用于检测扭矩的传感器的制作方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及一种用于检测施加在扭转元件上并围绕旋转轴线作用的扭矩的传感器以及一种具有该传感器的车辆。背景技术：2.从ep1167936a2中已知一种用于检测施加在扭转元件上并围绕旋转轴线作用的扭矩的传感器，该传感器包括发射器元件，该发射器元件可以相对于扭转元件的第一轴向端部以固定的方式安装，并且被设计成输出能够围绕旋转轴线在周向方向上变化的发射场；传感器芯片，该传感器芯片可以相对于扭转元件的与第一轴向端相对的第二端以固定方式安装，并且被设计成输出取决于到达传感器芯片的发射场的测量信号；以及评估设备，该评估设备被设计成基于测量信号输出取决于扭矩的传感器信号。在传感器中，发射器元件和传感器芯片轴向布置在相同的高度处并且径向间隔开。技术实现要素：3.本发明的目的是改进已知的传感器。4.该任务通过独立权利要求的特性来完成。优选实施例是从属权利要求的主题。5.根据本发明的一方面，一种用于检测施加在扭转元件上并围绕旋转轴线作用的扭矩的传感器包括：发射器元件，该发射器元件可以相对于扭转元件的第一轴向端部以固定的方式安装，并且被设计成输出能够围绕旋转轴线在周向方向上变化的发射场；传感器芯片，该传感器芯片可以相对于扭转元件的与第一轴向端相对的第二端以固定方式安装，并且被设计成输出取决于到达传感器芯片的发射场的测量信号；以及评估设备，该评估设备被设计成基于测量信号输出取决于扭矩的传感器信号。传感器芯片被布置在距发射器元件轴向距离处、径向重叠发射器元件。这意味着，在根据本发明的传感器中，发射器元件和传感器芯片轴向布置在相同的高度处并且径向间隔开。6.特定的传感器基于这样的思想，即用于检测扭矩的扭转元件被设计成是弹性的。由于弹性，扭转元件可以利用扭矩绕旋转轴扭转，其中发射器元件与传感器芯片在周向方向上的相对位置取决于扭矩。因为发射场在围绕旋转轴线的周向方向上也是可变的，因此输出的测量信号取决于扭矩。然而，在使用期间不仅扭矩作用在扭转元件上，而且由于机械间隙剪切力也作用在扭转元件上，这导致发射器元件和传感器芯片之间的相对径向未对准，并改变到达传感器芯片的发射场。这种变化导致测量信号方面的变化，并且因此导致扭矩的错误检测。7.为了避免这种误差，因此建议利用特定的传感器将传感器芯片定位成不是径向于发射器元件，而是轴向于发射器元件。这降低了传感器对前面提及的剪切力的灵敏度，并且因此降低了扭矩检测方面的误差。8.在特定传感器的实施例中，发射器元件是发射磁场作为发射场的磁体，其中传感器芯片被设计成作为到达传感器芯片的磁场的函数来输出测量信号。在没有外部能量供应的应用中，磁场可以主要利用呈永磁体的形式的磁体生成，使得这种形式的发射场可以以可靠、节能和节省空间的方式实施。9.在特定传感器的特定实施例中，磁体被设计成具有直线形状，并且与旋转轴线相切地进行布置。这种磁体可以更经济地获得，因为例如它们的形状使它们更容易堆叠以便进行运输。10.在特定传感器的另外的实施例中，当扭矩为零时，相对于旋转轴线的垂直足点居中布置在磁体上。以这样的方式，在正旋转方向上旋转扭转元件的正扭矩和在负旋转方向上旋转扭转元件的负扭矩可以利用磁体在相等幅度的值的范围内进行检测。11.在特定传感器的特别优选的实施例中，磁体的直线形状是条形磁体的形状，该条形磁体由于其标准形状在经济上特别划算。12.在特定传感器的另一实施例中，传感器芯片相对于条形磁体可移动地布置在围绕旋转轴线引导的圆形路径上，从轴向观看，该圆形路径与条形磁体的端部边缘相交、具有与条形磁体的指向旋转轴线的边缘的相交距离，该相交距离为端部边缘的距离的5％和45％之间，优选地在15％和35％之间，特别优选地在20％和30％之间。13.在特定传感器的另一实施例中，在覆盖条形磁体的区域中轴向观看，从条形磁体的指向旋转轴线的边缘的角度来看，圆形路径具有极点，该极点与条形磁体的指向旋转轴线的边缘间隔开极点距离，该极点距离为条形磁体的指向朝向旋转轴线的边缘和条形磁体的指向背离旋转轴线的边缘之间的距离的5％和45％之间、优选地15％和35％之间、特别优选地在20％和30％之间。14.在特定传感器的附加实施例中，从条形磁体的角度来看，传感器芯片在圆形路径上的移动被限制在两个移动限制点之间，移动限制点中的每一个具有与条形磁体的面侧边缘的面侧距离，该面侧距离为面侧边缘的距离的5％和45％之间、优选地在15％和35％之间、特别优选地在20％和30％之间。15.