CN111699364A - 集成有旋转元件的角度位置传感器的扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旨在安装在机动车辆中的旋转元件（2）上的扭矩传感器（1），其包括至少一个应变仪，并且发射根据由旋转元件（2）经受的扭转而变化的电信号，所述扭矩传感器（1）具有运动部分和固定部分，其中运动部分旨在与旋转元件（2）一起被驱动旋转并包括所述至少一个应变仪，固定部分包括第一印刷电路板。所述扭矩传感器（1）还用作角度位置传感器（1），运动部分承载靶子（4），所述靶子是成角度分布的，并且接连面对面地经过由第一板所承载的第一环形区段，第一环形区段包括产生正弦信号的次级接收器绕组，产生余弦信号的次级接收器绕组，和在所述接收器绕组中感应出电压的初级发射器绕组。

Description

集成有旋转元件的角度位置传感器的扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种旨在安装在机动车辆中的旋转元件上的扭矩传感器，该扭矩传感器集成有旋转元件的角度位置传感器。

背景技术

通常，动力传输机械的控制可能需要实时测量与运行点相关联的物理参数。寻求更强的性能以及更强的操作安全性（且尤其是与电子控制相关联时），可以解释测量这些系统的运行条件的需求，并且该需求变得更加重要。

通常明智的是不仅测量扭矩而且也测量旋转元件的角度位置。作为具体的示例，这已经在现代机动车辆发动机上广泛执行。具体地，在不限制本发明的范围的情况下，（通常与凸轮轴的位置的测量有关的）测量机动车辆内燃发动机上的曲柄角在数年前变得有必要，这是源于出现了电子控制喷射，以及源于了解发动机及其活塞位置的需求。

了解该位置使得可以非常精细地控制燃料的喷射以及点火，并且使得可以在非常精确的时刻启动这些动作。电子控制的引入带来了许多进步，特别是增加了发动机提供的功率或降低了其燃料消耗。

类似地，知道如何测量涉及电动马达的发动机的位置，速度或电流已经使得创建新的发动机布局或显著提高这种发动机的性能成为可能。通过相关的示例，对同步马达的角度位置的足够精确的测量允许对其产生的扭矩进行更精细的控制，并且波动被限制。

因此，已知的实践是，使用感应型角度位置传感器来测量机动车辆中的电动马达的轴或燃烧发动机的曲轴的角度位置。文献FR-A-3 023 611特别公开了这一点。

图2示出了定位在电动马达6上的角度位置传感器1，电动马达6包括定子部分11和连接至输出轴2的转子部分12。角度位置传感器1相对于马达的定子部分11固定地安装，并且适合于检测固定在马达6的转子部分12上的靶子4的位置。以已知的方式，通过测量位置传感器1的输出电压来检测靶子4的位置。

尽管使用简单，可靠和低成本的技术来测量角度位置已经广为流传地被实践很多年了，但是在测量扭矩时却绝对不是这种情况。用于测量动力轴上或组件上的扭矩的性能更好的技术的出现使人们有可能设想将这种测量作为标准纳入系统中，并设计出新的、更有效、可靠和性能更好的控制方法。

在汽车领域，这种趋势不仅限于发动机/马达。例如，对于与动力传输有关的所有系统，例如变速箱齿轮箱尤其是自动变速箱，差速器，……，直至车轮系统和制动系统，都是如此。

但是，有一些因素限制了这种传感器在动力传输系统中的发展，这些因素主要是它们的成本和尺寸。

具体而言，就尺寸而言，即使制造商为减小传感器的尺寸做出了巨大的努力，这些仍需要被集成到其尺寸和因此的可用空间越来越受到限制的系统中。制造商的明确目标是优化尺寸并减轻车辆的重量。

因此，在同一根轴上，必须使用角度位置传感器和扭矩传感器，这使得它们在尺寸和价格上难以组合。然而，在扭矩传感器和角度位置传感器之间存在类比，存在传感器的运动部分和固定部分，角度位置传感器的运动部分承载旋转的靶子。

从现有技术中已知的实践是，将扭矩传感器和角度位置传感器用于机动车辆转向柱。该解决方案包括许多位置传感器，其中至少一个位置传感器可以测量传感器转子（作为其中心部分）相对于作为其固定部分的传感器主体旋转的位置。

扭矩测量，就其本身而言，通常是从这些位置传感器中的至少两个的测量值推导出的。它要求该柱足够柔韧，以至于当在柱上施加扭矩时，柱会受到扭转，从而导致转向杆的两个不同部分之间的角度位置不同。挠度的测量是各自固连在两个不同部分中的一个上的两个单元之间的相对位置的差别，它给出了柱上的扭矩的图像。

通常，这两个单元是磁集中器电路，这使得可以根据它们的相对位置来调节整个电路的磁阻，从而调节磁传感器（尤其是霍尔效应传感器）处的磁场强度。

这种扭矩测量的解决方案不能按原样传递给用于测量动力扭矩的应用，因为动力传动轴或组件上的挠度太小，无法提供足够的信号分辨率和精度。可以设想光学替代方案，但是成本高昂。最后，这种结构会遇到针对变速器中存在的油和污染物的密封问题。

