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Dokumentenidentifikation DE102004056049A1 01.06.2006
Titel Sensor und Verfahren zur Herstellung eines Sensors
Anmelder AB Elektronik GmbH, 59368 Werne, DE
Erfinder Rühl, Stefan, 44534 Lünen, DE;
Fallak, Klaus, 59368 Werne, DE
Vertreter Wenzel & Kalkoff, 58452 Witten
DE-Anmeldedatum 19.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004056049
Offenlegungstag 01.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.2006
IPC-Hauptklasse G01D 5/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01L 3/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01B 7/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Beschrieben sind ein Drehsensor und ein Drehmomentsensor.
Bei einem ersten Sensor sind um eine Drehachse gegeneinander drehbare erste und zweite Elemente (14, 20; 114a, 114b, 120) vorgesehen. Am ersten Element (14) ist ein induktives Kopplungselement (18) vorgesehen. Am zweiten Element (20, 120) ist ein Spulenschaltkreis (30) mit mindestens zwei Spulen (34a, 34b, 34) vorgesehen, die sich entlang eines Sensorbereiches (28) erstrecken. Bei Drehung der Elemente (14, 20; 114a, 114b, 120) gegeneinander bewegt sich das induktive Kopplungselement entlang der Spulen (34, 34a, 34b) und bewirkt eine positionsabhängige induktive Kopplung zwischen den Spulen (34, 34a, 34b).
Um eine einfache und kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß der Spulenschaltkreis (30) ein flexibles Trägermaterial (32) aufweist, auf dem die Spulen (34, 34a, 34b) gebildet sind, wobei das flexible Trägermaterial (32) gekrümmt entlang des Sensorbereichs (28) verläuft.
Bei einem induktiven Drehmomentsensor sind zwei Rotorelemente (114a, 114b) axial im Abstand an Wellenstücken (112a, 112b) einer Welle (112) angebracht. Die Rotorelemente (114a, 114b) sind gegenüber einem Statorelement (120) drehbar. Am Umfang der Rotorelemente (114a, 114b) sind axial nebeneinander jeweils ein induktives Kopplungselement (18) vorgesehen. Am Statorelement (120) ist ein Sensorbereich gebildet. Ein Spulenschaltkreis (30) mit mindestens zwei Spulen (34a, 34b, 34) erstreckt sich entlang des ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sensor, der als Drehsensor und Drehmomentsensor verwendet werden kann sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Unter einem Drehsensor wird ein Sensor verstanden, der eine relative Drehposition zweier gegeneinander drehbarer Elemente, nämlich eines Stators und eines Rotors ermitteln kann. Drehsensoren werden in verschiedenen Bereichen der Technik zum Ermitteln von Drehpositionen für verschiedene Steuer- und Regelungsanwendungen eingesetzt.

Unter einem Drehmomentsensor wird ein Sensor verstanden, der das Drehmoment in einer Welle ermittelt. Drehmomentsensoren werden ebenfalls in einer Vielzahl von Steuer- und Regelungsanwendungen eingesetzt. Eine spezielle Anwendung von Drehmomentsensoren ist die Ermittlung des Drehmoments einer Lenkwelle zur Ansteuerung einer Servo-Unterstützung (Servo-Lenkung).

Von Funktion und Aufbau her hängen Drehsensoren und Drehmomentsensoren dadurch zusammen, daß bei Drehmomentsensoren zwei gekoppelte Wellenteile unter dem Einfluß des zu ermittelnden Drehmoments gegeneinander verdrehbar sind, und die hierdurch bewirkte Verdrehung durch bekannte Drehsensoren gemessen wird.

In der DE-A-197 45 823 ist eine Vorrichtung zum Messen von Drehmoment und Drehwinkel einer Welle beschrieben. An zwei axial voneinander entfernten Stellen der Welle sind Scheibenelemente angebracht. Deren Drehstellung kann optisch, elektromagnetisch, kapazitiv oder mechanisch bestimmt werden. Die Wellenteile sind hierbei über einen Torsionsstab miteinander verbunden, der eine vorbestimmte Tordierbarkeit aufweist, so daß sich die Wellenteile bei einem vorbestimmten von der Welle übertragenen Drehmoment gegeneinander um einen vorbestimmten Winkel verdrehen. Die entsprechende relative Verdrehung der Scheibenelemente wird ermittelt und so das Drehmoment bestimmt.

Die WO-A-98/48244 zeigt einen Drehsensor und Drehmomentsensor, bei dem die Erfassung der Winkelstellung mittels eines Halleffekt-Sensors erfolgt. An einer Welle sind Magnete angeordnet, während in einem Statorelement zwischen Flußleitstücken Luftspalte gebildet sind. Der magnetische Fluß in den Luftspalten wird mittels Hall-ICs gemessen und daraus die Drehposition des Magnetelements bestimmt. Aus den jeweiligen Werten der Drehposition an axial im Abstand angeordneten Stellen kann die Torsion und so das übertragene Drehmoment berechnet werden.

