DE102008006865B4

DE102008006865B4 - Induktiver Drehmomentsensor

Info

Publication number: DE102008006865B4
Application number: DE102008006865.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Diekmann Jörg; Roman Schamme
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: WO2009095442A1; DE102008006865A1; EP2240751A1; US8453518B2; US20100319467A1

Abstract

Induktiver Drehmomentsensor (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend
- mindestens eine Erregerspule,
- mindestens eine Oszillatorschaltung, die mit der Erregerspule gekoppelt ist und während des Betriebs ein periodisches Wechselspannungssignal in die Erregerspule einkoppelt,
- eine Statorleiterplatte (2) mit einem ersten Empfängermittel (20) und einem zweiten Empfängermittel (21), die jeweils eine Anzahl sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen aufweisen,
- mindestens zwei Rotoren (3, 4), die relativ zueinander und relativ zur Statorleiterplatte (2) verdrehbar sind und die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängermitteln (20, 21) beeinflussen,
- Auswertemittel, die zur Auswertung der in den Empfängermitteln (20, 21) induzierten Signale geeignet sind,
- wobei der erste Rotor (3) an einem ersten Ende eines Torsionselements (6) und der zweite Rotor (4) an einem zweiten Ende des Torsionselements angeordnet ist, welches dem ersten Ende gegenüberliegt,
- wobei die Statorleiterplatte (2) zwischen den beiden Rotoren (3,4) angeordnet ist und an ihren den beiden Rotoren (3, 4) zugewandten Seiten jeweils eines der Empfängermittel (20, 21) aufweist,
- wobei das erste Empfängermittel (20), das dem ersten Rotor (3) zugeordnet und diesem zugewandt ist, eine Anzahl N sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen aufweist,
- wobei das zweite Empfängermittel (21), das dem zweiten Rotor (4) zugeordnet und diesem zugewandt ist, eine Anzahl M sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen aufweist,
- wobei die Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels (20) und die Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels (21) zueinander in einem ganzzahligen Verhältnis stehen, nämlich im Verhältnis 2 : 1,
- wobei der erste Rotor (3) eine Anzahl N' von Rotorsegmenten aufweist, wobei die Anzahl N' der Rotorsegmente des ersten Rotors (3) der Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels (20) entspricht,
- wobei der zweite Rotor (4) eine Anzahl M' von Rotorsegmenten aufweist, wobei die Anzahl M' der Rotorsegmente des zweiten Rotors (4) der Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels (21) entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Drehmomentsensor, umfassend mindestens eine Erregerspule, mindestens eine Oszillatorschaltung, die mit der Erregerspule gekoppelt ist und während des Betriebs ein periodisches Wechselspannungssignal in die Erregerspule einkoppelt, eine Statorleiterplatte mit einem ersten Empfängermittel und einem zweiten Empfängermittel, die jeweils eine Anzahl sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen aufweisen, mindestens zwei Rotoren, die relativ zueinander und relativ zur Statorleiterplatte verdrehbar sind und die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängermitteln beeinflussen, sowie Auswertemittel, die zur Auswertung der in den Empfängermitteln induzierten Signale geeignet sind.
In neuartigen Lenksystemen von Kraftfahrzeugen werden die bisher üblicherweise eingesetzten hydraulischen Servolenkungen sukzessive durch elektrisch angetriebene Servolenkungen ersetzt. Dafür sind geeignete Drehmomentsensoren notwendig, die das Lenkmoment erfassen können. Das Lenkmoment wird üblicherweise durch die Verdrehung (Torsion) eines bestimmten Abschnitts der Lenksäule bestimmt, in dem ein Torsionselement angeordnet ist. Dabei wird die Torsion zweier Lenksäulenabschnitte relativ zueinander gemessen, ohne dass die absolute Winkelposition der Lenksäule gegenüber dem Fahrzeug bestimmt werden muss.
Die aus dem Stand der Technik bekannten induktiven Drehmomentsensoren, die zur Bestimmung des Lenkmoments geeignet sind, messen die Verdrehung innerhalb der Lenksäule im allgemeinen mit Hilfe von Sensormitteln, die zweigeteilt ausgeführt sind. Beide Teile verdrehen sich unter dem Einfluss eines Torsionsmoments relativ zueinander und drehen sich insgesamt bei der Lenkbewegung mit. Zur Kontaktierung zumindest eines Teils des Sensormittels ist eine bewegliche Kontaktierung erforderlich, die eine so genannte Wickelfeder umfasst. Aus konstruktiven Gründen ist es wünschenswert, auf eine derartige Wickelfeder verzichten zu können.
Aus der GB 2 426 591 A ist ein Drehmomentsensor mit zwei konzentrisch ineinander verschachtelten Rotoren bekannt, die wiederum konzentrisch innerhalb einer kreisrund aufgerollten Statorleiterbahn angeordnet sind. Dabei sind die beiden Rotoren an zwei getrennten Wellen und nicht an entgegengesetzten Enden eines Torsionselements angeordnet.
In der EP 1 312 889 A2 wird ein induktiver Winkelsensor mit einem Stator, der zwei in einer Ebene liegende Empfangsspulen aufweist, beschrieben, wobei die beiden Empfangsspulen einem Rotor mit zwei in einer Ebene liegenden Einzelrotoren zugewandt sind.