发明内容

本发明所基于的问题是设计一种扭矩传感器，该扭矩传感器能够集成有角度位置传感器，以对机动车辆中的旋转元件上的扭矩和角度位置进行双重测量，同时使两个传感器的元件尽可能多的为两者共有，以便不增加传感器的尺寸。

为此，本发明涉及一种旨在安装在机动车辆中的旋转元件上的扭矩传感器，该扭矩传感器包括布置在粘合性材料层上的至少一个应变仪，所述至少一个应变仪发射根据由旋转元件在扭矩作用下经受的扭转而变化的电信号，电信号的发射和接收使得可以在通过传输装置进行处理之后测量旋转元件的扭矩，扭矩传感器具有运动部分和固定部分，其中运动部分旨在与旋转元件一起被驱动旋转并包括所述至少一个应变仪，固定部分包括第一印刷电路板，其特征在于，扭矩传感器还用作角度位置传感器，运动部分承载靶子，所述靶子是成角度分布的，并且在运动部分的旋转期间面对面地接连经过由固定的第一印刷电路板所承载的第一环形区段，第一环形区段包括设计成在靶子面对面地经过它时产生正弦信号的至少一个环形第一次级接收器绕组，设计成在靶子面对面地经过它时产生余弦信号的至少一个第二次级接收器绕组，和设计成在所述次级接收器绕组中感应出电压的至少一个环形初级发射器绕组。

如何修改扭矩传感器以使其具有作为角度位置传感器的附加功能，同时将传感器中的两个功能组合在一起，这一点并不明显。例如，发送到传感器固定部分的检测到的扭力值的传输必须不干扰每个靶子通过的次级绕组的余弦和正弦值的计算。传感器固定部分的印刷电路板需要专门重新设计，以便使该板的一个区域专用于测量扭矩，而另一区域专用于初级和次级绕组。所有这些都非常不利于在同一传感器内将扭矩测量功能与角度位置测量功能结合在一起的想法。

通过在印刷电路板上限定专用于角度位置测量的环形区段，可以解决该问题。这使得可以避免专用于测量扭矩的信号与专用于测量角度位置的信号之间的干扰。

获得的技术效果是具有了一种扭矩传感器，该扭矩传感器也可以用作角度位置传感器。由于扭矩传感器的元件用作角度位置传感器的元件，因此在扭矩传感器和角度位置传感器之间具有高度协同的效果，并且由此获得的传感器不是两个不同传感器的简单并置。例如，构成扭矩传感器的运动部分的一部分的压力装置或印刷电路板可以用作角度位置传感器所需的靶子的支撑件，这意味着最终的传感器所占空间不会超过扭矩传感器，却同时执行了第二功能。

因此，这实现了传感器的成本和尺寸的限制，该传感器用于同时测量包括旋转驱动元件的动力传输系统的角度位置和扭矩。

可以认为这种合并的附加成本是可忽略的，因为已经确定了可以作为两个传感器所共有的元件。感应式位置传感器的有源部分可以集成到扭矩传感器的固定部分中的第一印刷电路板上。唯一的附加成本是用于测量角度位置的功能所需的电子部件，以及可能需要用于放置这些部件的印刷电路板的附加表面积。位置传感器的运动部分可以有利地被加工到扭矩传感器中已经存在的元件中。这样，附加的成本在于进行这种修改所需的机加工和处理步骤，并且可能在于形成靶子的材料的额外体积。

有利地，蚀刻到固定的第一印刷电路板中的是：一方面，与扭矩测量相关联的至少一个线圈，该线圈使得能够发射交变磁场，通过感应为运动部分供电并接收有关旋转元件的电扭矩测量信号；且另一方面，在第一环形区段中的与角度位置测量相关联的至少三个线圈，其中有为环形初级发射器绕组发射交变磁场的至少一个初级线圈，以及蚀刻到所述至少一个初级线圈内的分别用于第一次级接收器绕组和所述至少一个第二次级接收器绕组的至少两个次级线圈，与扭矩测量相关联的所述至少一个线圈和所述至少一个初级线圈以不同的各自的频率发射。

有利地，固定的第一印刷电路板被容纳在固定的读取构件中，并且被分成两个同心的环形区段，第二环形区段包括与扭矩测量相关联的所述至少一个线圈，并且是两个环形区段中的最外侧，第二环形区段经由集成到固定的读取构件中的电子接收和处理装置来接收由容纳在运动部分中的旋转的检测构件的电磁发射装置发射的信号，该旋转的检测构件面对固定的读取构件。

有利地，粘合性材料层搁置在由刚性材料制成的基板的一个面上，基板能够确保其经由其与承载粘合性材料层的面相对的面通过摩擦而保持抵靠旋转元件，运动部分包括压力装置，压力装置围绕粘合性材料层和基板，并且能够围绕旋转元件并且将基板的所述相对的面压靠在旋转元件上，靶子由旋转的检测构件或由压力装置或由与压力装置相关联的其他装置承载，这是在面向固定的第一印刷电路板的面上。

