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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer
Kraft und/oder eines Drehmoments, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.
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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.
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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.
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Die
genannten Vorrichtungen werden daher häufig durch zusätzliche
elektrische Folien oder Bleche abgeschirmt. Diese zusätzlichen
Folien oder Bleche erfordern jedoch einen erhöhten Aufwand bei der Herstellung
der Vorrichtungen und erhöhen
die Komplexität
der Vorrichtung.
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Die
US 6,087,598 A offenbart
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft. Diese Vorrichtung weist
ein elastisches Element auf, das durch die Kraft verformbar ist.
Die Vorrichtung weist weiterhin einen Sensor zu Erfassung einer
durch die Kraft erzeugte Verformung des Elementes unter Bildung
von elektrischen Signalen auf. Dabei ist der Sensor im Innenbereich
des elastischen Elementes angeordnet.
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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.
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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
Signalen, wobei der Sensor in dem Innenbereich des elastischen Elements
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.
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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 Ankoppelstellen, 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.
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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.
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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.
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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 Einsatzzweck 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.
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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.
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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.
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Da
eine zusätzliche
Abschirmung entfallen kann, benötigt
die Vorrichtung insgesamt einen kleineren Bauraum als bekannte Vorrichtungen.
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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.
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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 teilweise abzuschirmen.
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In
beiden Fällen
erfolgt die Auslegung der Strukturen entsprechend der Auslegung
der elektrisch leitfähigen
Struktur.
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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. Vorzugsweise 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.
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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
Detektionsbereich für
die Kräfte
bzw. Drehmomente angepasst werden.
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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.
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Eine
besonders gute Abschirmung wird erreicht, wenn die elektrisch leitfähige Struktur
Maschen aufweist. Die Struktur kann dann elektrisch wie ein Faradayscher
Käfig wirken.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Zwangsführung,
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.
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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 Relativbewegung oder Relativlage
der Teile zueinander ermöglicht.
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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 unbedingt
notwendig ist.
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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
brauchen. 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.
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Insbesondere
zur Erfassung eines Drehmoments erweist es sich als vorteilhaft,
wenn der Sensor als ersten Teil einen Magneten 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 auftreten können, besonders
empfindlich und damit genau erfassen können.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird im Folgenden noch weiter beispielhaft anhand der
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung einer Kraft,
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2 eine
schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Erfassung
einer Kraft, und
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3 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments.
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In 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.
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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 Zeichnung 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.
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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 elastischen 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.
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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.
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Die
Halter 4 und 5 sind bis auf Aufnahmen für Teile
des Sensors 6 gleich ausgebildet und weisen an den einander
zugewandten 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.
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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 Elements 2 verläuft und
eine Bewegung des Magneten 11 relativ zu dem Hall-Sensor 10 durch
diesen erfassbar ist.
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Der
Hall-Sensor 10 verfügt
in diesem Ausführungsbeispiel
bereits über
eine Auswerteeinrichtung, die Signale eines Hall-Elements des Hall-Sensors 10 verarbeitet
und verstärkt.
Signale des Sensors 6 können über eine
in dem Halter 4 geführte
Signalleitung erfasst werden.
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Bei
Einwirkung einer Kraft zwischen den Haltern 4 und 5 werden
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 entsprechende Detektionssignale abgibt.
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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 kompakter Aufbau.
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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.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
in 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 ersetzt 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.
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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.
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Alle
anderen Teile sind gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel
unverändert.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
in 3 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend,
dass nun die Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments ausgebildet
ist.
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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.
Ankoppelpunkten 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.
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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 magnetoresistives 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'.
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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.
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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 entsprechendes
Detektionssignal ausgibt.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- elastisches
Element
- 3
- Innenbereich
- 4,
4'
- Halter
- 5,
5'
- Halter
- 6
- Sensor
- 7
- Ankoppelstelle
- 8
- Ankoppelstelle
- 9,
9'
- Ausnehmungen
- 10
- Hall-Sensor
- 11
- Magnet
- 12,
12'
- Aufnahme
- 13,
13'
- Aufnahme
- 14
- Masseanschluss
- 15
- Lagerzapfen
- 16
- elastisches
Element
- 17
- Maschen
- 18
- magnetoresistives
Sensorelement