Aus der DE 10 2004 056 049 A ist ein induktiver Drehmomentsensor (Ausführungsbeispiel gemäß 10) bekannt, wobei dieser Sensor zur Ermittlung der Torsion zwischen zwei Wellenstücken ausgebildet ist, auf denen jeweils ein Rotorelement angeordnet ist. Die Rotorelemente sind innerhalb eines Statorelements drehbar, wobei das Statorelement als Ringelement ausgebildet ist und eine einzige Empfängerspule aufweist.
Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, die absolute Winkelposition beider Lenksäulenabschnitte gegenüber dem Fahrzeug zu messen und die für das Lenkmoment relevante Torsion aus der Differenz zweier Absolutwinkelpositionen zu bestimmen.
Ein Drehmomentsensor der eingangs genannten Art ist zum Beispiel aus der deutschen Patentanmeldung DE 199 41 464 A1 bekannt. Dabei sind zwei Empfängerspulensätze mit unterschiedlichen Winkelperiodizitäten, die in einem nichtganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, näherungsweise in einer Ebene angeordnet. Ein erster Rotor des induktiven Drehmomentsensors ist an einem Ende eines Torsionselements angeordnet und ein zweiter Rotor ist am gegenüberliegenden Ende des Torsionselements angeordnet. Das Drehmoment kann durch eine Differenzbildung der gemessenen Winkel bestimmt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Anwendung des Differenzwinkelverfahrens bei der in der vorstehend genannten Druckschrift beschriebenen Sensoranordnung unter Umständen fehlerträchtig sein kann und so das Messergebnis nachteilig beeinflussen kann, da sich die (näherungsweise) in einer Ebene angeordneten Empfängermittel gegenseitig beeinflussen. Die Messergebnisse sind daher häufig mit einem großen Messfehler behaftet.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Drehmomentsensor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem die erreichbare Messgenauigkeit bei der Differenzbildung der gemessenen Winkelgrößen erhöht werden kann und der Aufwand für die Bestimmung des Drehmoments verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen induktiven Drehmomentsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer induktiver Drehmomentsensor zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, dass die Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels und die Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels zueinander in einem ganzzahligen Verhältnis stehen. Überraschend hat es sich gezeigt, dass die Messfehler bei den Differenzwinkelmessungen auf Grund des ganzzahligen Verhältnisses der Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels zur Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels (lediglich gleich dürfen die Anzahlen der Empfängerstrukturen der beiden Empfängermittel nicht sein) verringert werden können. Dadurch können mögliche Fehlereinflüsse in besonders vorteilhafter Weise nicht nur über einen vollen Kreis (360°) sondern bereits bei viel kleineren Drehwinkeln minimiert werden. Vorzugsweise sind die Empfängerstrukturen des ersten und/oder des zweiten Empfängermittels als Empfängerspulen ausgebildet, die jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur umfassen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels zur Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels in einem Verhältnis 2 : 1 steht. Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei einem derartigen Verhältnis die erzielbare Messgenauigkeit besonders hoch ist und die Messfehler entsprechend klein sind.
Erfindungsgemäß weist der erste Rotor eine Anzahl N' von Rotorsegmenten auf. Die Anzahl N' der Rotorsegmente des ersten Rotors entspricht dabei der Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels.
Darüber hinaus weist auch der zweite Rotor eine Anzahl M' von Rotorsegmenten auf. Die Anzahl M' der Rotorsegmente des zweiten Rotors entspricht dabei der Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels.
Die Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels können zum Beispiel eine Winkelperiodizität von 15° oder 20 ° aufweisen. Die Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels können eine Winkelperiodizität von 30° oder 40° aufweisen.
Es besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform weiterhin die Möglichkeit, dass die Rotorsegmente des ersten Rotors eine Winkelperiodizität von 15° oder 20° aufweisen. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Rotorsegmente des zweiten Rotors eine Winkelperiodizität von 30° oder 40° aufweisen.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines induktiven Drehmomentsensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ein induktiver Drehmomentsensor 1, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, umfasst eine Statorleiterplatte 2 sowie einen ersten Rotor 3 und einen zweiten Rotor 4, wobei die Statorleiterplatte 2 zwischen den beiden Rotoren 3, 4 angeordnet ist. Die beiden Rotoren 3, 4 sind relativ zueinander und relativ zur Statorleiterplatte 2 verdrehbar. Darüber hinaus weist der induktive Drehmomentsensor 1 eine hier nicht explizit dargestellte Erregerspule sowie eine ebenfalls nicht explizit dargestellte Oszillatorschaltung auf, die während des Betriebs des induktiven Drehmomentsensors 1 ein periodisches Wechselspannungssignal erzeugt und in die Erregerspule einkoppelt.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der induktive Drehmomentsensor 1 für eine Bestimmung des Lenkmoments einer Lenksäule 5 eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Lenksäule 5 weist einen ersten Lenksäulenabschnitt 50 und einen zweiten Lenksäulenabschnitt 51 auf, zwischen denen sich ein Torsionselement 6 (Drehfederelement) erstreckt. Das Lenkmoment wird durch die Verdrehung (Torsion) des Bereichs der Lenksäule 5 bestimmt, in dem das Torsionselement 6 angeordnet ist. Dabei wird die Torsion der beiden Lenksäulenabschnitte 50, 51 relativ zueinander gemessen, ohne dass die absolute Winkelposition der Lenksäule 5 gegenüber dem Fahrzeug bestimmt werden muss.