合适的是，承载靶子的元件有利地表现出旋转对称性，例如采用围绕检测构件的封闭的盘或封闭的环的形式。靶子在它们的构造中为平坦金属元件的形式。根据感应式角度位置测量的已知技术，这些金属元件可以是盘部分，其数量通常取决于位置测量的期望的周期性。这些靶子可以通过形成压力装置的面中的一个的特定齿状物而形成旋转压力装置的组成部分。

替代地，靶子可以是附接且固定在呈旋转环的形式的壳体的区域上的金属元件，壳体有利地由塑料制成，在运动部分中，所述靶子通过包覆模制插入旋转环中。

有利地，靶子由构成旋转的检测构件的一部分的旋转的第二印刷电路板承载，每个靶子通过利用形成靶子的金属层的沉积的第二印刷电路板的局部雕刻而获得。

鉴于将小尺寸的靶子沉积在第二个印刷电路板上（它们占据很小的空间），这是一种优雅而实用的解决方案，前提是该第二个印刷电路板上有足够的可用空间。可以在第二印刷电路板的制造过程中雕刻靶子。

有利地，当靶子由压力装置或与压力装置相关联的装置承载时，每个靶子通过机加工或通过添加金属插入件而获得。

有利地，压力装置由彼此延伸以形成完整外壳的两个外壳部分形成，螺杆类型的固定装置将两个外壳部分固连在一起，两个外壳部分在其中容纳基板和粘合性材料层。旋转的检测构件固定抵靠在接合在一起的两个外壳部分的圆形外周上。

基板和旋转元件之间的摩擦有利地可通过可移除的且可调节的压力装置、特别是通过拧紧两部分式压力装置以彼此夹紧来调节。因此，调节该摩擦有很大的自由度。可移除的且可调节的压力装置可以被移除，这有利于扭矩传感器的安装和移除，这是通过被结合在适当位置的应变仪所无法实现的。至少部分地围绕基板和粘合性材料层的压力装置有助于保护设置在粘合性材料层上的一个或多个应变仪。

因此，对于本发明，在布置在粘合性材料层上的一个或多个应变仪、用于与旋转元件摩擦的摩擦基板、和压力装置之间具有强大的协同作用，所述压力装置有助于实现最大程度地保护扭矩传感器内部，且尤其是一个或多个应变仪，同时允许对旋转元件和扭矩传感器之间的摩擦进行最佳调节。

一个或多个应变仪的耐用性得到了提高，一个或多个应变仪得到了更好的保护，并且获得了在制造过程中一个或多个应变仪的更好的可及性，而乍看之下这是不可兼得的。

名称“外壳部分”不一定意味着两个部分是等同的，而是它们是互补的，以便当它们端对端放置时形成完整的外壳。外壳部分通过围绕基板和粘合性材料层而保护它们。通过它们形成的压力装置是呈相对于旋转元件对称地布置的两个外壳部分的形式的事实，方便了将它们引入在旋转元件和扭矩传感器的其余部分周围。

使用这样的外壳部分以便赋予它们支撑靶子的辅助功能是有利的。具体地，外壳部分通过表现出旋转对称性而完全围绕旋转元件并满足靶子支撑件标准。这些外壳部分是金属的并且是坚固的事实对于支撑靶子来说也是有利的，因为可以将靶子直接机加工到外壳部分中。

有利地，固定的读取构件和检测构件被容纳在各自的壳体中，每个壳体都是环形的，它们分别是固定的和活动的，它们可以是或者可以不是不完整的，固定的环和活动的环彼此间隔开预定尺寸的间隙，该间隙允许环之间进行无线通信，且允许靶子相对于第一印刷电路板的定位，当靶子面对第一环形区段时则改变初级绕组和两个次级绕组之间的磁耦合。

旋转环可以是环的部分的形式，同时由于它不是封闭的，因此是不完整的，以便例如仅围绕外壳部分中的一个的圆形外周。

有利地，固定的读取构件的壳体沿着检测构件的纵向旋转轴线与检测构件的壳体对准，或者固定的读取构件的壳体以一定距离围绕检测构件的壳体。

读取构件和检测构件可以沿着检测构件的纵向旋转轴线轴向地布置，这就是本申请的附图中所示的。然而，读取构件和检测构件可以径向地布置。

在前一种情况下，传感器的整体尺寸在沿旋转元件的旋转轴线的其长度方面是有效的，而在后一种情况下，传感器的长度不那么长，但是在其围绕旋转元件的高度方面就会尺寸比较大。然而，在后一种情况下，旋转的检测构件的壳体更难接近，并且为了接近检测构件的壳体可能需要移除固定的读取构件的壳体。

在前一种情况下，该旋转环可以有利地不闭合，以便允许组件相对于作为旋转元件的旋转轴侧向安装，这与经由轴的纵向端部中的一个的安装相反，其则必然需要移除与轴连接的传输元件之一。相反，当靶子由旋转环承载时，该旋转环有利地是完整的或几乎完整的，完全围绕旋转的检测元件延伸。

因此，旋转环也可以是完整的，例如以外壳部分的形式完全围绕压力装置。该旋转环在一个或多个应变仪附近有线连接到扭矩传感器的传输装置，并有利地用于与其余的与扭矩传感器相距一定距离的电子信号处理装置进行电磁通信。

