專利名稱：用來測量轉(zhuǎn)角和/或扭矩的傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按獨立權(quán)利要求前序部分的、用來測量轉(zhuǎn)角和/或扭矩、特別是裝在輪軸或軸上的傳感裝置。
背景技術(shù)：
由US-PS 5,501,110已知一種傳感裝置，其中它可以測量傳遞到輪軸上的扭矩。扭矩由輪軸末端的扭轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)角錯位和取決于輪軸材料和幾何形狀的彈性常數(shù)確定。這里設(shè)置有兩塊磁鐵，在和車橋一起旋轉(zhuǎn)的盤的外圓周上偏心地各安裝一個位于磁鐵對面的霍爾傳感器。
例如為了測量在轉(zhuǎn)向輪旋轉(zhuǎn)期間作用在汽車轉(zhuǎn)向輪軸上的扭矩，必須測量在轉(zhuǎn)向輪兩個旋轉(zhuǎn)方向的非常小的角度變化。在旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)向輪軸上的扭矩對于汽車中的許多調(diào)節(jié)和控制任務(wù)是一個關(guān)鍵量，并且原則上可以用不同的已知方法測量。例如這可以用按渦流原理的傳感裝置或用一由刻度盤和CCD芯片組成的光學(xué)裝置構(gòu)成。
在按開頭所述的、由現(xiàn)有技術(shù)已知的原理的傳感裝置中主要存在這樣的危險，即通過在安裝磁鐵的極時由于誤差問題形成的循環(huán)調(diào)制可能出現(xiàn)比較大的測量誤差。其次在測量旋轉(zhuǎn)軸上的信號時信號可能難以傳送，雖然根據(jù)應(yīng)用場合的不同這可以用旋轉(zhuǎn)傳送器或滑環(huán)解決，但是費用較高并且易受干擾。
發(fā)明概述開頭所述類型的用來測量旋轉(zhuǎn)著的機械構(gòu)件轉(zhuǎn)角和/或扭矩的傳感裝置按權(quán)利要求1的特征有利地通過這樣的方法來改進(jìn)，即在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上形成一作為外軸的扭轉(zhuǎn)軸，在其一個末端上作用著扭矩。這樣在外軸的另一端的端面區(qū)域內(nèi)可以測取扭矩，其中一內(nèi)軸與外軸同心布置，此內(nèi)軸以其一端固定在外軸上扭矩輸入?yún)^(qū)內(nèi)。按本發(fā)明在外軸和內(nèi)軸的末端端面上設(shè)有信號發(fā)生元件，它們分別配設(shè)一個位置固定的檢測元件。
在一種優(yōu)選的實施形式中在內(nèi)軸上安裝一作為信號發(fā)生元件的磁鐵，以測量扭矩輸入端的轉(zhuǎn)角，并產(chǎn)生一朝向軸心線的徑向磁場。這里有利地在外軸上與內(nèi)軸同心地在一個磁鐵之外安裝作為信號發(fā)生元件的另一個磁鐵，以測量扭矩輸出端的轉(zhuǎn)角。由此產(chǎn)生另一個徑向磁場，使得從現(xiàn)在起可以通過扭矩的作用測量磁場的相對旋轉(zhuǎn)，這里轉(zhuǎn)角與扭矩成正比。
檢測元件或傳感器可以簡單地是一個磁阻傳感器，例如是所謂的AMR或GMR傳感器(AMR＝各向異性磁阻的，GMR＝巨磁阻的)，它們可以發(fā)出基本上取決于與可旋轉(zhuǎn)的軸連接的磁鐵的磁力線方向的信號，并這樣地設(shè)置在磁鐵的磁場內(nèi)，使其磁場敏感層位于引起角度變化的軸的旋轉(zhuǎn)的切線方向。
