专利名称：用于求得转矩和用于索引识别的传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于求得通过扭杆相互连接的输入轴与输出轴之间的转矩的传 感器装置。为此，该传感器装置包括磁铁单元，该磁铁单元具有用于产生磁场的磁极轮，其 中，该磁铁单元与两个轴中的一个轴刚性地连接；磁通环单元，该磁通环单元具有用于转变 和传导由磁铁单元产生的磁通的磁通环装置，其中，该磁通环单元与另一个轴刚性地连接； 和传感器单元，该传感器单元具有至少一个对磁场敏感的用于感测穿过磁通环装置的磁通 变化的第一传感器元件，其中，该传感器单元位置固定地安装在磁通环单元对面。
背景技术：
在DE 102005031086A1中描述了一种这样的传感器装置。该传感器装置的结构和 单个部件的共同作用通过图1的分解图显示，其中，出于清楚的原因既没有示出这两个轴 也没有示出扭杆。磁铁单元1的磁极轮11与两个轴中的一个轴连接并且与所述轴的轴线同心地设 置。该磁极轮由环段形的北极和南极磁铁元件12和13的交替布置组成。磁通环单元2的磁通环装置20包括由铁磁材料制成的内磁通环21和外磁通环 22。这两个磁通环21、22与另一个轴连接，使得它们相互同心地且平行于轴的轴线、即平行 于磁极轮11定向。在内磁通环21上构造有径向地从该轴向外指向的齿23，而外磁通环22 设有径向地向内指向该轴的齿对。这两个磁通环21、22被这样地设置和设计，使得它们的 齿23和M交替地嵌接并且具有距磁极轮11同样的轴向间距。此外，齿23、24的几何形状 以及齿23J4之间的间距与磁极元件12和13的环段形状和大小相一致。具有对磁场敏感的传感器元件30的传感器单元3构成已知的传感器装置的第三 部件。该传感器单元3位置固定地设置在磁通环装置20对面。该传感器单元包括两个磁 通收集元件31、32，借助磁通收集元件将穿过磁通环装置20的磁通有针对性地输入给传感 器元件30。为此，磁通收集元件31和32彼此相邻地设置，一个设置在内磁通环21的圆周 上，一个设置在外磁通环22的圆周上。传感器元件30位于磁通收集元件31和32之间，这 些磁通收集元件在该区域中设有用于传感器元件30的专门的突出部33。如果现在在输入轴和输出轴之间产生转矩，则扭杆自身扭转并且磁极轮11与磁 通环装置20相反地扭转。因此，在传感器元件30的位置上的磁场强度变化。磁场强度的 变化借助传感器元件30转化成电学测量信号。在机动车领域中，在这里讨论的类型的转矩传感器例如在转向系统的范围中使 用。转矩测量信号在这里用作电学转向支持装置的调节量。就此而言，被证明有利的是，转 矩传感器附加地配设有索引功能，使得转矩传感器识别转向轮或者说转向柱的笔直行驶位 置。这对应于输入轴或输出轴的确定的角度位置，即0°角度位置。具有这种索引功能的转矩传感器装置在实践中已经被使用。因此，已知的是，索引 功能借助机械开关元件、例如微型开关或者齿轮实现。此外提出了一种传感器构思，该传感器构思以可磁性地操作的开关元件的形式提出无接触式地实现索引功能。该开关元件通常是数字霍尔IC，其设置在传感器单元内部的 电路板上。该数字霍尔IC借助索引磁铁转换，该索引磁铁被固定在磁通环单元的圆周上的 定义位置上。在索引磁铁从传感器单元旁边转过时，数字霍尔IC发出开关信号，该开关信 号指出转换轮位于通过索引磁铁定义的位置中。与索引功能的机械式实现相比，无接触式的变型被证明是有利的，因为索引磁铁 和开关IC不受任何机械应力和由此也不受任何磨损。然而，已知的具有磁性地实现的索引 功能的传感器装置的结构是比较耗费的，尤其这涉及到索引磁铁的布置和开关IC的安装。 也就是说，索引磁铁在这里这样地设置在磁通环单元上，使得索引磁铁受到由磁极轮在磁 通环中引起的磁通的影响尽可能小。该装置引起数字开关IC必须设置成距传感器元件具 有相对大的间距，通过传感器元件感测穿过磁通环的磁通的变化。在实践中，开关IC因此 借助专门的保持器安装到电路板的底侧上，在该电路板的正面设有对磁场敏感的传感器元 件。