In der DE-A-42 31 646 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung der Torsion sowie eines Drehmomentes einer Welle beschrieben. Auf der Welle sind an axial im Abstand befindlichen Positionen ringförmige Körper aus weichmagnetischem Material angebracht, die sich bei Torsion gegeneinander verdrehen. Die Körper weisen eine rotationssymmetrische Anordnung mit Erhebungen und Lücken auf. In einem Statorteil sind mehrere Spulen vorgesehen, mit denen ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Durch Übereinstimmung der Erhebungen bzw. bei Torsion Verstellung der Erhebungen zueinander ergibt sich eine meßbare Veränderung der Induktivität des Magnetkreises, aus der ein Meßwert für die Torsion ermittelt wird.

In der DE-A-4232993 ist eine Vorrichtung zur Messung der Torsion und/oder relativen Winkelbewegung einer Wellenkonfiguration dargestellt. Auf der zu messenden Wellenkonfiguration sind als Rotor zwei Spulenanordnungen mit einem dazwischen befindlichen Luftspalt angebracht. Statorseitig ist eine Spulenringanordnung vorgesehen. Bei den Spulenanordnungen handelt es sich um relativ komplexe räumliche Gebilde, bei denen Ringsegmente aus ferritgefülltem Material mit Spulendraht umwickelt sind. Eine Torsion der Wellenkonfiguration äußert sich in einer Verstellung der Spulenanordnungen zueinander, die bei Stromdurchfluß zur Zunahme oder Abnahme eines elektrischen Feldes in den Spulenanordnungen führt. Diese elektrischen Signale werden in die Spulenringanordnung des Stators übertragen und die sich ergebenden Meßkurven ausgewertet.

Bei den verschiedenen Lösungen für Drehsensoren und Drehmomentsensoren besteht der Nachteil, daß jeweils Rotor- und Statorbauteile sehr exakt gefertigt und angebracht werden müssen. Bei magnetischen Sensoren ist die Breite des Luftspaltes eine entscheidende Größe, so daß ein exakter Wert genau eingehalten werden muß. Darüber hinaus ergeben sich weitere fertigungstechnische Anforderungen wie die maßgenaue Herstellung von komplex geformten Metallkörpern und von gewickelten Spulen, so daß sich insgesamt hohe Kosten für die bekannten Sensoren ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Drehsensor und einen Drehmomentsensor sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, bei denen eine besonders kostengünstige Herstellung möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor nach Anspruch 1, der je nach Ausbildung als Drehsensor oder Drehmomentsensor verwendet werden kann, durch ein Verfahren nach Anspruch 14 und durch einen induktiven Drehmomentsensor nach Anspruch 15. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße induktive Sensor weist ein erstes und zweites Element auf, die um eine Drehachse gegeneinander drehbar sind. Die Elemente werden im Folgenden auch als Rotor- und Statorelement bezeichnet.

Hierbei ist am zweiten Element ein Spulenschaltkreis mit mindestens zwei Spulen vorgesehen, die sich entlang eines Sensorbereiches erstrecken. Am ersten Sensorelements ist ein induktives Kopplungselement vorgesehen. Bei Drehung der Elemente gegeneinander bewegt sich das induktive Kopplungselement entlang der Spulen und bewirkt eine positionsabhängige induktive Kopplung zwischen den Spulen. Diese Kopplung ist leicht meßbar, indem in einer der Spulen ein Erregersignal erzeugt und das Empfängersignal aus einer zweiten Spule ausgewertet wird.

Erfindungsgemäß weist der Spulenschaltkreis ein flexibles Trägermaterial auf. Die Spulen sind als Leiter an oder auf diesem Trägermaterial gebildet, bspw. als Leiterbahnen, die auf dem oder in dem Trägermaterial verlaufen oder als Leitungsdrähte, die mit dem Trägermaterial verbunden oder in diesem eingebettet sind. Das flexible Trägermaterial, bei dem es sich bevorzugt um ein Kunststoff-Material handelt, verläuft gekrümmt entlang des Sensorbereiches. Bevorzugt ist das Trägermaterial flach, z. B. in Form eines flächigen Trägerstreifens. Ein solches flaches Trägermaterial ist bevorzugt quer zur Fläche gekrümmt. Das Trägermaterial kann aus einem Material bestehen, das ausreichend dünn ist um in einem Radius von 10 cm oder weniger gebogen zu werden, bevorzugt 5 cm oder weniger. Die Biegsamkeit kann aber auch auf andere Weise erzielt werden, bspw. durch eine segmentartige Struktur mit Biege- oder Knickstellen.

Ein solcher Sensor kann verwendet werden, um die relative Drehposition von erstem und zweitem Element zu ermitteln, indem die positionsabhängige induktive Kopplung zwischen den Spulen ausgewertet wird. Wie noch erläutert wird, kann der Sensor auch als Torsions- oder Drehmomentsensor verwendet werden, wobei die relative Drehposition von zwei Rotorelementen und einem Statorelement ermittelt und entsprechend ausgewertet wird. Bei geeigneter Auswertung liefert der Sensor sowohl die absolute Drehposition der Elemente (und daraus durch geeignete Verarbeitung ableitbar Größen wie Drehgeschwindigkeit oder Anzahl Umdrehungen) als auch die relative Drehposition zweier Elemente zueinander mit hoher Präzision.