旋转环，由检测构件承载的传输装置以及一个或多个应变仪都固连地一起旋转，因此它们之间可能存在有线连接。

有利地，靶子为大致平行六面体形状，具有旨在与旋转元件同心的两个内部和外部圆形表面，内部圆形表面的长度短于外部圆形表面的长度。

有利地，所述至少一个应变仪为具有压阻单元的微机电系统的形式。

一种特定类型的应变仪可以例如是具有压阻单元的微机电系统，该微机电系统也以其缩写“MEMS”而闻名。该微机电系统可以包括四个单元，其电阻允许产生完整的“惠斯通电桥”。这些单元可以彼此成90°放置以形成正方形，但是惠斯通电桥并不需要这种条件。

本发明还涉及机动车辆中的旋转元件和扭矩传感器的组件，其特征在于，扭矩传感器是如上所述的，同时还执行角度位置传感器的功能。

有利地，旋转元件是传动轴或飞轮。 附图说明

通过阅读以下详细说明并检查以非限制性示例的方式给出的附图，本发明的其他特征，目的和优点将变得显而易见，其中：

- 图1是配备有扭矩传感器的一个实施例的旋转元件的透视图的示意性描绘，在该图1中已经去除了一个外壳部分以示出应变仪，该图1中所示的扭矩传感器能够被修改以便集成有角度位置传感器以成为根据本发明的传感器，

- 图2是配备有角度位置传感器的一个实施例的呈发动机形式的旋转元件的透视图的示意性描绘，该图2中所示的角度位置传感器能够被修改以便于集成到扭矩传感器中以形成根据本发明的传感器，

- 图3是从上方俯视容纳在根据本发明的传感器的固定部分中的印刷电路板的环形区段的平面视图的示意性描绘，该环形区段在图3中被描绘为矩形，并且当与由扭矩传感器的运动部分承载的靶子相关联时，执行根据本发明的扭矩传感器中的角度位置传感器的功能，

- 图4是容纳在根据本发明的传感器的固定部分中的印刷电路板的正视图的示意性描绘，该印刷电路板具有两个环形区段以分别执行角度位置传感器和扭矩传感器的功能，

- 图5是根据本发明的扭矩传感器的一个实施例的侧视图的示意性描绘，该扭矩传感器集成了具有靶子，固定和运动部分的角度位置传感器的功能，

- 图6至图8是根据本发明的传感器的运动部分的一个实施例的透视图的示意性描绘，传感器的固定部分也在图6中示出，将运动部分压在传感器上的压力装置在本发明的这个可选实施例中呈外壳部分的形式，在图8中省略了保护环。

具体实施方式

在下文中，扭矩传感器和角度位置传感器由相同的唯一的附图标记1引用，这是考虑到它们具有已为彼此所共有并且彼此不完全可区分的元件。它们的组合不是两个传感器并置的结果，而是具有两个传感器之间的相互作用以及使传感器的元件为两者所共有的两个传感器的组合。

在附图中，一方面的读取构件和固定环，另一方面的检测构件和旋转环，用相同的附图标记分别表示，因为环至少部分地包围和隐藏了它们的相关联的构件。图1示出了作为旋转元件2的传动轴，在该传动轴上安装有扭矩传感器1，该扭矩传感器1的部分在该图中已被省略，以便示出基板5和应变仪3。然而，在该图中示出的实施例并不限制本发明。

在图1中，扭矩传感器具有粘合性材料层，该粘合性材料层搁置在由刚性材料制成的基板5的一个面上，并且应变仪被结合至该粘合性材料层，能够确保其经由其与承载粘合性材料层的面相对的面通过摩擦而保持抵靠旋转元件2。为了施加和调节摩擦，扭矩传感器1包括可移动且可调节的压力装置6b，该压力装置6b围绕粘合性材料层和基板5，在图1中省略了这些压力装置的上半部。还可以不使用扭矩传感器中的压力装置，并将应变仪3直接结合到旋转元件2上。

可以去除压力装置6b，并且可以有利地通过将这些压力装置6b连接在一起的固定装置7的紧固来调节这些压力装置施加的压力。

基板5的与承载粘合性材料层的面相对的面，和因此一个或多个应变仪3不一定是平坦的，并且将用作与旋转元件2的检测界面。所述相对的面有利地符合旋转元件2的轮廓，这是通过在旋转元件2具有平坦表面2a时则相对的面是平坦的，但是该相对的面可以采取适合于其扭矩将被测量的旋转元件2的另一种形状。

再次参考图2，该图示意性地示出了电动马达6，其包括定子部分11和转子部分12，在本发明的意义上，该转子部分12连接至用作旋转元件2的输出轴。这是非限制性的，旋转元件2可以由内燃发动机或机动车辆中存在的任何其他构件驱动。

更具体地参考图1、图4至图8，本发明涉及一种扭矩传感器1，该扭矩传感器1旨在安装在机动车辆中的旋转元件2上。如图1所示，扭矩传感器1包括布置在粘合性材料层上的至少一个应变仪3。