发明内容
通过本发明提出了一种用于转矩传感器装置的构思，根据该构思无接触地以比较 小的装配耗费实现索引功能。为此，根据本发明的传感器装置包括至少一个索引磁铁，该索引磁铁在由磁铁单 元产生的磁场的区域中安装在磁通环单元上。此外，该传感器装置的传感器单元包括至少 一个对磁场敏感的另外的传感器元件，它与第一传感器元件一起、但是与该第一传感器元 件间隔开地设置在磁通环装置的区域中的一圆周上。此外，设有用于分析处理第一和另外 的传感器元件的传感器信号的器件。根据本发明看出，两个传感器功能，即转矩检测和索引功能，不必相互独立地通过 传感器装置的不同部件实现，而是也允许借助至少两个等值的对磁场敏感的传感器元件的 传感器信号来求得索引磁铁的位置，如其用于确定转矩那样。为此，索引磁铁被这样地确定 尺寸和设置，使得该索引磁铁显著地影响到通过磁极轮在磁通环装置内部引起的磁通。因 为通过索引磁铁引起的磁通干扰与位置相关，所以至少两个对磁场敏感的传感器元件根据 本发明彼此间隔开地设置。在这种情况下，可以由传感器信号计算出索引磁铁的位置并且 能够补偿转矩信号的由索引磁铁引起的偏移量移动。也就是说，索引磁铁的位置根据本发明不是借助附加的、完全用于索引功能的、机 械地或无接触地工作的开关实现，而是借助一个另外的对磁场敏感的传感器元件实现，当 配设有磁通环单元的轴不位于通过索引磁铁定义的角度位置中时，该另外的传感器元件提 供测量信号。该附加的测量信号提供用于求得转矩的冗余信息并且有助于转矩检测的可靠 性和可用性。根据本发明的索引功能的构思也允许在结构上非常简单地集成到如构成本发明 出发点的转矩传感器装置中。与由现有技术已知的可无接触地操作的开关IC不同，该另外 的传感器元件能够与所述至少一个第一传感器元件一起设置在传感器单元中的共同的电 路板的正面上。为此不需要专门的保持元件。原则上存在用于实现根据本发明的传感器装置的不同可能性，其中，单个部件必 须在结构上分别这样地相互匹配，使得磁铁单元的磁极轮与磁通环装置一起构成一个磁通回路。此外，该传感器单元的传感器元件必须这样地设置在磁通回路内部，使得这些传感器 元件检测至少两个相互间隔开的测量位置上的磁通。在本发明的一种有利的实施方式中，磁通环装置包括一个内磁通环和一个外磁通 环，它们与轴的轴线同心地且平行于磁极轮地安装。内磁通环包括径向地从轴向外指向的 铁磁的齿，而外磁通环设有径向地向内指向轴的铁磁的齿，使得内磁通环和外磁通环的齿 啮合。在该变型中，磁极轮的磁信息被磁通环装置的径向定向的齿截取。磁极轮、磁通环和 传感器元件之间的轴向移动在该结构中对信号检测的品质仅具有比较小的作用。此外，在 这里传感器装置的所有部件从轴装置的一个端部开始安装。在根据本发明的传感器装置的一种优选构型中，传感器单元对于磁通环装置的每 个磁通环包括至少一个磁通收集元件，磁通收集元件彼此相邻地设置。两个传感器元件这 时设置在磁通收集元件的区域中。以这种方式有针对性地将磁通输送给两个传感器元件。 由此允许明显地提高信号检测的品质。为了支持索引功能，此外可以这样地设计磁通收集 元件和索引磁铁，使得索引磁铁对磁通环装置中的磁通的影响基本上仅在索引磁铁位于磁 通收集元件的区域中时才被检测。在其它情况下，索引磁铁对传感器信号的影响非常弱，使 得该影响可以被忽略。在使用具有径向齿的磁通环装置时，通过磁通收集元件允许达到特别好的测量结 果，这些磁通收集元件以各两个同心地设置且至少磁性地相互连接的由铁磁材料制成的环 形区段的形式实现，其中，一个环形区段设置在所属的磁通环的内侧上，另一个环形区段设 置在所属的磁通环的外侧上。两个磁通环中的每个可以与轴一起不受阻碍地在该磁通环的 位置固定的磁通收集元件的两个环形区段之间扭转。第一和另外的传感器元件在这种情况 下设置在内磁通环的磁通收集元件的外环形区段与外磁通环的磁通收集元件的内环形区 段之间的区域中。在这里可以简单地通过以下方式改善磁通至传感器元件的输入内磁通环的磁通 收集元件的外环形区段与外磁通环的磁通收集元件的内环形区段具有用于传感器元件的 专门的突出部，以将这些环形区段与收集元件之间的空隙间隙保持得尽可能小。