Der erfindungsgemäße Sensor ist dabei von der Konstruktion besonders einfach und damit kostengünstig herzustellen. Der Spulenschaltkreis auf einem flexiblen Trägermaterial kann auf einfache Weise besonders kostengünstig hergestellt werden, bspw. mit Hilfe einer Drucktechnik oder herkömmlicher Leiterplatten-Ätztechnik. Die flach ausgeführten Spulen sind erheblich einfacher herzustellen als gewickelte Spulen, speziell wenn die Wicklungen um die Welle herum angeordnet werden müssen. Sämtliche Trägerteile können bevorzugt aus Kunststoff hergestellt werden, so daß sie in großen Mengen kostengünstig produziert werden können. Bei geeigneter Auswertung ist auch die maßhaltige Anbringung der drehend zueinander angeordneten Elemente nicht kritisch, so daß auch bei höheren Fertigungstoleranzen exakte Meßwerterfassungen möglich sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Spulenschaltkreis in einem flachen Zustand des Trägermaterials hergestellt und das Trägermaterial dann in einem flexiblen Zustand so am zweiten Element angebracht, dass es gekrümmt entlang des Sensorbereichs verläuft. So kann auf besonders kostengünstige Weise die benötigte räumliche Struktur (gekrümmter Verlauf entlang des Sensorbereiches) erzeugt werden, wobei z.B. herkömmliche Leiterbahn-Techniken zur Erstellung von Spulenstrukturen auf flachem Trägermaterial verwendet werden können. Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass das flexible Trägermaterial nicht zwangsläufig auch im späteren Betrieb des Sensors noch flexibel sein muss, sondern dass es ebenso möglich ist, dass das Trägermaterial in der gekrümmten Form fixiert wird, bspw. aushärtet. Es ist sogar möglich, dass ein an sich steifes Trägermaterial nur für den Schritt des Anbringens am zweiten Element flexibel gemacht wird, bspw. durch Wärmeeinwirkung.

Das flexible Trägermaterial ist bevorzugt im wesentlichen ringförmig, mindestens teilringförmig gekrümmt. Beispielsweise kann es mindestens einen Viertel- oder Halbkreis umfassen. Besonders bevorzugt umschließt es im wesentlichen das erste Element. Hierbei wird unter "im wesentlichen" verstanden, daß zwar bevorzugt ein Vollkreis in 360° abgedeckt wird, aber Bereiche bspw. für elektrische Bauteile freibleiben können.

Für eine gute Meßwerterfassung sollten erstes und zweites Element mindestens teilweise in Überdeckung sein, d. h. daß sich das induktive Kopplungselement in Reichweite des Spulenschaltkreises bewegt. Bevorzugt ist der Sensorbereich des zweiten Elements hierbei radial heben dem induktiven Kopplungselement angeordnet.

Bevorzugt ist das erste Element drehbar (Rotorelement) und das zweite Element feststehend (Statorelement). Da das induktive Kopplungselement keine Anschlüsse erfordert, ist so der Aufbau besonders einfach, da eine umständliche Kontaktierung bspw. über Schleifringe entfällt.

Bevorzugt ist das zweite Element ein feststehendes Ringelement, das mindestens teilweise radial um das Rotorelement herum angeordnet ist, bevorzugt es im wesentlichen umschließt. Das erste Element ist hier als drehbares Rotorelement, bevorzugt auf einer Welle, angeordnet. Der Sensorbereich des zweiten Elements ist bevorzugt mindestens teilweise als Zylinderfläche ausgebildet. Bevorzugt weist das Ringelement einen Aufnahmebereich auf, in dem das flexible Trägermaterial aufgenommen ist.

Gemäß einer Weiterbildung ist an dem Spulenschaltkreis eine Auswerteschaltung angeschlossen. Diese kann am zweiten Element vorgesehen sein. Bevorzugt ist die Auswerteschaltung direkt auf dem flexiblen Trägermaterial oder mit diesem unmittelbar verbunden angebracht. Die Auswerteschaltung ist ihrerseits bevorzugt durch einen Steckeranschluß am zweiten Element kontaktiert. Hierüber kann einerseits eine erforderliche Betriebsspannung geliefert werden, andererseits kann das Sensorsignal als elektrisches Signal in digitaler (z. B. als PWM-Signal oder digitales Bus-Signal) oder analoger Form (z. B. als Spannungssignal) abgefragt werden, bspw. zur Verarbeitung in einer Steuereinheit.

Die Auswerteschaltung erzeugt in einer der Spulen ein Erregersignal und wertet ein Empfängersignal, das durch Überkopplung aus der ersten Spule in einer weiteren Spule erzeugt wird, aus. Durch die positionsabhängige Überkupplung über das induktive Kopplungselement kann so dessen Position und damit die Drehposition ermittelt werden. Für derartige induktive Sensoren sind verschiedenen Funktionsweisen bekannt, wobei bevorzugt entweder mehrere Erregerspulen oder mehrere Empfängerspulen verwendet werden. Besonders bevorzugt wird ein Sensor, wie er in der WO-A-03/038379 beschrieben ist. Hierbei ist das induktive Kopplungselement als Resonanzkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität ausgebildet. Bei Betrieb der Erregerspule mit einem Wechselspannungssignal im Bereich der Resonanzfrequenz wird so durch die Resonanzüberhöhung ein relativ starkes Ausgangssignal an der Empfängerspule erzeugt, so daß auch vergrößerte Abstände zwischen dem induktiven Kopplungselement und dem Spulenschaltkreis noch brauchbare Signale liefern.

