exzen­ trisch rotierendes Schwachfeld des Encoders.

Gemäß Teilbild c) in Fig. 3 stehen ohne eine am Wandlerkör­ per anliegende Kraft (Ruhezustand) die Fingerelemente 14, und damit auch die beiden Sensorelemente 11, 11' bzw. 13, 13', jeweils der Oberflächenlinie der neutralen Zone 9c ge­ genüber. Im Ruhezustand sensieren beide Sensoren im Rahmen der üblichen Toleranz die gleiche Magnetfeldrichtung. Bei einem anliegenden Drehmoment wird Linie 9d gekrümmt, so daß jeweils eine Feldkomponente im magnetfeldempfindlichen Be­ reich des Sensors überwiegt. Die festgestellte Winkelabwei­ chung stimmt betragsmäßig bei beiden Sensorelementen über­ ein. Das Vorzeichen der festgestellten Winkelabweichung ist jedoch genau entgegengesetzt. Gegenüber der Verwendung nur eines Sensorelementes hat der Einsatz von zwei Sensoren den Vorteil, daß sich neben einer Verringerung des Meßfehlers auch eine erhöhte Betriebssicherheit ergibt.

Werden z. B. aus Gründen der Redundanz mehr als zwei Sen­ soren eingesetzt, so kann es sinnvoll und daher zweckmäßig sein, entlang der Kernoberfläche mehr als zwei Magnetpole anzuordnen, so daß sich die Anzahl der abtastbaren neutralen Zonen erhöht. Selbstverständlich ist es bei geeigneter Aus­ legung der Konstruktion ebenfalls möglich, daß einzelne neu­ trale Zonen von mehreren Sensoren abgetastet werden.

Teilbilder c) und d) von Fig. 3 zeigen einen Drehmomentsen­ sor, welcher den in den Fig. 2a und 2b dargestellten Wandlerkörper mit Außenrohr 2 umfaßt. Auch hier sind die sensorischen Elemente 13, 13' in Fingerhaltern 14, 14' ein­ gebettet, wobei der mit den Fingerhaltern verbundene Sensor­ halter 15 mit Innenstab 1 kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Wird Innenstab 1 gegenüber Außenrohr 2 durch Anlegen eines Drehmomentes verdreht, ergibt sich die bereits weiter oben beschriebene Krümmung der neutralen Zone 9c.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, daß neben den sen­ sorischen Elementen in die Sensorhalter zusätzlich jeweils elektronische Signalaufbereitungsstufen integriert werden. Weiterhin ist bevorzugt, daß die von den beiden Sensoren er­ zeugten elektrischen Signale S1(M) und S2(M) über Leitungs- bzw. Steckverbindungen 47, 47' der ECU zugeführt werden.

Die zuvor beschriebenen Wandlerelemente können wie nachfol­ gend beschrieben weitergebildet werden. Innenstab 1 und Flansch 6 können als Rohre ausgebildet sein. Gummikern 8 kann eine Durchführung aufweisen, z. B. zur Durchführung ei­ ner mechanischen Sicherungsverbindung bei Lenkstangenanwen­ dungen zwischen Flanschen 6 und 6'. Weiterhin kann es zweck­ mäßig sein, die Außenkonturen von Innenstab, Flansch und Au­ ßenrohr so auszubilden, daß eine formschlüssige Verbindung mit anderen Maschinenelementen vorgenommen werden kann. Eine entsprechend geeignete Außenkontur kann zum Beispiel sechs­ kantförmig oder bajonettartig geformt sein.

Fig. 4 zeigt Beispiele für erfindungsgemäße Kraftwandler (Teilbilder a) bis c)) und daraus hergestellte Kraftsensoren (Teilbilder d) bis h)). Das Funktionsprinzip entspricht wei­ testgehend dem zuvor beschriebenen Drehmomentsensor, aller­ dings wird die Verformung des elastischen Kerns durch Sche­ rung aufgrund einer lateralen Relativbewegung hervorgerufen. Dem weiter oben definierten Richtmoment entspricht bei dem erfindungsgemäßen Kraftsensor die sogenannte Richtkraft, welche die am Sensor anliegende Kraft dividiert durch den Auslenkungsweg ist. Auch hier kann die Richtkraft durch ge­ eignete Dimensionierung des Wandlerelements so angepaßt wer­ den, daß bei maximal zumessender Kraft die Auslenkung des Lesepunktes die Antennenbreite des magnetisch abtastenden Sensorelementes nicht überschreitet.