这些突出 部也可以这样地构造，使得传感器元件与环形区段触碰接触。作为传感器元件优选使用线性霍尔传感器。如已经阐述的那样，根据本发明的传感器装置的以上所述的结构基于用于索引识 别的新型构思。因此，在这里除了相应的传感器装置也要求保护一种用于求得通过扭杆相 互连接的输入轴与输出轴之间的扭矩并且用于检测输出轴的预给定的角度位置(索引功 能)的方法。根据该方法，借助与输入轴刚性地连接的磁极轮在与输出轴刚性地连接的磁 通环装置中产生磁通。此外，借助磁通环装置上的索引磁铁在磁通环装置内部产生磁性的 干扰信号，该干扰信号与磁极轮的磁通叠加并且主要在输出轴的确定的角度位置范围中在 预给定的测量位置上可检测到。合成的磁通在磁通环装置的区域中在至少两个固定地预 给定且相互间隔开的测量位置上被检测。由这两个测量信号求得转矩信号和索引磁铁的位 置。
如在前面已经描述的那样，存在以有利的方式对本发明的教导进行设计和扩展的各种可能性。为此，一方面参考从属于独立权利要求1的权利要求，另一方面参考根据附图 对本发明实施例的以下说明。图1示出如由现有技术已知的、用于转矩检测的传感器装置的单个部件的分解 图；和图2示出根据本发明的传感器装置100的示意性剖视图。
具体实施例方式在图2中示出的传感器装置100按照在图1中所示的用于转矩检测的传感器装置 构造，但是根据本发明附加地还配设有用于索引识别的器件，即索引磁铁40和对磁场敏感 的附加传感器元件41。根据本发明的构思要求在传感器装置100内部专门地定位这些部 件，这特别好地通过图2的示意性剖视图显示。该剖切面垂直于轴的轴线定向并且延伸穿过具有内磁通环21和外磁通环22的磁 通环单元2。这两个磁通环21和22与轴的轴线同心地且平行于磁铁单元的磁极轮安装，磁 铁单元在这里没有示出，因为它被设置在剖切面上方。如在图1的情况中那样，内磁通环21 设有径向地从轴向外指向的铁磁的齿，而外磁通环22设有径向地向内指向轴的铁磁的齿， 使得两个磁通环21和22的齿啮合。此外，磁通环单元2包括套筒25、该套筒用于固定到轴 上或者说旁边。相应地，套筒25与磁通环装置20—起随着轴转动。索引磁铁40被这样地 安装在磁通环单元2的套筒25上，使得索引磁铁位于由磁铁单元产生的磁场的区域中。与具有索引磁铁40的磁通环单元2不同，传感器装置100的传感器单元3位置固 定地被安装。传感器单元包括用于内磁通环21的磁通收集元件31和用于外磁通环22的 磁通收集元件32。这两个磁通收集元件31和32中的每个以各两个同心地设置并且不但机 械地而且磁性地相互连接的由铁磁材料制成的环形区段311、312或者说321、322的形式实 现。磁通收集元件31或者说32的这两个环形区段311、312或者说321、322设置在所属的 磁通环21或者说22的内侧和外侧上，使得每个磁通环21和22能够与轴一起不受阻碍地 在该磁通环的位置固定的磁通收集元件31或者说32的两个环形区段311、312或者说321、 322之间扭转。图2此外显示两个磁通收集元件31和32相邻地布置在两个磁通环21和 22的圆周上。在这里所示的实施例中，两个专门的突出部33分别位于内磁通环21的磁通收集 元件31的外环形区段312以及外磁通环22的磁通收集元件32的内环形区段321上，所述 突出部共同地构成用于传感器元件301、302和41的两个接收装置，使得传感器元件设置在 内磁通环21的磁通收集元件31的外环形区段312与外磁通环22的磁通收集元件32的内 环形区段321之间的区域中。两个接收装置中的一个设置在两个磁通收集元件31、32的中 心区域中并且设计用于两个直接并排地设置的传感器元件301和302。另一个接收装置与 第一接收装置间隔开，构造在两个磁通收集元件31和32的端部区域中并且在这里仅设计 用于一个另外的传感器元件41。所有三个传感器元件301、302和41在这里指的是线性的霍尔传感器，通过这些霍 尔传感器感测穿过磁通环装置20的磁通变化，该磁通变化通过磁铁单元与磁通环单元2之 间的扭转引起。