在一个优选的实施例中，应变仪3可以是具有压阻单元的微机电系统的形式。

将在后面更详细地描述、并且在图1中被部分地示出、但在图6至图8中被完整地示出的压力装置6a，6b，对于本发明的实施不是必不可少的，尤其是以外壳部分6a，6b的形式体现它们。本发明可以用其他压力装置6a，6b或用体现如何将一个或多个应变仪3施加到粘合性材料上的另一种方式来实施。

例如，压力装置可以不同地制造，例如作为装配有铰链的单件或柔性的夹紧部件等。

以一种已知的方式，一个或多个应变仪3发射根据由旋转元件2在扭矩作用下经受的扭转而变化的电信号。电信号的发射和接收使得可以在通过传输装置进行处理之后测量旋转元件2的扭矩。在运动部分中有有线传输装置，在运动部分和固定部分之间有无线传输装置。

尤其参考图1、图4和图5，扭矩传感器1具有旨在与旋转元件2一起旋转驱动的旋转运动部分。该运动部分包括一个或多个应变仪3以及用于产生和发射电信号以便允许测量旋转元件2的扭矩的装置。传感器1包括固定部分，该固定部分包括第一印刷电路板8，第一印刷电路板8用于处理由运动部分发射并由固定部分接收的信号。

运动部分包括压力装置6a，6b，靶子4和容纳检测构件10的壳体，其有利地呈完整或不完整的环的形式。检测构件10可以包括印刷电路板，其随后将被提及作为第二印刷电路板。

传感器的固定部分包括包围在固定壳体中的读取构件9，该读取构件有利地为环形。读取构件9包括在图4中以8为附图标记的第一印刷电路板和用于接收由检测构件10发送的信号的装置。

无线通信技术（特别是NFC（近场通信），Wi-Fi，蓝牙等）的近来的成功和更广泛的采用，已经使得工业能够开发并投入生产使用这些无线技术的扭矩传感器1。因此，已知的、鲁棒的和高性能的接触式扭矩测量技术（例如基于传感器1的运动部分中的一个或多个应变仪3的测量）与无线通信技术相关联，从而可以将测量数据传递到固定部分，从而允许在旋转元件（例如轴）上测量扭矩。

尽管这种类型的解决方案对于本身比较昂贵的仪表传感器1来说已经存在了几年，但是有可能利用后者无线通信解决方案的更广泛的共享来允许工业提出低成本的解决方案。如今，扭矩传感器1例如安装在电动自行车的马达控制系统上。

图5至图8示出了压力装置6a，6b，其将在这些图中不可见的一个或多个应变仪3压靠图7和图8中不可见的旋转元件2。这些压力装置6a，6b可以由旋转的检测构件10补充，该旋转的检测构件10可以容纳在塑料的旋转壳体中，有利地为环形。压力装置6a，6b和适当时容纳在塑料的旋转壳体中的旋转的检测构件10形成传感器1的运动部分，该部分旨在由旋转元件2驱动旋转。

在应用于测量旋转元件上的扭矩时，这些压力装置6a，6b通常采用卡环，圆环或其他具有旋转对称性的部件的形式，其能够围绕扭矩传感器1的旋转敏感元件，并将其夹靠在旋转元件2上，从而将其固定在旋转元件2上。这些压力装置6a，6b有利地由金属制成，其允许它们承受在旋转，旋转加速或系统的振动期间所涉及的力，并因此在传感器1的整个寿命中确保组件的坚固性和旋转元件的保持。

旋转的检测构件10收集由一个或多个应变仪3测量的扭力值，并且包括将这些值传输到非旋转读取构件9的无线装置，该非旋转读取构件9现在将被描述并且形成传感器1的固定部分的一部分。

因此，传感器1包括固定部分，该固定部分包括：非旋转读取构件9，该非旋转读取构件9有利地容纳在固连至第一印刷电路板8的固定壳体中；以及用于接收由无线传输装置从旋转的检测构件10发送的数据的装置。扭矩传感器1的固定部分与传感器1的运动部分相对，同时与运动部分有距离，但足够靠近运动部分，以允许在两个部分之间进行无线传输。

根据本发明，扭矩传感器1还用作角度位置传感器1。为此，运动部分承载靶子4，在图5和图7至图8中可见，该靶子4成角度地分布并随着运动部分旋转而接连移动经过由固定的第一印刷电路板8所承载的第一环形区段8a，如图4所示。因此，该第一印刷电路板8的一部分专用于角度位置传感器，以避免在扭矩传感器和因此相关联的角度位置传感器之间的运行上的干扰。

特别地参考图3，为了允许传感器1执行其角度位置传感器的功能，第一环形区段8a包括设计成在靶子4移动经过它时产生正弦信号的至少一个环形第一次级接收器绕组25，和设计成在靶子4移动经过它时产生余弦信号的至少一个第二次级接收器绕组26。第一环形区段8a还包括设计成在所述次级接收器绕组25、26中感应出电压的至少一个环形初级发射器绕组24。

如图3所示，角度位置传感器限定呈环形区段的空间测量窗，当转子部分12旋转时，靶子4周期性地穿过该窗口。为了清楚起见，第一印刷电路板的第一环形区段8a在被描述为传感器1的固定部分的第一印刷电路板的一部分的情况下未被描绘成环形而是线性的，即“平坦的” 。