Der erste Rotor 3 ist an einem ersten Ende des Torsionselements 6 angeordnet und der zweite Rotor 4 ist an einem zweiten Ende des Torsionselements 6 angeordnet, welches dem ersten Ende gegenüberliegt.
Die Statorleiterplatte 2 weist an ihren den beiden Rotoren 3, 4 zugewandten Seiten jeweils ein Empfängermittel 20, 21 auf. Ein erstes Empfängermittel 20, das dem ersten Rotor 3 zugeordnet und diesem zugewandt ist, weist eine Anzahl N sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen auf. Ein zweites Empfängermittel 21, das dem zweiten Rotor 4 zugeordnet und diesem zugewandt ist, weist eine Anzahl M sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen auf, wobei das Verhältnis der Anzahl der Empfängerstrukturen N des ersten Empfängermittels 20 zur Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels 21 ganzzahlig ist. Die Anzahl der Empfängerstrukturen N des ersten Empfängermittels 20 darf allerdings nicht mit der Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels 21 identisch sein.
Erfindungsgemäß ist das Verhältnis N : M = 2 : 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Empfängerstruktur des ersten Empfängermittels 20 eine Winkelperiodizität von 15° auf. Die Empfängerstruktur des zweiten Empfängermittels 20 weist eine Winkelperiodizität von 30° auf. Die Empfängerstruktur des ersten Empfängermittels 20 kann beispielsweise auch eine Winkelperiodizität von 20° aufweisen. Die Empfängerstruktur des zweiten Empfängermittels 20 weist dann bei einem Verhältnis N : M = 2 : 1 eine Winkelperiodizität von 40° auf. Die beiden Empfängermittel 20, 21 sind vorzugsweise als Empfängerspulen ausgeführt, die jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aufweisen, welche die Empfängerstruktur des jeweiligen Empfängermittels 20, 21 bildet.
Die beiden Rotoren 3, 4 dienen als drehbare induktive Koppelelemente, die bei ihrer Verdrehung die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerstrukturen der ihnen zugeordneten Empfängermittel 20, 21 beeinflussen. Der erste Rotor 3 weist eine Anzahl N' von Rotorsegmenten mit derselben Winkelperiodizität wie die ihm zugeordnete Empfängerstruktur des ersten Empfängermittels 20 auf. Entsprechend weist auch der zweite Rotor 4 eine Anzahl M' von Rotorsegmenten mit derselben Winkelperiodizität wie die ihm zugeordnete Empfängerstruktur des zweiten Empfängermittels 21 auf. Mit anderen Worten umfasst also der erste Rotor 3 insgesamt N' = N Rotorsegmente. Entsprechend weist auch der zweite Rotor 4 insgesamt M' = M Rotorsegmente auf. Die Rotorsegmente des ersten Rotors 3 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Winkelperiodizität von 15° auf und die Rotorsegmente des zweiten Rotors 4 weisen eine Winkelperiodizität von 30° auf. Die Rotorsegmente des ersten Rotors 3 können zum Beispiel auch eine Winkelperiodizität von 20° aufweisen und die Rotorsegmente des zweiten Rotors 4 können eine Winkelperiodizität von 40° aufweisen.
Wie oben bereits erwähnt, kann die Torsion der beiden Lenksäulenabschnitte 50, 51 der Lenksäule 5 (und damit auch das Lenkmoment) durch eine Differenzbildung der gemessenen Winkel (Differenzwinkelverfahren) bestimmt werden. Die Winkelpositionen der beiden Lenksäulenabschnitte 50, 51 vor beziehungsweise hinter dem Torsionselement 6 werden dabei unabhängig voneinander bestimmt. Zu diesem Zweck weist der induktive Drehmomentsensor 1 eine hier ebenfalls nicht explizit dargestellte Auswerteschaltung zur Auswertung der in den Empfängerstrukturen der Empfängermittel 20, 21 während der Relativerdrehung der beiden Lenksäulenabschnitt 50, 51 induzierten Signale auf.
Mittels des hier vorgestellten induktiven Drehmomentsensors 1 kann das Lenkmoment, das auf die Lenksäule 5 des Kraftfahrzeugs einwirkt, zuverlässig und mit geringen Messfehlern erfasst werden. Das Lenkmoment kann durch den in der Lenksäule 5 angeordneten Torsionsstab 6 in Differenzwinkel umgewandelt werden. Durch die unterschiedliche Verdrehung der beiden Rotoren 3, 4 bei entsprechenden Lenkbewegungen, die nach dem Differenzwinkelverfahren ausgewertet werden, kann auf die wirkenden Lenkmomente geschlossen werden.
Auf Grund des ganzzahligen Verhältnisses der Anzahlen N, M der Empfängerstrukturen der beiden Empfängermittel 20, 21 können in besonders vorteilhafter Weise mögliche Fehlereinflüsse nicht nur bei einer Betrachtung über den vollen Kreis (360°), sondern bereits bei wesentlich kleineren Drehwinkeln reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Drehmomentsensor
2: Statorleiterplatte
3: erster Rotor
4: zweiter Rotor
5: Lenksäule
6: Torsionselement
20: erstes Empfängermittel
21: zweites Empfängermittel
50: erster Lenksäulenabschnitt
51: zweiter Lenksäulenabschnitt