Bevorzugt sind das erste und zweite Element von einem Gehäuse im wesentlichen umgeben und so vor äußeren Einflüssen geschützt. Das Gehäuse ist bevorzugt mit dem zweiten Element verbunden oder sogar einstückig mit diesem ausgebildet.

Das induktive Kopplungselement kann beliebig gestaltet werden, solange es zur induktiven Überkopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule dient. Dies umfaßt bspw. ein Ferritelement oder eine Leiterschleife. Bevorzugt ist das induktive Kopplungselement jedoch ein Resonanzkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität, wie in der WO-A-03/038379 beschrieben.

Gemäß einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung wird der Sensor zu einem Torsions- oder Drehmomentsensor erweitert. Hierbei sind anstatt eines einzelnen ersten Elements mindestens zwei drehbare Rotorelemente vorgesehen, die gegenüber einem Statorelement (zweites Element) um eine gemeinsame Drehachse drehbar angeordnet sind. Jeweils am Sensorbereich der Rotorelemente ist ein induktives Kopplungselement vorgesehen. Hierbei weisen die induktiven Kopplungselemente der beiden Rotorelemente unterscheidbare induktive Kopplungseigenschaften auf. Sind die Kopplungselement als Resonanzkreis aufgebaut, so unterscheiden sie sich bevorzugt durch unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Hierbei weisen die Elemente bevorzugt eine im wesentlichen identische induktive Struktur auf, sind aber mit unterschiedlichen Kapazitäten bestückt.

Bei dem Sensor mit zwei Rotorelementen ist bevorzugt eine solche Auswerteschaltung angeschlossen, die mittels eines Erregersignals in einer der Spulen und Verarbeitung eines Empfängersignals aus mindestens einer weiteren Spule jeweils Werte für die Drehposition des ersten und zweiten Rotorelements ermittelt.

Für die Lieferung eines Sensorsignals für das Drehmoment sind bevorzugt die beiden Rotorelemente jeweils an fluchtenden, elastisch gegeneinander verdrehbaren Wellenstücken angeordnet. Aus der Differenz der Drehpositionen der Rotorelemente kann so ein Wert für das Drehmoment ermittelt werden.

Bei der unabhängigen erfindungsgemäßen Lösung gemäß Anspruch 15 weist ein induktiver Drehmomentsensor mindestens zwei Rotorelemente auf, die axial im Abstand an Wellenstücken einer Welle angebracht sind. Die Rotorelemente sind gegenüber einem Statorelement drehbar. Am Umfang der Rotorelemente sind axial nebeneinander induktive Kopplungselemente vorgesehen. Am Statorelement ist ein Sensorbereich gebildet, der radial neben den Sensorbereichen der Rotorelemente angeordnet ist. Ein Spulenschaltkreis mit mindestens zwei Spulen erstreckt sich entlang des Sensorbereiches des Statorelementes, so daß bei Drehung der Rotorelemente sich die induktiven Kopplungselemente entlang der Spulen bewegen und eine positionsabhängige induktive Kopplung zwischen den Spulen bewirken.

Hierbei ist der Spulenschaltkreis so angeordnet, daß er mit den induktiven Kopplungselementen beider Rotorelemente in Überdeckung steht. Die induktiven Kopplungselemente weisen unterscheidbare induktive Kopplungseigenschaften auf.

Der erfindungsgemäße induktive Drehmomentsensor ist somit besonders einfach aufgebaut. Mit einem einzigen Sensor kann die absolute und relative Drehposition der beiden Rotorelemente ermittelt werden. So wird der bauliche Aufwand und die Anzahl benötigter Teile erheblich reduziert und der Sensor kann extrem kostengünstig hergestellt werden.

Die unabhängigen Lösungen gemäß den Ansprüchen 1 und 15 sind selbstverständlich vollständig kombinierbar. So ist es für den induktiven Drehmomentsensor bevorzugt, den Spulenschaltkreis mit einem flexiblen Trägermaterial aufzubauen. Insbesondere ist es auch bevorzugt, als induktive Kopplungselemente Resonanzkreise mit verschiedenen Resonanzfrequenzen zu verwenden.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Aufriß, einer ersten Ausführungsform eines Sensors;

2 eine Querschnittsansicht des Sensors aus 1;

3 eine Seitenansicht eines Rotorelements des Sensors aus 1;

4 eine Frontansicht des Rotorelements aus 3;

5a eine Draufsicht auf ein induktives Kopplungselement des Rotorelements aus 3, 4;

5b eine Seitenansicht des induktiven Kopplungselements aus 5a;

6 eine Frontansicht eines Statorelements des Sensors aus 1;

7 eine Seitenansicht des Statorelements aus 6;

8 eine Draufsicht auf einen Spulenschaltkreis des Statorelements aus 7;

9 eine Seitenansicht des Spulenschaltkreises aus 8;

10 in perspektivischer Ansicht eine Explosionszeichnung einer zweiten Ausführungsform eines Sensors;

11 im Längsschnitt eine Explosionszeichnung von Elementen des Sensors aus 10;

12 eine Seitenansicht im Längsschnitt des Sensors aus 10.

13 eine Seitenansicht eines alternativen flexiblen Trägerstreifens in flacher Form;

14 eine Art Seitenansicht des alternativen flexiblen Trägerstreifens aus 13 in gekrümmter Form.