在一優(yōu)良的處理線路中可以由這些信號分別求出內(nèi)軸和外軸的絕對轉(zhuǎn)角，和如上所述，由相對轉(zhuǎn)角求出作用的扭矩。如果內(nèi)外軸裝在汽車的轉(zhuǎn)向軸上，便得到本發(fā)明一種特別優(yōu)良的應(yīng)用。
其次，如果在外軸軸端上與軸心線偏心或同心地安裝用于其他旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的驅(qū)動裝置，是有利的。以此可以方便地測出和算出外軸或轉(zhuǎn)向軸的大于360°的轉(zhuǎn)角，其中其他物體的轉(zhuǎn)角的測量同樣可以用磁場敏感的傳感裝置進(jìn)行。所要求的驅(qū)動裝置可以是一個齒輪傳動裝置，其中在另一物體圓周上的齒數(shù)不同于在外軸上的齒數(shù)，從而對于每一整轉(zhuǎn)提供一個單一的信號。
總之對于按本發(fā)明的具有同心安裝在軸上的轉(zhuǎn)角測量裝置的傳感裝置特別是通過磁鐵中心和傳感元件定位在軸心線上得到一系列優(yōu)點。用同時測量各個磁場方向可以根據(jù)兩個磁場方向測量的比較監(jiān)測旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，例如轉(zhuǎn)向軸的角度誤差。
在應(yīng)用于汽車中時電子處理裝置也可以方便地模塊化地安裝在一個緊湊的殼體內(nèi)，因為特別是可以沒有附加的摩擦力矩地非接觸測量扭矩和轉(zhuǎn)向輪角度(＞360°)。因此這里可以制造一封閉的殼體，使得可能對濕度不敏感，并使傳感器殼體連同電子裝置的更換方便。
這里可用本發(fā)明的傳感裝置進(jìn)行的角度測量可以用許多，尤其是非接觸式的測量方法進(jìn)行，并不局限于磁場方向的測量。測量可以在許多旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上進(jìn)行，例如用在汽車中時也可以在轉(zhuǎn)向傳動箱、在駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向輪，在差動箱或發(fā)動機軸上進(jìn)行，以求出例如轉(zhuǎn)向輪角度、車輪角度、角速度、角加速度和扭矩。
本發(fā)明優(yōu)選的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的這些和其它特征除由權(quán)利要求書還由說明和附圖中看出，其中各個特征各自單獨地或許多特征在相互組合的形式能夠在本發(fā)明的實施形式中和其它領(lǐng)域中實現(xiàn)，并可用是優(yōu)良的以及單獨可保護(hù)的結(jié)構(gòu)表示出來，在這里均要求得到保護(hù)。
附圖簡介借助于附圖對本發(fā)明的傳感裝置的實施例加以說明。附圖表示

圖1一用于汽車的轉(zhuǎn)向器傳動箱連同用來測量作用在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上的扭矩的傳感裝置的剖視圖，和圖2轉(zhuǎn)向器傳動箱的內(nèi)外軸的軸端連同一附加的用來測量轉(zhuǎn)向軸整轉(zhuǎn)數(shù)的裝置的局部剖視圖。
實施例說明在圖1中用一示意圖表示一轉(zhuǎn)向器傳動箱1，它可以通過一可旋轉(zhuǎn)的連接元件2施加帶有扭矩的轉(zhuǎn)向運動(扭矩輸入)。在轉(zhuǎn)向器傳動箱1內(nèi)形成一外軸3，它具有一扭轉(zhuǎn)區(qū)4，并具有一用于將旋轉(zhuǎn)運動傳遞到一轉(zhuǎn)向橫拉桿6上的連接元件5，其中在這個連接元件上轉(zhuǎn)向運動的扭矩用相應(yīng)設(shè)計的傳動箱進(jìn)一步傳遞出去(扭矩輸出)。