参照所有附图，传感器1以已知的方式包括壳体，在壳体中安装有第一印刷电路板8，第一印刷电路板8的一部分经由其第一环形区段8a专用于角度位置测量。实际上，每个靶子4也采取环形区段的形式，该环形区段在尺寸上小于第一环形区段8a。

在本发明的上下文中，用于角度位置传感器1的印刷电路板与在扭矩传感器1的固定部分中的第一印刷电路板8相同。称为第一环形区段8a的环形区段可以是完整的环，就像它可以是环的部分一样。

以已知的方式，初级绕组允许当电流流过所述初级绕组时产生磁场。这样产生的磁场被次级绕组感知，并在次级绕组中感应出电流。由扭矩传感器1的运动部分承载并与上述印刷电路板部分形成互补部分的靶子4由导电材料制成，以允许涡流流通。当旋转驱动元件旋转时，这些靶子4相对于绕组24、25、26移动并经过绕组24、25、26。

当靶子4位于面对形成第一印刷电路板8的第一环形区段8a的部分时，靶子4改变了初级绕组24与两个次级绕组25、26之间的磁耦合。已知，初级绕组24被称为初级发射器绕组24，而次级绕组25、26被称为接收器绕组。因此，通过测量跨接在接收器绕组25、26的端子上的电压，可以推断出面对第一环形区段8a的靶子4的精确位置。因此，可以推断出在图1和图2中标记为2的旋转驱动元件的角度位置。

更详细地，在靶子4面对第一印刷电路板8的第一环形区段8a的情况下，放置在所述靶子4附近的接收器绕组25、26看到一定量的磁场通量，其比靶子4不存在时要低。例如，如果接收器绕组25、26由两个方向相反的环路组成，并且如果靶子4移动经过一个环路，然后又经过另一个环路，则该接收器绕组25、26相对于零的平均值看到通过它的磁场通量的相对增加和之后的相对减少。

实际上，接收器绕组25、26具有不同的性质。参考图3，可以区分“正弦”类型的接收器绕组25和“余弦”类型的接收器绕组26，其中“正弦”类型的接收器绕组25设计成在靶子4经过测量窗口时传递正弦信号，“余弦”类型的接收器绕组26设计成在靶子4经过第一印刷电路板8的第一环形区段8a时传递余弦信号。通过计算反正切，正弦/余弦信号在时间上相关，以便精确确定靶子4的位置。

形成正弦SIN和余弦COS信号的靶子4不仅是与接收器绕组相互作用的单个靶子4，而且是成角度偏移并与接收器绕组同时相互作用的几个连续的靶子部分或几个连续的靶子。

在图3中对此进行了说明，附图标记23对应于控制单元，该控制单元用于控制初级绕组24并处理从接收器绕组25、26发出的信号。

参考所有附图，刻在固定的第一印刷电路板8上的是与扭矩测量相关的至少一个线圈，该线圈能够发射交变磁场，以便通过感应来为运动部分供电并接收表示旋转元件2的扭矩测量的电信号。

如果传感器1的固定部分（特别是在固定的读取构件9中）已经在第一印刷电路板8内集成了读取线圈和/或远程供电线圈，其特性例如振荡频率或者相对于靶子4的位置与感应测量要求兼容，则可以有利地考虑将其用作感应式角度位置测量系统的初级线圈，用于传感器1的角度位置测量部分。

此外，在第一环形区段8a中刻有与角度位置测量相关联的至少三个线圈。这三个线圈是为环形初级发射器绕组24交变磁场的至少一个初级线圈，以及刻在所述至少一个初级线圈中的分别用于第一次级接收器绕组25和所述至少一个第二次级接收器绕组26的至少两个次级线圈。

位置传感器功能的线圈可以提供在360°上的所需的周期性。在那种情况下，一个或多个靶子4则可以是凹进的或凸出的，例如呈连续的凹进或齿的形式。

为了避免传感器1的扭矩测量功能与传感器1的角度位置功能之间的干扰，至少与扭矩测量相关联的线圈以及用于角度位置传感器1的一个或多个初级线圈在各自不同的频率下发射。

如从结合考虑的图4和图5中可以看到的，传感器1的固定部分可以经由至少两个附接点14，并且优选地经由三个附接点14固连到与旋转元件2相关联的壳11，如图4所示。这些附接点14有利地是可移除的并且尤其呈螺钉的形式。

固定的第一印刷电路板8可以容纳在固定在固定部分中的读取构件9的内部。如图4所示，该第一印刷电路板8可以被分成同心的两个环形区段8a，8b，这些环形区段各自形成完整的相应的环。

第一环形区段8a可以是两个环形区段8a，8b中的最内部的，而最外面的第二环形区段8b也被容纳在固定的读取构件9中，第二环形区段8b经由集成到固定的读取构件9中的电子接收和处理装置来接收由前述的被容纳在传感器1的运动部分中的旋转的检测构件10的电磁发射装置发射的信号。

旋转的检测构件10面对固定的读取构件9，同时在两者之间保持相对短的距离，该距离允许无线传输来自检测构件10的数据，该数据包含在由运动部分的电磁发射装置发射的信号中。