In 1 ist ein Drehsensor entsprechend einer ersten Ausführungsform gezeigt. Auf einer Welle 12 ist ein Rotorelement 14 angebracht, das sich mit der Welle 12 dreht. Das Rotorelement 14 ist als Radelement ausgebildet. An seinem Umfang ist als induktives Kopplungselement 18 ein Resonanzkreis mit einer Spulenstruktur und einem Kondensator angebracht, der im folgenden noch näher erläutert wird.

Ein Statorelement 20, das teilweise im Aufriß dargestellt ist, ist als Ringelement ausgebildet, daß das Rotorelement 14 umgreift.

In 2 ist der Sensor 10 im Querschnitt gezeigt, allerdings ohne die Welle 12. Das Rotorelement 14 ist als Radelement aus Kunststoff ausgebildet. Darum erstreckt sich das Statorelement 20 als Ring, der ebenfalls aus Kunststoff gefertigt ist.

In den 3, 4 ist jeweils das Rotorelement 14 separat dargestellt. Am Sensorbereich 16 ist hierbei das induktive Kopplungselement 18 aufgenommen.

Dieses ist in 5a, 5b separat dargestellt. Es handelt sich um einen Streifen 22 aus einem flexiblen Trägermaterial. In der vorliegenden Ausführungsform wird hierbei das übliche Leiterplattenmaterial FR4 verwendet, allerdings in einer Dicke von lediglich 0,2mm (in 5b der Anschaulichkeit halber nicht maßstabsgerecht dargestellt). Auf dem Trägerstreifen 22 sind Leiterbahnen in einer Spulen-Struktur aufgebracht, wobei ein Resonanzkreis gebildet ist aus einer Spulenstruktur 24 und einem Kondensator 26.

Die Leiterbahnen sind hierbei mit der für die Herstellung von Leiterplatten üblichen Ätztechnik gefertigt. Der Kondensator 26 wird als SMD-Bauteil bestückt. Die Resonanzfrequenz liegt bevorzugt im Bereich von 1–10 MHz, besonders bevorzugt zwischen 2 und 6 MHz. In der bevorzugten Ausführung ergibt sich bei einem Bauteilewert des Kondensators 26 von 1,5 nF eine Resonanzfrequenz des induktiven Kopplungselements 18 von 4 MHz.

Aufgrund der sehr geringen Dicke des Trägermaterials von lediglich 0,2 mm ist der Streifen 22 flexibel. Er wird um den Sensorbereich 16 des Statorelements 14 herum an diesem fixiert, so daß das induktive Kopplungselement 18 den gesamten Umfang des Rotorelements 14 umfaßt.

Die 6 und 7 zeigen das Statorelement 20. Dieses ist als Ringelement ausgebildet mit einem Sensorbereich 28 entlang des Ringumfangs. Außen an diesem Sensorbereich ist ein Spulenschaltkreis 30 angebracht, der den gesamten Umfang umfaßt. Hierbei wird der Streifen 22 in einem Radius von ca. 30 mm gebogen.

Der Spulenschaltkreis 30 ist in 8, 9 separat dargestellt. Es handelt sich um einen flexiblen Trägerstreifen 32, der in der vorliegenden Ausführungsform ebenfalls aus FR4-Epoxy-Material hergestellt ist. Auf dem Trägerstreifen ist eine Spulenstruktur mit einer als Schleife ausgebildeten Empfangsspule 34 und zwei räumlich in Quadratur angeordneten, mehrfach gekreuzten Erregerspulen 34a, 34b gebildet.

Der Schaltkreis 30 ist als mehrschichtige, im dargestellten Beispiel zweischichtige, doppelseitige Platine mit Durchkontaktierungen zwischen den Ebenen ausgebildet. Die hierdurch insgesamt gebildete Spulenstruktur entspricht der in WO-A-03/038379 im Detail beschriebenen Struktur von räumlich in Quadratur angeordneten Sendespulen. Diese Struktur ist in 8 nicht exakt dargestellt sondern nur symbolisch angedeutet.

Der Trägerstreifen 32 weist eine Dicke von lediglich 0,2 mm auf, so daß der Spulenschaltkreis insgesamt flexibel ist. So kann der Trägerstreifen 32 in dem hier benötigten Durchmesser von ca. 30 mm gebogen werden. In der Seitenansicht von 9 ist hierbei die Dicke des Trägerstreifens 32 der Anschauung halber stärker und nicht maßstabsgerecht dargestellt. Wie weiter aus der Seitenansicht erkennbar ist, befindet sich an einem Ende des Spulenschaltkreises 30 ein Abschnitt 36, auf dem Bauteile einer Auswerteschaltung 38 aufgelötet sind, mit der die Spulen 34, 34a, 34b verbunden sind.

Die Auswerteschaltung 38 steuert die Erregerspulen 34a, 34b wie in der WO-A-03/038379 beschrieben mit modulierten, phasenverschobenen Signalen an und wertet die Phase des Signals in der Empfängerspule 34 aus. Hierbei sind die Spulen 34, 34a, 34b auf dem Streifen 32 so angeordnet, daß ohne das induktive Kopplungselement 18 keine oder nur eine relativ geringe Überkopplung des Signals aus den Erregerspulen 34a, 34b in die Empfängerspule 34 stattfindet. Bei Anordnung des induktiven Kopplungselements 18 in Reichweite des Spulenschaltkreises 30 bewirkt dieses eine positionsabhängige Überkopplung von den Erregerspulen 34a, 34b in die Empfängerspule 32, wobei sich aus der Phase des Signals in der Empfängerspule 34 die Position des induktiven Kopplungselements 18 ermitteln läßt.