Der Kraftwandler in den Teilbildern a), b) und c) besteht aus einem festen blockförmigen Verbund aus den Metallplatten 16, 16' und magnetisiertem Elastomerkern 17, wobei es zweck­ mäßig ist, daß die Platten eine geringe Permeabilität besit­ zen. Elastomerkern 17 weist ein Nord-/Südpolmuster mit neu­ traler Zone 18 auf, welche in mechanisch unbelastetem Zu­ stand an der Kernoberfläche in Form einer im wesentlichen geraden Linie verläuft. Mit Aufbringen einer Scherkraft ge­ mäß Teilbild c) verformt sich Kern 17, so daß, vereinfacht betrachtet, die Oberflächenlinie 18 der neutralen Zone be­ züglich dem Ruhezustand in Teilbild b) eine Rotationsbewe­ gung ausführt.

Fig. 4d zeigt einen Kraftsensor in räumlicher Darstellung, in dem das zuvor beschriebenen Krafwandlerelement eingesetzt wird. Eine Aufsicht des Kraftsensors zeigt Fig. 4e. Zur Ab­ tastung des Magnetfeldes ist sensorisches Element 19 in ortsfest an Platte 16 montierte Fingerhalter 20 eingebettet. Platte 16 kann an einem Gehäuse 21 zur Aufnahme des Kraftsensors befestigt sein. An eine gegenüber dem Kern be­ festigte Platte 16' wird in einer ebenfalls mit Gehäuse 21 verbundenen Führung 22 (z. B. eine Schiene) verschiebbar ge­ führt. Unter Einwirkung der zu sensierenden Kraft verschiebt sich Platte 16', wodurch sich die weiter oben beschriebene Rotation der neutrale Zone 18 ergibt. Die Rotation der neu­ tralen Zone führt zu einer entsprechenden Rotation der das Magnetfeld beschreibenden Feldlinien, welche durch Magnet­ feldsensor 19 erfaßt wird. Neben der Kraftmessung läßt sich durch zusätzliche Bestimmung des Vorzeichens auch die Kraf­ trichtung bestimmen. Selbstverständlich kann es sinnvoll sein, an jeder Platte eine Führung vorzusehen, so daß auch Differenzkräfte zwischen relativ zueinander bewegten Maschi­ nenteilen bestimmt werden können.

Teilbilder f) bis h) von Fig. 4 zeigen eine Weiterbildung des Wandlerelementes bzw. Kraftsensors in symmetrischer Bau­ art mit zwei Elastomerkernen 25 und 25'. Teilbild g) zeigt das symmetrische Wandlerelement in Aufsicht. Zwischen den Platten 23, 23' und 24 sind die Kerne 25 und 25' angeordnet. Durch die doppelte Ausführung des Kerns entstehen zwei ge­ genüberliegende neutrale Zonen 26. Bei Aufbringen einer Kraft F auf die mittlere Platte 24 teilt sich die Gegenkraft an den außenliegenden Platten 23 und 23' auf die beiden Kraftkomponenten F/2 auf. Die Fingerhalter 28, 28' zur Auf­ nahme der Sensorelemente 27, 27' sind jeweils mit Platten 23, 23' verbunden, so daß in der bereits beschriebenen Weise die Größe der Krafteinwirkung sensorisch erfaßt werden kann.