固定的读取构件9的壳体可以沿着检测构件10的纵向旋转轴线与检测构件10的壳体对准。该实施例在图中示出并且对应于壳体的轴向布置。作为替代方案，固定的读取构件9的壳体可以以一定的距离围绕检测构件10的壳体，这对应于未在图中示出的壳体的轴向布置。

图6至图8示出了扭矩传感器1的优选实施例，该扭矩传感器1特别适合于经由某些特定的适配来执行角度位置传感器1的附加功能。应当牢记，存在可以考虑成为具有角度位置检测功能的传感器1的扭矩传感器1的其他实施例。

例如，在另一实施例中，一个或多个应变仪3可以被放置成与旋转元件2直接接触（特别是通过结合到旋转元件），并且可以通过与旋转元件2的直接接触而直接经受旋转元件2的扭转。

在图6至图8中，扭矩传感器1包括可移除的且可调节的压力装置6a，6b，其围绕先前在图1中以附图标记5表示的基板。“可移除的”是指压力装置6a，6b可以被移除，而“可调节的”是指由这些装置6a，6b施加的压力是可调节的。压力装置6a，6b可采用由两个外壳部分6a，6b组成的卡环的形式，有利地由钢制成，如图6至图8所示。

传感器1的外部主体主要由压力装置6a，6b以及适当时作为壳体包围着旋转的检测构件10的旋转环形成。该旋转环可以是或可以不是不完整的，在图6和图7中显示为不完整的，基本上呈马蹄形或C形。不完整的旋转环10是指旋转环不会一直围绕上部和下部这两个外壳部分6a，6b。

这些外壳部分6a，6b可各自呈C形。在图1中可见，外壳部分6a，6b可通过螺纹杆7拧紧两个M6夹紧螺钉的方式来组装并夹紧在一起，该螺纹杆7位于同一个外壳部分的两侧上。外壳部分6a，6b中的一个可以具有位于其内面上的中央平坦部分，并且该外壳部分可以是上部外壳部分6a。

如特别在图5和图8中可以看到的，固连在一起的两个外壳部分6a，6b具有圆形外周。在图5中特别可见，在该圆形外周上固定有外径可以大于或不大于两个外壳部分6a，6b的外周的不完整或完整的旋转环10。

可以将不完整或完整的旋转环10固连到至少一个外壳部分6a，旋转环10和外壳部分6a旨在与旋转元件2一起旋转。

不完整或完整的旋转环10可以包括通过肋连接到外壳部分6a，6b中的至少一个的外周。在示出肋的图6中仅一个肋被标记为13，但是为标记为13的该肋提供的描述涉及所有肋。

肋13可相对于旋转元件2的中轴线基本径向地延伸。每个肋13可具有面对一个或多个外壳部分6a，6b的弯曲端部，以便至少部分地施加抵靠外壳部分6a，6b的外周并通过至少一个连接元件固定在外周上。肋13的所有弯曲端部由例如螺杆类型的连接元件穿过。

旋转环10与位于图1中被标记为3的一个或多个应变仪附近的传输装置有线连接。因此，旋转环10包括用于接收由传输装置传输的信号的有线接收装置，有利的是用于焊接连接线的端口。

旋转环10还包括发射装置，用于将接收到的信号电磁地发射到外部，有利地朝着固定的固定环发射，其形成包围传感器1的固定部分的固定的读取构件9的壳体。

如在图5和图6中可以看到的，旋转环10和固定环9可以具有相似的直径，彼此间隔开一间隙，该间隙允许旋转环10和固定环9之间的无线连接。

靶子4添加在扭矩传感器1的运动部分上，以便执行检测旋转元件2的角度位置的功能。有许多可能的实施例。

在第一实施例中，靶子4可以由集成到运动部分的旋转的检测构件10中的旋转的第二印刷电路板承载。在第二实施例中，靶子4可以定位在由运动部分承载的压力装置6a，6b上。在第三实施例中，靶子4可以定位在与压力装置6a，6b相关联的装置上，例如定位在如上所述的以旋转环的形式包围检测构件10的壳体上。

如图5和图8所示，其中压力装置可以由彼此延伸以形成完整外壳的两个外壳部分6a，6b形成，靶子4可以实施在两个外壳部分6a，6b上。

因为这两个外壳部分6a，6b可以是金属的，所以可以通过对外壳部分6a，6b进行机加工来形成靶子4，特别是在每个外壳部分的面向固定的第一印刷电路板8的面上进行。这可以是当壳体由金属制成时，该壳体形成包围旋转的检测构件10的环的情况，当然情况也可以并非如此。

通过构造，两个外壳部分6a，6b中的每一个的侧面中的一个面对固定的读取构件9，并且更具体地面对用于感应位置测量的一组线圈。这些侧面，由两个平面的或非平面的外壳部分6a，6b补充，可以被加工以显示出齿状物，例如高度大约为3mm。两个外壳部分6a，6b的组装允许将这些齿状物组装成旋转的周期性图案，从而形成一组靶子4，该组靶子4适合于旋转元件2的角度位置的感应测量，因此适合于旋转元件2安装在其上的传输组件的角度位置的感应测量。外壳部分6a，6b有利地是金属的。