Wie in 6 gezeigt, wird der Spulenschaltkreis 30 außen am ringförmigen Sensorbereich des Stators 20 angebracht, wobei der flexible Streifen 32 ringförmig, quer zu seiner Fläche, gebogen ist.

Der Spulenschaltkreis 30 ist außen am Sensorbereich 28 angeordnet und umfaßt einen Umfang des ringförmigen Statorelements 20.

Wie in 2 dargestellt liegen sich beim zusammengesetzten Sensor 10 das induktive Kopplungselement 18 und der Spulenschaltkreis 30 radial im Abstand gegenüber. Dazwischen ist der Trägerring des Statorelements 20 angeordnet, so daß sich ein geringer Abstand ergibt. Das vom Spulenschaltkreis 30 ausgehende elektromagnetische Feld durchdringt jedoch dieses Kunststoffmaterial und wirkt auf das induktive Kopplungselement. Mit der Auswerteschaltung 38 kann so die Drehposition des Rotorelements 14 gegenüber dem Statorelement 20 genau ermittelt werden.

In 10 ist in einer perspektivischen Explosionsdarstellung eine zweite Ausführungsform eines Sensors 110 gezeigt. Während der Sensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform als reiner Drehpositionssensor zur Ermittlung der Drehposition einer Welle 12 gegenüber einem Statorelement 20 ausgebildet war, dient der Sensor 110 gemäß der zweiten Ausführungsform außer zur Erfassung einer Drehposition auch zur Ermittlung einer Torsion zwischen zwei Wellenstücken 112a, 112b bzw. zur Ermittlung des durch eine aus den Wellenstücken 112a, 112b gebildete Welle 112 übertragenen Drehmoments.

An den Wellenstücken 112a, 112b sind jeweils Rotorelemente 114a, 114b angeordnet. Diese sind, wie bei der ersten Ausführungsform im Zusammenhang mit den 35 beschrieben, ausgebildet als Radelemente mit einem flexiblen induktiven Kopplungselement, so daß auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann.

Die Rotorelemente 114a, 114b sind innerhalb eines Statorelements 120 drehbar. Das Statorelement 120 ist wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform im Hinblick auf die 69 beschrieben ausgebildet, so daß auch hier auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann. Allerdings weißt das Statorelement 120 eine größere axiale Länge auf, die zur Überdeckung der induktiven Kopplungselemente beider Rotorelemente 114a, 114b ausgelegt ist.

In der im Schnitt dargestellten Explosionsdarstellung in 11 ist der Aufbau des Sensors 110 mit seinen Einzelteilen sichtbar. Die Rotorelemente 114a, 114b werden im Inneren des ringförmigen Statorelements 120 angebracht, so daß sich die daran jeweils angebrachten induktiven Kopplungselemente und der am Statorelement 120 angebrachte Spulenschaltkreis radial benachbart gegenüberliegen, wobei der Spulenschaltkreis sich axial soweit erstreckt, daß er mit den beiden induktiven Kopplungselementen in Überdeckung steht.

Für den Sensor 110 ist ein Gehäuse 140 mit einem Gehäusedeckel 142 vorgesehen. An einem Anschlußbereich des Statorelements 120, an dem wie in 6 gezeigt die Auswerteschaltung 38 angeordnet ist, ist ein Steckeranschluß 144 zum elektrischen Anschluß der Auswerteschaltung an eine elektrische Stromversorgung und Signalauswertung vorgesehen. Hierfür ist am Gehäuse 140 ein Steckergehäuse 146 vorgesehen.

12 zeigt den auf einer Welle 112 montierten Sensor 110. Die Welle 112 ist hierbei in die Wellenteile 112a, 112b unterteilt. Mit einem Torsionselement 150 sind die Wellenteile 112a, 112b unter Einfluß eines entsprechenden Torsionsmomentes verdrehbar aneinander angekoppelt. Die Verdrehung steht hierbei in direktem Zusammenhang mit dem von der Welle 112 übertragenen Drehmoment. Statt eines separaten Torsionselements 150 kann die Welle 112 auch durchgehend sein und über einen geschwächten Bereich verfügen, so daß sich die Wellenteile 112a, 112b unter Einfluß eines Drehmoments gegeneinanderverdrehen.

Das Gehäuse 140 und der Gehäusedeckel 142 stehen ebenso wie das Statorelement 120 fest. Mit den Wellenstücken 112a, 112b drehen sich darin die Rotorelemente 114a, 114b. Bei der jeweiligen Drehbewegung bewegen sich die an den Rotorelementen 114a, 114b angeordneten induktiven Kopplungselemente im Abstand von dem Spulenschaltkreis an der dortigen Spulenstruktur vorbei.