In Fig. 5 ist schematisch eine Sensoranordnung mit elektro­ nischer Signalverarbeitungseinrichtung angegeben, mit der die auftretenden Magnetfeldänderung besonders hochauflösend erfaßt werden kann. Drehmomentsensor 29 ist stellvertretend für die in den Fig. 3 und 4 angegebenen Sensoren gezeich­ net. Fühler 30 erfaßt das Magnetfeld des Encoders 8 mittels eines im Fühler integrierten flächenförmigen Sensorelementes 32. Am Ausgang von Fühler 30 wird Ausgangssignal I_S, an einer zweiadrigen Stromschnittstelle bereitgestellt, welche mit Steuergerät 31 verbunden ist. Sensorelement 32 ist in der Ausführung als Kombination zweier gegeneinander winkelver­ schobener AMR-Teil-Brückenstrukturen A, B dargestellt. Ent­ sprechende Sensorelemente sind an sich bekannt. Teilbrücke A liefert ein sinusförmiges Signal 48 gemäß der Formel V_A = V_A(M) = f(α), welches über Leitung 49 an die Schaltungsein­ heit 33 weitergeleitet wird. Teilbrücke B erzeugt ein zu Si­ gnal 48 orthogonales cosinusförmiges Signal 50 gemäß der Formel V_B = V_B (M) = f(α). Anschließend werden Teilsignale 48, 50 in einer integrierten elektronischen Schaltungsein­ heit 33 in getrennten Kanälen SCS und SCC aufbereitet und Interpolatornetzwerk 34 zugeführt. Interpolatornetzwerk 34 berechnet elektronisch die Funktion arctan(V_A/V_B) mit ei­ ner Auflösung, welche dem Winkel Δα entspricht. Interpola­ tornetzwerk 34 erzeugt eine Impulskette 37 gemäß der Formel V_i = k.Δα und ein Statussignal 38 für das Vorzeichen nach der Formel SGN (Δα) = f(k.Δα). Jeder Impuls V_i ent­ spricht dann der Verdrehung um ein Winkelinkrement Δα als Folge eines Drehmomentes an Sensorelement 29. Signale 37 und 28 werden Modulatorstufe 35 zugeführt, die daraus ein Steu­ ersignal formt, welches eine Signalstromquelle 36 ansteuert. Signalstromquelle 36 erzeugt einen Signalstrom 39 (I_S), wel­ cher an einem entsprechenden Ausgang von Fühler 30 bereitge­ stellt wird. Das Muster des Signalstromes 39 besteht aus Pulsen zweier unterschiedlicher Amplituden 40 (I₂-I₁ bzw. I₃-I₁) mit einem Grundstrompegel (11). Die unterschied­ liche Amplitudenhöhe kennzeichnet die Verdrehrichtung des Drehmomentsensors.

Die Rekonstruktion des Drehmomentes wird innerhalb von Steu­ ergerät 31 durch kontinuierliches vorzeichenbehaftetes Sum­ mieren der eingehenden Signalpulse vorgenommen. Dies kann zweckmäßigerweise mittels einer Zähleinrichtung erfolgen. Alternativ kann an Stelle eines Stroms I_S auch eine entspre­ chend modulierte Spannung am Fühlerausgang bereitgestellt werden.

Die Meßempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensorelementes kann bevorzugt dadurch verbessert werden, daß eine Ortsan­ passung zwischen Sensorelement und Wandlerkörper vorgenommen wird. Hierzu wird der sensorische Lesepunkt entlang der neu­ tralen Zone so lange in Richtung der Drehachse verschoben, bis der Zustand erreicht ist, bei dem sich die Auslenkung der neutralen Zonen der Magnetisierung des Wandlerkörper un­ ter Vollast innerhalb der örtlich nutzbaren Antennenbreite des Sensorelementes bewegt.

Claims (18)

1. Wandlerkörper (41) zur Umwandlung einer an Drehmoment- oder Kraftaufnahmemitteln (1, 2, 7, 7', 16, 16, 23, 23',24) des Wandlerkörpers anliegenden Scherkraft oder eines Drehmomentes in ein in Abhängigkeit von der Scherkraft oder dem Drehmoment beeinflußtes magnetisches Feld, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wandlerkörper mindestens ein verformbares Material (3, 8, 17, 25, 25') umfaßt, wel­ ches sich nach Maßgabe der anliegenden Scherkraft oder des anliegenden Drehmomentes nach Art eines elastischen Materials verformt.

2. Wandlerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine verformbare Material ein Elasto­ mer ist.

3. Wandlerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus der Oberfläche des mindestens einen verformbaren Materials ein Magnetfeld austritt, dessen Feldlinienrichtung sich durch die besagte Verformung än­ dert.

4. Wandlerkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch eine Anordnung von magnetisier­ ten Bereichen im mindestens einen verformbaren Material hervorgerufen wird, welche insbesondere aus Nord- und Süd-polarealen (45, 46) gebildet sind.

5. Wandlerkörper nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Richtungsänderung des Magnetfeldes durch Verformung der Grenzfläche (9a, 9b, 9c, 9d, 18, 26) hervorgerufen wird, wobei die Grenzfläche in unter­ schiedliche Richtungen magnetisierte magnetische Areale (45, 46) voneinander abgrenzt.

6. Wandlerkörper mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldlinien durch mindestens ein in das oder die verformbaren Material/-ien eingebrachtes magnetisierbares oder magnetisiertes Material hervorgerufen werden.

7. Wandlerkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmoment- oder Kraftaufnahmemittel stoffschlüssig und/oder kraft­ schlüssig mit dem oder den elastischen Element/-en ver­ bunden sind, wobei die Drehmoment- oder Kraftaufnahme­ mittel so geformt sind, daß Drehmomente und/oder Scher­ kräfte auf das oder die verformbaren Material/-ien über­ tragen werden können, welche eine Scherverformung des elastischen Materials hervorrufen.

8. Drehmomentwandlerkörper nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das minde­ stens eine verformbare Material ein zylinderförmiger Kern mit (3, 8a) oder ohne (8) Aussparung in Achsennähe ist, welcher unter Einwirkung eines axial anliegenden Drehmoments (4, 5) eine Torsionsverformung erfährt.

9. Kraftwandlerkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine verformbare Material ein quaderförmiger Kern (17, 25, 25') ist, welcher unter Einwirkung einer Scherkraft, welche an Haltemitteln (16, 16',23, 23',24) anliegt, eine Scher­ verformung erfährt.

10. Kraftwandlerkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Scherkraft auf zwei quaderförmige Kerne (25, 25') mit einem zwischen den Kernen angeordneten Hal­ teelement (24) aufgeteilt ist.

11. Sensor (52), dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld des Wandlerkörpers (41) nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 10 von einem oder mehreren magnetfeldemp­ findlichen Sensorelementen (11, 11',13, 13', 19, 27, 27',32) sensorisch erfaßt wird, welche das erfaßte Magnetsignal in ein elektrisches Signal umwandeln.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Sensorelement ein magnetoresistives, insbesondere ein AMR- oder GMR-, Sensorelement ist.

13. Sensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Sensorelement an einem oder je­ weils einem Halterfinger (12, 12, 14, 14', 15, 20, 28, 28') befestigt ist, welcher insbesondere mit einem Drehmo­ ment- oder Kraftaufnahmemittel mechanisch fest verbun­ den ist.

14. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieses einen oder mehrere Fühler (30) umfaßt, wobei der Fühler ein Sensorelement (32) und eine elektronische aktive Sensorschaltung (33, 34, 35, 36) baulich zusammenfaßt und ein codiertes elektrisches Ausgangssignal (39) mit der Kraft- bzw. Drehmomentinformation an einer Schnittstelle, welche insbesondere zwei Leiter umfaßt, für ein elektronisches Steuergerät (31) bereitstellt.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom-/Spannungsversorgung des Fühlers durch ein an die Schnittstelle angeschlossenes Steuergerät (31) vorgenom­ men wird.

16. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zwei gegeneinander winkelverschobene AMR-Brückenstrukturen (A, B) umfaßt, wobei insbesondere deren beiden Teilbrücken in Kombination mit der Verformung des Wandlerkörpers zwei zueinander orthogonale elektrische Signale erzeu­ gen.

17. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Brücken­ strukturen in Signalaufbereitungsstufen (33) verstärkt und anschließend einem Interpolationsnetzwerk (34) zuge­ führt werden.

18. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß dieses einen Modulator (35) umfaßt, an den impulsförmige Steuersignale (37, 38) über­ tragen werden, und wobei der Modulator aus den impuls­ förmigen Steuersignalen weitere Steuersignale erzeugt, um eine Stromquelle (36) zu steuern, die daraufhin Strompulse (39) an ein Steuergerät (31) überträgt, wobei ein Impuls (40) ein Winkelinkrement repräsentiert und die Amplitude eines Impulses die momentane Bewegungs­ richtung angibt.