在特定传感器的又一实施例中，条形磁体的区域中的圆形路径相对于穿过垂直足点和旋转轴线的直线对称。16.根据本发明的另一方面，一种车辆包括：底盘，该底盘可在行驶方向上移动；两个前轮，该两个前轮从行驶方向上观看在前部支撑底盘；两个后轮，该两个后轮从行驶方向上观看在后部支撑底盘；方向盘，该方向盘用于围绕旋转轴线旋转转向轴用于使前轮转动；所述传感器中的一个，用于检测利用方向盘施加在转向轴上的扭矩；以及电机，该电机用于根据所检测的扭矩调节前轮的转动。附图说明17.结合以下实施例描述，本发明的上述特性、特征和优点以及实现它们的方式将变得更加清楚，这些实施例将结合附图更详细地进行解释，在附图中：18.图1是具有转向系统的车辆的示意性透视图；19.图2是用于来自图1的转向系统的扭矩传感器的第一变体的示意图；20.图3是用于来自图1的转向系统的扭矩传感器的第二变体的示意图；21.图4是从不同角度看的来自图3的扭矩传感器；22.图5是用于来自图1的转向系统的扭矩传感器的第三变体的示意图；以及23.图6是根据图5的扭矩传感器的第三变体的实施例的示意图；以及24.在附图中，相同的技术元件被提供有相同的附图标记，并且仅被描述一次。这些图纯粹是示意性的，并且特别地不反映实际的几何比例。具体实施例25.参考图1，图1是包括转向系统2的车辆1的示意性透视图。26.在本实施例中，车辆1包括由两个前轮3和两个后轮4支撑的底盘5。前轮3可以由转向系统2转动，使得车辆1可以在弯道中行驶。27.转向系统2包括安装在第一转向轴7上的方向盘6，该第一转向轴7又安装成以便能够旋转旋转轴8。第一转向轴7被引导到扭矩传感器9中，并在那里以未进一步指定的方式连接到扭转元件10。第二转向轴11在旋转轴8上与第一转向轴7相对的侧部上连接到所述扭转元件10，该第二转向轴11又终止于转向齿轮12。如果利用呈转向扭矩13的形式的扭矩转动方向盘6，转向扭矩13相应地通过转向轴7、11传递到转向机构12，该转向机构作为响应使前轮3转向从而以车轮角度14在弯道中行驶。28.转向过程由辅助电机15支持，该辅助电机帮助第二转向轴11转动。为此，扭矩传感器9检测转向扭矩13。辅助电机5然后尤其根据所检测的转向扭矩13使第二转向轴11转向。29.为了检测转向扭矩13，扭矩传感器9包括磁性发射器元件16，该磁性发射器元件连接到第一转向轴7并且感应磁场17。扭矩传感器9还包括连接到第二转向轴11的传感器芯片18，该传感器芯片接收来自磁性发射器元件16的、作为第一转向轴7以及因此磁性发射器元件16相对于第二转向轴11以及因此相对于磁过滤器18的相对角位置的函数的磁场17，并且将取决于所接收的磁场的测量信号20转发到评估设备21。这基于测量信号20确定了两个转向轴7、11之间的角位置，并据此输出传感器信号19，由于扭转元件10的弹性，该传感器信号因此也取决于转向扭矩13。传感器信号19因此直接依赖于待检测的转向扭矩13，使得辅助电机15可以直接处理这个信息以转动第二转向轴11。30.参考图2，图2示出了扭矩传感器9的第一变体。31.为了描述扭矩传感器9，在圆柱坐标系中假设空间，该空间被轴向方向22、径向方向23和周向方向24跨越。轴向方向22在旋转轴线8的方向上对齐，而周向方向24围绕旋转轴线8圆周对齐。径向方向23相对于旋转轴线8径向延伸。32.在这个圆柱坐标系中，扭矩传感器9包括：第一轴承衬套25，该第一轴承衬套围绕旋转轴线8延伸用于压配合接纳第一转向轴7；以及第二轴承衬套26，该第二轴承衬套用于压配合接纳第二转向轴11。33.在这种情况下，第一轴承衬套25具有在此呈凸缘的形式的保持构件27，磁场发射器元件16例如通过粘合剂附接到该保持构件。以这样的方式，当第一转向轴被压入到第一轴承衬套25中时，磁场发射器元件16在第一转向轴7上保持静止。34.在第二轴承衬套26上形成也是呈凸缘的形式的承载件28。印刷电路板保持器30通过销29保持在承载件28上，该销被支撑在相对侧上的浮动轴承元件31上，如在轴向方向22上所见。呈印刷电路板形式的评估设备21容纳在印刷电路板保持器30中，传感器芯片18又电连接和机械连接到该印刷电路板保持器，例如通过焊接。来自传感器芯片18的测量变换器20在评估设备21中通过电子部件31进行处理，并作为传感器信号19通过在图2中未进一步可见的接口转发到辅助电机15。35.当第一转向轴7在扭矩传感器9的操作期间旋转并且该旋转经由扭转元件10传递到第二转向轴11时，以压配合方式保持在第一转向轴7上的第一轴承衬套25与磁场发射器元件16一起旋转，并且保持在第二转向轴11上的第二轴承衬套26与传感器芯片18一起旋转。