因为传感器元件301和302是同类型的并且直接并排地设置，所以它们提供非常相似的测量信号，这些测量信号仅仅最小地相移。两个同类型的传感器元件在一个测量位 置上的布置尽管增加了用于确定转矩的测量信号检测的可靠性和失效安全性，但是不提供 任何用于索引识别的附加信息。此外，传感器装置100包括另外的传感器元件41，该另外的传感器元件明显与两 个传感器元件301和302间隔开地设置在磁通收集元件31和32的区域中。一方面由此在 传感器元件301和302的测量信号与传感器元件41的测量信号之间存在明显的相移。另 一方面，在磁通环单元2中由索引磁铁40引起的磁通干扰在传感器元件41的测量位置上 的作用明显不同于在传感器元件301和302的测量位置上的作用。也就是说，传感器元件 41的测量信号提供附加信息，通过该附加信息不但允许确定索引磁铁40对测量信号的影 响而且允许确定索引磁铁40相对于固定的传感器元件301和302的位置。以下详细阐述 为此所需的对测量信号的分析处理。如果线性霍尔传感器仅检测由磁铁单元在磁通环装置中引起的磁通，转矩信号通 常基于线性霍尔传感器301和302的测量信号的信号电平求得。但是在根据本发明的传感 器装置100的范围中，该信号电平不是仅通过磁铁单元与磁通环单元2之间的扭转确定，而 是也通过索引磁铁40确定。索引磁铁40在这里有利地具有这样的尺寸，使得仅当索引磁 铁位于磁通收集元件31、32的区域中时，索引磁铁才引起测量信号与额定信号的偏差，该 额定信号对应于施加的转矩。在这种情况下，索引磁铁40的影响导致在转矩求得过程中的 误差。该误差的大小取决于索引磁铁40与相应的传感器元件301或302的间距。也就是 说，测量信号与额定信号的偏差一直增加，直到索引磁铁40在磁通收集元件31、32的中心 区域中直接地位于传感器元件301和302对面。在这里，误差是最大的。角度位置Ψ与误 差f (Ψ)之间的关系允许非�：玫赝ü孜锵叻匠堂枋� ^Ψ) = &屯2+卜屯+0其中，a对应于索引宽度的估计值，该索引宽度通过索引磁铁的强度、温度和空气间隙确 定，b通过两个测量位置、即传感器元件301、302的位置与另外的传感器元件41的位 置之间的间距给定，c对应于额定信号的信号电平，和Ψ对应于索引位置。借助传感器元件301、302和传感器元件41能够检测该误差函数的两个点，即对应 于传感器元件的测量位置的角度位置Ψ的点。因此，允许确定额定信号的信号电平c并且 能够根据Ψ求解方程f (Ψ)。余弦方程提供了对角度位置Ψ与误差f (Ψ)之间的关系的同样非�：玫拿枋�= b cos(W)+Cb在这里对应于通过索引磁铁引起的最大误差，c对应于额定信号的信号电平；和Ψ对应于索引位置。在这里也能够借助传感器元件301、302和传感器元件41的测量信号确定额定信 号的信号电平c并且能够根据Ψ求解方程f (Ψ)。
权利要求
1.用于求得通过扭杆相互连接的输入轴与输出轴之间的转矩的传感器装置，该传感器 装置包括磁铁单元(1)，该磁铁单元具有用于产生磁场的磁极轮(11)，其中，所述磁铁单元(1) 刚性地与两个轴中的一个轴连接；磁通环单元O)，该磁通环单元具有用于转变和传导由所述磁铁单元(1)产生的磁通 的磁通环装置(20)，其中，所述磁通环单元O)刚性地与另一个轴连接；和传感器单元(3)，该传感器单元具有至少一个对磁场敏感的用于感测穿过所述磁通环 装置00)的磁通的变化的第一传感器元件(30)，其中，所述传感器单元C3)位置固定地安 装在所述磁通环单元( 对面；其特征在于，至少一个索引磁铁GO)在由所述磁铁单元(1)产生的磁场的区域中被安 装所述磁通环单元( 上，所述传感器单元C3)包括至少一个对磁场敏感的另外的传感器 元件(41)，所述另外的传感器元件Gl)与所述第一传感器元件(301,30 共同地、但是与 所述第一传感器元件间隔开地设置在所述磁通环装置00)的区域中的一圆周上，并且设 有用于分析处理所述第一和另外的传感器元件(301，302 ；41)的传感器信号的器件。