其次在按圖1的轉(zhuǎn)向器傳動箱1內(nèi)有一內(nèi)軸7，它牢固固定在連接元件2上(扭矩輸入)。在內(nèi)軸7的軸端上有一磁鐵8，在其徑向磁場內(nèi)設(shè)有一磁場敏感的傳感器9，例如AMR傳感器。在外軸3的軸端上有一磁鐵10，其徑向磁場由一第二傳感器11檢測。
傳感器9和11連接在一電子處理回路12上，在該回路中測量取決于磁場方向，從而與旋轉(zhuǎn)位置有關(guān)的傳感器9和11的信號并可以部分地處理。在處理回路12中的各個構(gòu)件及其功能對于理解本發(fā)明在這里不需詳細(xì)說明。處理回路12的輸出信號通過一用于連接的電氣插頭13提供給汽車的車用電子裝置。
在在按圖1的轉(zhuǎn)向器傳動箱1上施加一轉(zhuǎn)向運動時通過在外軸3的位于連接元件2(扭矩輸入端)上的區(qū)域上和位于另一軸端(扭矩輸出端)上的區(qū)域5內(nèi)加上一扭矩產(chǎn)生一轉(zhuǎn)角(外軸的扭轉(zhuǎn)角)。這時外軸3上的磁鐵10扭轉(zhuǎn)和外軸上所謂的扭矩輸出端的區(qū)域5一樣的角度。但是內(nèi)軸7和內(nèi)軸7上的磁鐵8扭轉(zhuǎn)和外軸3的所謂扭矩輸入端上的區(qū)域2同樣的角度。因此兩上磁鐵8和10以及其磁場相互相對扭轉(zhuǎn)，并且相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角可以檢測出來。在磁場測量部位傳感器9和11上的磁場的這個扭轉(zhuǎn)角度正比于外軸3的扭轉(zhuǎn)角度，從而正比于扭矩。
圖2中表示按圖1的轉(zhuǎn)向器傳動箱1連同一旋轉(zhuǎn)構(gòu)件14的附加驅(qū)動裝置的放大圖。這里通過外軸3軸端上的一外齒圈15和附加構(gòu)件14上的一相應(yīng)齒圈15促使第三個磁鐵16跟隨旋轉(zhuǎn)，它同樣可以用一磁場敏感的傳感器17測量。這里測量原理和處理最好相應(yīng)于圖1中的傳感器9和11的工作原理。用按圖2的這種結(jié)構(gòu)可以例如通過兩上齒圈15不同的齒數(shù)進(jìn)行單一的測量和連接在連接元件2上的轉(zhuǎn)向軸的整轉(zhuǎn)數(shù)的計數(shù)。
權(quán)利要求
1.用來測量旋轉(zhuǎn)著的機械構(gòu)件(3，7；14)上的轉(zhuǎn)角和扭矩的傳感裝置，具有-信號發(fā)生元件(8，10；16)和信號檢測元件(9，11；17)，其中信號發(fā)生元件(8，10；16)分別固定在運動的機械構(gòu)件(3，7；14)上，其特征在于-在旋轉(zhuǎn)著的構(gòu)件上形成一作為外軸(3)的扭轉(zhuǎn)軸，在外軸的一端的區(qū)域(2)上作用一扭矩，在另一軸端的區(qū)域(5)內(nèi)可輸出扭矩，其中與外軸(3)同心地設(shè)一內(nèi)軸(7)，它以其一端固定在外軸(3)上扭矩輸入的區(qū)域(2)內(nèi)，-外軸(3)和內(nèi)軸(7)的軸端上安裝信號發(fā)生元件(8，10)，它們分別配設(shè)一位置固定的信號檢測元件(9，11；17)。
2.按權(quán)利要求1所述的傳感裝置，具有-至少一個作為信號發(fā)生元件的磁鐵(8，10；16)和至少一個作為信號檢測元件的傳感器(9，11；17)，傳感器發(fā)生一取決于磁鐵(8，10；16)磁力線方向的輸出電信號，其特征在于-在外軸(3)和內(nèi)軸(7)的軸端上安裝帶有沿徑向分布的磁場的磁鐵(8，10)，它們最好在軸心線上分別配設(shè)一位置固定的磁場敏感的傳感器(9，11；17)。