由于第二转向轴11的惯性和扭转元件10的弹性，当使第一转向轴7转动时，第一转向轴7相对于第二转向轴11扭转。结果，磁场发射器元件16也相对于传感器芯片18扭转。36.磁场发射器元件16的磁场17在周向方向24上变化。因此，如果磁场发射器元件16相对于传感器芯片18旋转，则到达传感器芯片18的磁场17改变。由于磁场发射器元件16相对于传感器芯片18的旋转取决于由于扭转元件10的弹性而产生的转向扭矩13的幅值，因此到达传感器芯片18的磁场17、测量信号20以及最终传感器信号19也取决于转向扭矩13的幅值。37.在图2的实施例中，磁场发射器元件16以磁环的形式设计，该磁环以径向环距离32围绕旋转轴线8被圆周引导。传感器芯片18也以径向环间距32布置在距旋转轴线8的一定距离处，使得磁场发射器元件16和传感器芯片18径向重叠。在图2中，这些元件在径向方向23的延长部上的中心被选择作为用于确定传感器芯片18和磁场发射器元件16的径向环距离32的参考点。38.除了径向重叠之外，在图2中，磁场发射器元件16被布置在距传感器芯片18的轴向测量距离33处。39.如果由于机械容差，第一转向轴7在使用期间相对于第二转向轴11在径向方向23上偏移，并且扭转元件10因此受到剪切应力，则与例如在ep 1167 936a2中示出的传感器芯片18在轴向方向22上被布置处于相同高度但是在径向方向23上间隔开的情况相比，这对于到达传感器芯片18的磁场17具有较少的影响。40.参照图3和图4，下面将描述扭矩传感器9的替代性设计。41.与图2中的实施例相反，图3和图4中的磁场发射器元件16没有被设计成环形磁体而是直的，并且与旋转轴线相切地布置。为此，选择特别便宜的条形磁体作为用于本实施例中的磁场发射器元件16的形状，这在图4中的俯视图中指示并且在图3和图4的描述中被称为条形磁体16。42.条形磁体16具有北极34和南极35，该北极和南极在磁极转换点36处相互连接。从旋转轴线8的角度来看，磁极转换点36以这样的方式布置，即它代表旋转轴线8和条形磁体16的垂直相交的垂直足点。43.横向于径向方向23看，条形磁体16具有第一面侧38和与第一面侧38相对的第二面侧39。两个面侧38、39通过面向旋转轴线8的第一纵向侧41和面向背离旋转轴线8的第二纵向侧42相互连接。44.如果第一转向轴7以上述方式相对于第二转向轴11旋转，从条形磁体16看的传感器芯片18沿着圆形路径44移动，这在图4中的条形磁体16的区域中由虚线指示。圆形路径44与第一面侧38和第二面侧39的边缘各自在交点45处相交，在图4的俯视图中可见。每个交点45与第一纵向侧41间隔相交距离46。45.最后，在图4的俯视图中，条形磁体16被布置成使得当从第一纵向侧41观看时，圆形路径37在条形磁体16的区域中具有极点47。每个极点47与第二纵向侧42间隔极点距离48。46.传感器芯片18应该在尽可能均匀的磁场中在磁场发射器元件16下方被轴向引导。以这样的方式，由传感器芯片18生成的测量信号20中的、作为条形磁体16在圆形路径44上的移动的函数的转向扭矩13线性地依赖于该移动，并且可以以特别简单的方式在技术上进行评估。47.为此目的，相交距离46应该在两个纵向侧41、42的距离的5％至45％之间，优选地在15％至35％之间，特别优选地在20％至30％之间。两个相交距离46可以但不一定要同等选择。另外，极点距离48应该在两个纵向侧41、42的距离的5％至45％之间，优选地在15％至35％之间，特别优选地在20％至30％之间。相交距离46应该被选择在极点距离48的10％和90％之间、优选地在30％和70％之间、特别优选地在45％和55％之间。48.最后，为了实现所述线性依赖性，由条形磁体16看到的传感器芯片18沿着圆形路径44的移动应该被限制在两个移动限制点49之间，这两个移动限制点49与相应的面侧38、39间隔开两个面侧38、39之间的距离50的5％至45％之间、优选地在15％至35％之间、更优选地在20％至30％之间。49.图5和图6示出了在图3和图4的条形磁体上的移动限制点49之间的距离太短的情况下可以使用的扭矩传感器的第三变体。50.在扭矩传感器9的第三变体中，磁场发射器元件被设计为具有布置成行的几个极34、35的环形段。本文中的优点是，例如出于冗余的目的，现在可以布置几个传感器芯片18、18’。









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