Claims

Induktiver Drehmomentsensor (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - mindestens eine Erregerspule, - mindestens eine Oszillatorschaltung, die mit der Erregerspule gekoppelt ist und während des Betriebs ein periodisches Wechselspannungssignal in die Erregerspule einkoppelt, - eine Statorleiterplatte (2) mit einem ersten Empfängermittel (20) und einem zweiten Empfängermittel (21), die jeweils eine Anzahl sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen aufweisen, - mindestens zwei Rotoren (3, 4), die relativ zueinander und relativ zur Statorleiterplatte (2) verdrehbar sind und die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängermitteln (20, 21) beeinflussen, - Auswertemittel, die zur Auswertung der in den Empfängermitteln (20, 21) induzierten Signale geeignet sind, - wobei der erste Rotor (3) an einem ersten Ende eines Torsionselements (6) und der zweite Rotor (4) an einem zweiten Ende des Torsionselements angeordnet ist, welches dem ersten Ende gegenüberliegt, - wobei die Statorleiterplatte (2) zwischen den beiden Rotoren (3,4) angeordnet ist und an ihren den beiden Rotoren (3, 4) zugewandten Seiten jeweils eines der Empfängermittel (20, 21) aufweist, - wobei das erste Empfängermittel (20), das dem ersten Rotor (3) zugeordnet und diesem zugewandt ist, eine Anzahl N sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen aufweist, - wobei das zweite Empfängermittel (21), das dem zweiten Rotor (4) zugeordnet und diesem zugewandt ist, eine Anzahl M sich periodisch wiederholender Empfängerstrukturen aufweist, - wobei die Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels (20) und die Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels (21) zueinander in einem ganzzahligen Verhältnis stehen, nämlich im Verhältnis 2 : 1, - wobei der erste Rotor (3) eine Anzahl N' von Rotorsegmenten aufweist, wobei die Anzahl N' der Rotorsegmente des ersten Rotors (3) der Anzahl N der Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels (20) entspricht, - wobei der zweite Rotor (4) eine Anzahl M' von Rotorsegmenten aufweist, wobei die Anzahl M' der Rotorsegmente des zweiten Rotors (4) der Anzahl M der Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels (21) entspricht.
Induktiver Drehmomentsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerstrukturen des ersten Empfängermittels (20) eine Winkelperiodizität von 15° oder 20° aufweisen, dass die Empfängerstrukturen des zweiten Empfängermittels (21) entsprechend eine Winkelperiodizität von 30° oder 40° aufweisen, dass die Rotorsegmente des ersten Rotors (3) korrespondierend eine Winkelperiodizität von 15° oder 20° aufweisen, dass die Rotorsegmente des zweiten Rotors (4) korrespondierend eine Winkelperiodizität von 30° oder 40° aufweisen.