Hierbei sind die induktiven Kopplungselemente so ausgebildet, daß ihr Kopplungsverhalten unterscheidbar ist. Dies wird erreicht, indem Resonanzkreise mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz gebildet werden. Für eine effiziente Fertigung werden, wie in 5 gezeigt, Trägerstreifen mit identischer Spulenstruktur verwendet. Allerdings werden Kondensatoren mit unterschiedlichen Bauteilwerten eingesetzt, so daß die Resonanzkreise deutlich voneinander abweichende Resonanzfrequenzen aufweisen.

Die relative Position beider induktiven Kopplungselemente zum Spulenschaltkreis des Statorelements 120 kann mit ein und demselben Spulenschaltkreis erfolgen. Hierbei erfolgt jeweils zeitlich versetzt durch die Auswerteschaltung 38 eine Beaufschlagung der Erregerspulen einmal mit einem auf die Resonanzfrequenz des ersten induktiven Kopplungselementes und danach auf die Resonanzfrequenz des zweiten Kopplungselements abgestimmten Signal. So werden jeweils die Drehpositionen des ersten und zweiten Rotorelements 114a, 114b ermittelt. Je nach gewünschten Ausgangssignal am Steckeranschluß 144 können die individuellen Drehpositionen oder auch nur eine der beiden Drehpositionen übermittelt werden und/oder ein Differenzwert zwischen diesen Drehpositionen, der der Torsion der Welle 112 entspricht. Aus diesem Torsionswert kann auch der Wert eines übertragenen Drehmoments der Welle 112 ermittelt werden, wenn das Verhalten des Torsionselements 150 unter der jeweiligen Last bekannt ist. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt auch diese Berechnung in der Auswerteschaltung 38 und der entsprechende Wert wird über den Steckeranschluß 144 ausgegeben.

Zu den oben beschriebenen Ausführungen sind eine Anzahl von Abwandlungen denkbar.

So können die flexiblen Trägerstreifen 22, 32 für das induktive Kopplungselement und den Spulenschaltkreis aus verschiedenen Materialien und mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Maßgeblich ist allein, daß die fertigen Elemente flexibel sind, so daß sie quer zu ihrer Fläche zu einem Ring oder mindestens Teilring gebogen werden können. Auf diese Weise kann besonders einfach und kostengünstig eine räumliche Spulenstruktur erzeugt werden.

Eine alternative Ausführungsform eines flexiblen Trägerstreifens 22 zeigen 13, 14.

Hierbei handelt es sich um einen im Grunde starren Träger, bspw. eine FR4-Platte von 1 mm Stärke, bei der in Querrichtung eine Anzahl voneinander beabstandeter Nuten eingefräst sind, so dass der streifenförmige Träger 22 an den Nuten 210 entsprechend geschwächt ist. Obwohl die Segmente zwischen den Nuten selbst starr sind, ist der gesamte Träger nun flexibel und kann wie in 14 gezeigt zu einem Teilkreis gebogen werden.

Als Trägermaterial kommen verschiedene Dicken eines Epoxydharz-Materials, bspw. FR4, in Frage. Bevorzugt wird eine Dicke von 0,2 mm, die erforderliche Flexibilität wird aber auch bei hiervon abweichenden Werten von bis zu 0,5 mm, bevorzugt bis zu 0,3 mm erreicht. Maßgeblich ist, dass der Trägerstreifen so flexibel ist, dass er im benötigten Durchmesser gekrümmt werden kann. Hierbei ist der jeweilige Durchmesser vom jeweiligen Einsatz des Sensors abhängig, bspw. vom Wellendurchmesser. Bevorzugt werden Krümmungsradien von bspw. 1–10 cm.

Darüber hinaus kommen andere flexible Kunststoffmaterialien in Frage, darunter bspw. Carbon-Trägerfolie oder Capton-Folie.

Für das Aufbringen der Spulenstrukturen können einerseits aus der Leiterplattenherstellung bekannte Ätzverfahren verwendet werden. Andererseits sind Druck- oder Spritzverfahren denkbar, ebenso wie galvanische Aufbringungsverfahren. Für die Herstellung von Durchkontaktierungen können herkömmliche Bohrungen, Laser-Löcher oder andere Techniken verwendet werden.

Die Herstellung der flexiblen Elemente kann auch mit Hilfe von Drähten erfolgen, die auf Folien aufgeklebt oder zwischen Folien laminiert werden.


Anspruch[de]
  1. Sensor mit

    – um eine Drehachse gegeneinander drehbaren ersten und zweiten Elementen (14, 20; 114a, 114b, 120),

    – wobei am ersten Element (14, 114a, 114b) ein induktives Kopplungselement (18) vorgesehen ist,

    – und am zweiten Element (20, 120) ein Spulenschaltkreis (30) mit mindestens zwei Spulen (34, 34a, 34b) vorgesehen ist, die sich entlang eines Sensorbereiches (28) erstrecken, so daß sich bei Drehung der Elemente gegeneinander das induktive Kopplungselement (18) entlang der Spulen (34, 34a, 34b) bewegt und eine positionsabhängige induktive Kopplung zwischen den Spulen (34, 34a, 34b) bewirkt,

    – wobei mindestens der Spulenschaltkreis (30) ein flexibles Trägermaterial (32) aufweist, auf dem die Spulen (34, 34a, 34b) als Leiter gebildet sind, und wobei das flexible Trägermaterial (32) gekrümmt entlang des Sensorbereichs (28) verläuft.
  2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem

    – das flexible Trägermaterial (32) mindestens teilringförmig gekrümmt ist.
  3. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Sensorbereich (28) des zweiten Elements (20) radial neben dem induktiven Kopplungselement (18) des ersten Elements (14) angeordnet ist.
  4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem

    – das erste Element ein drehbares Rotorelement (14) ist,

    – und das zweite Element ein feststehendes Ringelement (20), das mindestens teilweise radial um das Rotorelement (14) herum angeordnet ist, wobei bevorzugt die Sensorbereiche (16, 28) mindestens teilweise Zylinderflächen sind.
  5. Sensor nach Anspruch 4, bei dem

    – das Ringelement (30) einen Aufnahmebereich (28) zur Aufnahme des flexiblen Trägermaterials (32) aufweist.
  6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem

    – am zweiten Element (20, 120) eine an den Spulenschaltkreis (30) angeschlossene Auswerteschaltung (38) vorgesehen ist, die ein Erregersignal in mindestens einer der Spulen (34a, 34b) erzeugt und ein Empfängersignal von mindestens einer weiteren Spule (34) empfängt und auswertet,

    – wobei die Auswerteschaltung (38) aus dem Empfängersignal einen Wert für die Drehposition des ersten Elements (14) ermittelt.
  7. Sensor nach Anspruch 6, bei dem

    – am zweiten Element (20, 120) ein Steckeranschluß (144) für die Auswerteschaltung (38) vorgesehen ist.
  8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem

    – ein Gehäuse (140, 142) vorgesehen ist, daß das erste und zweite Element (14, 20, 114a, 114b, 120) im wesentlichen umgibt.
  9. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem

    – das induktive Kopplungselement (18) als Resonanzkreis mit einer Kapazität (26) und einer Induktivität (24) ausgebildet ist.
  10. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit

    – zwei drehbaren Rotorelementen (114a, 114b), die gegenüber einem Statorelement (120) um eine gemeinsame Drehachse drehbar angeordnet sind,

    – wobei die Rotorelemente (114a, 114b) jeweils ein induktives Kopplungselement (18) umfassen,

    – wobei die induktiven Kopplungselemente (18) unterscheidbare induktive Kopplungseigenschaften aufweisen.
  11. Sensor nach Anspruch 10, bei dem

    – an dem Spulenschaltkreis (30) des Statorelements (120) eine Auswerteschaltung (138) angeschlossen ist, die ein Erregersignal in mindestens einer der Spulen (34a, 34b) erzeugt und ein Empfängersignal aus mindestens einer weiteren Spule (34) empfängt und auswertet,

    – wobei die Auswerteschaltung (38) aus dem Empfängersignal einen Wert für die Drehposition des ersten und des zweiten Rotorelements (114a, 114b) ermittelt.
  12. Sensor nach Anspruch 10 oder 11, bei dem

    – die Rotorelemente (114a, 114b) jeweils an fluchtenden Wellenstücken (112a, 112b) angeordnet sind,

    – wobei die Wellenstücke (112a, 112b) elastisch gegeneinander verdrehbar verbunden sind.
  13. Sensor nach Anspruch 12, bei dem

    – in der Auswerteschaltung (38) die Drehposition des ersten und des zweiten Rotorelements (114a, 114b) ermittelt wird,

    – und aus der Differenz der Drehpositionen ein Wert für ein Drehmoment errechnet wird.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Sensors mit

    – einem ersten Element (14, 114a, 114b) mit einem induktiven Koppelelement (18)

    – und einem zweiten Element (20, 120) mit einem Spulenschaltkreis (30) mit mindestens zwei Spulen (34, 34a, 34b) die sich entlang eines Sensorbereichs (28) erstrecken,

    – wobei der Spulenschaltkreis (30) hergestellt wird, indem auf einem flachen Trägermaterial (32) Spulen (34, 34a, 34b) als Leiter aufgebracht werden,

    – und das Trägermaterial in einem flexiblen Zustand so am zweiten Element angebracht wird, dass es gekrümmt entlang des Sensorbereichs (28) verläuft.
  15. Induktiver Drehmomentsensor mit

    – mindestens zwei Rotorelementen (114a, 114b), die axial im Abstand an Wellenstücken (112a, 112b) einer Welle (112) angebracht sind,

    – wobei die Rotorelemente (114a, 114b) gegenüber einem Statorelement (120) drehbar sind,

    – und am Umfang der Rotorelemente (114a, 114b) axial nebeneinander jeweils ein induktives Kopplungselement (18) vorgesehen ist,

    – und wobei am Statorelement (120) ein Sensorbereich gebildet ist, in dem sich ein Spulenschaltkreis (30) mit mindestens zwei Spulen (34a, 34b, 34) entlang des Sensorbereiches erstreck, so daß sich bei Drehung der Rotorelemente (114a, 114b) die induktiven Kopplungselemente (18) entlang der Spulen (34a, 34b, 34) bewegen und eine positionsabhängige induktive Kopplung zwischen den Spulen (34, 34a, 34b) bewirken,

    – wobei der Spulenschaltkreis (30) so angeordnet ist, daß er mit den induktiven Kopplungselementen (18) beider Rotorelemente (114a, 114b) in Überdeckung ist,

    – wobei die induktiven Kopplungselemente (18) unterscheidbare induktive Kopplungseigenschaften aufweisen.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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