2.根据权利要求1的传感器装置，其特征在于，所述磁通环装置00)包括与所述轴 的轴线同心且与所述磁极轮(11)平行地安装的内磁通环和外磁通环(22)，所述内磁 通环设有径向地从所述轴向外指向的铁磁的齿并且所述外磁通环(2 设有径 向地向内指向所述轴的铁磁的齿(M)，使得所述内磁通环和所述外磁通环0 的齿 (23,24)啮合。
3.根据权利要求1或2的传感器装置，其特征在于，所述传感器单元C3)对于所述磁通 环单元( 的每个磁通环(21,2 包括至少一个磁通收集元件(31，32)，这些磁通收集元件 彼此相邻地设置在相应的磁通环01，22)的圆周上，所述第一和另外的传感器元件(301， 302 ；41)设置在所述磁通收集元件(31，32)的区域中。
4.根据权利要求2和3的传感器装置，其特征在于，所述磁通收集元件(31,3 以各两 个同心地设置且至少磁性地相互连接的由铁磁材料制成的环形区段(311，312 ；321,322) 的形式实现，其中一个环形区段(311 ；321)设置在所属的磁通环Ol ；22)的内侧上并且另 一个环形区段(312 ；322)设置在所属的磁通环01，22)的外侧上，使得每个磁通环01， 22)与所述轴一起能够不受阻碍地在该磁通环的位置固定的磁通收集元件(31，32)的两个 环形区段(311，312 ；321, 322)之间扭转，并且所述第一和另外的传感器元件(301,302)设 置在所述内磁通环的磁通收集元件(31)的外环形区段(31 与所述外磁通环02) 的磁通收集元件(32)的内环形区段(321)之间的区域中。
5.根据权利要求4的传感器装置，其特征在于，至少所述内磁通环的磁通收集 元件(31)的外环形区段(31 和所述外磁通环0 的磁通收集元件(3 的内环形区段 (321)具有用于所述传感器元件(301,302 ；41)的专门的突出部(33)。
6.根据权利要求1至5之一的传感器装置，其特征在于，所述至少一个第一和另外的传 感器元件(301，302;41)以线性霍尔传感器的形式实现。
7.用于尤其借助根据权利要求1至6之一的传感器装置求得通过扭杆相互连接的输入 轴与输出轴之间的转矩并且用于检测该输出轴的预给定的角度位置(索引功能)的方法， 其中借助与输入轴刚性地连接的磁极轮在与输出轴刚性地连接的磁通环装置中产生磁通， 借助该磁通环装置上的索引磁铁在该磁通环装置内部产生磁性的干扰信号，该干扰信 号与磁极轮的磁通叠加并且主要可在输出轴的确定的角度位置范围中在预给定的测量位 置上被检测，在磁通环装置的区域中在至少两个固定地预给定并且相互间隔开的测量位置上检测 合成的磁通，并且由至少两个测量信号求得转矩信号和索引磁铁的位置。
全文摘要
本发明涉及用于求得转矩和用于索引识别的传感器装置和方法，其能够以比较小的装配耗费无接触地实现索引功能。提出了用于求得输入轴与输出轴之间的转矩的传感器装置(100)，包括具有磁极轮(11)的磁铁单元(1)；具有磁通环装置(20)的磁通环单元(2)；和具有对磁场敏感的第一传感器元件(30)的传感器单元(3)。索引功能借助索引磁铁(40)和至少一个对磁场敏感的另外的传感器元件(41)实现，该索引磁铁在由磁铁单元(1)产生的磁场的区域中被安装到磁通环单元(2)上，另外的传感器元件(41)与第一传感器元件(301，302)共同地、但与其间隔开地设置在磁通环装置(20)的区域中的一圆周上。还设有用于分析处理第一和另外的传感器元件(301，302；41)的传感器信号的器件。
文档编号G01L5/22GK102080998SQ201010582420
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月29日 优先权日2009年11月27日
发明者H·贝朗 申请人:罗伯特·博世有限公司
专业数控铣床产品供应商
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