3.按權(quán)利要求2所述的傳感裝置，其特征在于-在內(nèi)軸(7)上用來測量扭矩輸入?yún)^(qū)(2)的轉(zhuǎn)角的磁鐵(8)產(chǎn)生一徑向磁場，在外軸(3)上的用來測量扭矩輸出區(qū)(5)內(nèi)的轉(zhuǎn)角的另一磁鐵安裝在第一塊磁鐵(8)之外，并產(chǎn)生另一個徑向磁場，-在扭矩的作用下可測出磁場相互的相對扭轉(zhuǎn)，其中扭轉(zhuǎn)角度正比于扭矩。
4.按上述權(quán)利要求之任一項所述的傳感裝置，其特征在于-在外軸(3)軸端上安裝一用于另一旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(14)的驅(qū)動裝置(15)，用它可以測量軸(3，7)的大于360°的轉(zhuǎn)數(shù)。
5.按權(quán)利要求4所述的傳感裝置，其特征在于-另一構(gòu)件(14)的轉(zhuǎn)角的測量同樣可以用一磁場敏感的傳感裝置(16，17)進(jìn)行。
6.按權(quán)利要求4或5的傳感裝置，其特征在于-驅(qū)動裝置是一齒輪傳動裝置(15)，其中另一構(gòu)件(14)圓周上的齒數(shù)不同于外軸(3)上的齒數(shù)。
7.按上述權(quán)利要求之任一項所述的傳感裝置，其特征在于-傳感器(9，11；17)是磁阻傳感器，它這樣地設(shè)置在磁鐵(8，10；16)的磁場內(nèi)，使得其磁場敏感層位于軸(3，7；14)的引起轉(zhuǎn)角變化的傳動的切線方向上。
8.按權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于-傳感器(9，10；17)為磁阻式各向異性磁阻的或巨磁阻的傳感器，它們發(fā)出基本上取決于與可旋轉(zhuǎn)的軸(3，7；14)相連的磁鐵(8，10；16)的磁力線的信號，-在處理回路(12)內(nèi)由這些信號可分別求出內(nèi)、外軸(3，7)的絕對轉(zhuǎn)角，并由相對的扭轉(zhuǎn)角度求出作用的扭矩。
9.按上述權(quán)利要求之任一項所述的傳感裝置，其特征在于-內(nèi)外軸(3，7)裝在汽車的轉(zhuǎn)向軸上。
10.按上述權(quán)利要求之任一項所述的傳感裝置，其特征在于-內(nèi)、外軸(3，7)內(nèi)置在發(fā)動機軸內(nèi)。
全文摘要
推薦一種用來測量旋轉(zhuǎn)著的機械構(gòu)件上的轉(zhuǎn)角和/或扭矩的傳感裝置，其中在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上形成一作為外軸(3)的扭轉(zhuǎn)軸，扭矩作用在一末端區(qū)域(2)上，在另一軸端區(qū)域(5)內(nèi)可輸出扭矩。與外軸(3)同心設(shè)置一內(nèi)軸(7)，并以其一端固定在外軸(3)上扭矩輸入?yún)^(qū)(2)內(nèi)。在外軸(3)和內(nèi)軸(7)的軸端上最好安裝帶有相對于軸心線徑向分布的磁場的磁鐵(8，10)，它們分別配設(shè)一位置固定的傳感器(9，11)。在扭矩作用下可測量磁場相互的相對扭轉(zhuǎn)，其中扭轉(zhuǎn)角正比于扭矩。
文檔編號B62D5/06GK1433514SQ00818764
公開日2003年7月30日 申請日期2000年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月4日
發(fā)明者R·諾爾特梅耶 申請人:羅伯特-博希股份公司