在支撑靶子4的非金属支撑件表面上，可以通过添加金属插入物来形成靶子4，每个金属插入物对应于靶子。对于两个外壳部分6a，6b中的每一个，金属插入物可以位于支撑件的面向固定的第一印刷电路板8的面上。

例如，金属靶子4可以通过至少部分地涂覆在旋转环10中（特别是使用包覆成型）而在旋转环10中包覆成型。

通过在容纳在旋转的检测构件10中的第二印刷电路板上刻金属层，可以有利地在旋转的第二印刷电路板上制造靶子4，旋转的检测构件10有利地被包围在旋转壳体中。这可以在第二印刷电路板的面对第一印刷电路板8的面上进行，由于有利地由铜制成的该金属层的雕刻，旋转的第二印刷电路板在靶子4的区域中导电。第二印刷电路板在图中不可见，因为其被检测构件10及其环形壳体掩蔽。

如特别地从图8中可以看到的，靶子4可以是大致平行六面体形状的，具有四边形的面，该四边形的面包括旨在与旋转元件同心的两个内部外部圆形表面，内部圆形表面的长度短于外部圆形表面的长度。

本发明还涉及机动车辆中的旋转元件2和结合了扭矩传感器和角度位置传感器的功能的如上所述的扭矩传感器1的组件。旋转元件2可以是传动轴或飞轮。

Claims (13)

1.一种旨在安装在机动车辆中的旋转元件（2）上的扭矩传感器（1），所述扭矩传感器（1）包括布置在粘合性材料层上的至少一个应变仪（3），所述至少一个应变仪（3）发射根据由旋转元件（2）在扭矩作用下经受的扭转而变化的电信号，电信号的发射和接收使得可以在通过传输装置进行处理之后测量所述旋转元件的（2）扭矩，所述扭矩传感器（1）具有运动部分和固定部分，其中运动部分旨在与旋转元件（2）一起被驱动旋转并包括所述至少一个应变仪（3），固定部分包括第一印刷电路板（8），其特征在于，所述扭矩传感器（1）还用作角度位置传感器（1），运动部分承载靶子（4），所述靶子是成角度分布的，并且在运动部分的旋转期间接连面对面地经过由固定的第一印刷电路板（8）所承载的第一环形区段（8a），第一环形区段（8a）包括设计成在靶子（4）面对面地经过它时产生正弦信号的至少一个环形第一次级接收器绕组（25），设计成在靶子（4）面对面地经过它时产生余弦信号的至少一个第二次级接收器绕组（26），和设计成在所述次级接收器绕组（25、26）中感应出电压的至少一个环形初级发射器绕组（24）。

2.根据前一项权利要求所述的扭矩传感器（1），其特征在于，蚀刻到固定的第一印刷电路板中（8）的是：一方面，与扭矩测量相关联的至少一个线圈，且该线圈使得能够发射交变磁场，通过感应为运动部分供电并接收有关旋转元件（2）的电扭矩测量信号；且另一方面，在第一环形区段（8a）中的与角度位置测量相关联的至少三个线圈，其中有为环形初级发射器绕组（24）发射交变磁场的至少一个初级线圈，以及蚀刻到所述至少一个初级线圈内的分别用于第一次级接收器绕组（25）和所述至少一个第二次级接收器绕组（26）的至少两个次级线圈，与扭矩测量相关联的所述至少一个线圈和所述至少一个初级线圈以不同的各自的频率发射。

3.根据前一项权利要求所述的扭矩传感器（1），其特征在于，固定的第一印刷电路板（8）被容纳在固定的读取构件（9）中，并且被分成两个同心的环形区段（8a，8b），第二环形区段（8b）包括与扭矩测量相关联的所述至少一个线圈，并且是两个环形区段（8a，8b）中的最外侧，第二环形区段（8b）经由集成到固定的读取构件（9）中的电子接收和处理装置来接收由容纳在运动部分中的旋转的检测构件（10）的电磁发射装置发射的信号，所述旋转的检测构件（10）面对固定的读取构件（9）。

4.根据前一项权利要求所述的扭矩传感器（1），其特征在于，粘合性材料层搁置在由刚性材料制成的基板（5）的一个面上，基板能够确保其经由其与承载粘合性材料层的面相对的面通过摩擦而保持抵靠旋转元件（2），运动部分包括压力装置（6a，6b），压力装置（6a，6b）围绕粘合性材料层和基板（5），并且能够围绕旋转元件（2）并且将基板（5）的所述相对的面压靠在旋转元件（2）上，靶子（4）由旋转的检测构件（10）或由压力装置（6a，6b）或由与压力装置（6a，6b）相关联的其他装置承载，这是在面向固定的第一印刷电路板（8）的面上。

5.根据权利要求4所述的扭矩传感器（1），其特征在于，靶子（4）由构成旋转的检测构件（10）的一部分的旋转的第二印刷电路板承载，每个靶子（4）通过利用形成靶子的金属层的沉积的第二印刷电路板的局部雕刻而获得。

6.根据权利要求4所述的扭矩传感器（1），其特征在于，当靶子（4）由压力装置（6a，6b）或与压力装置（6a，6b）相关联的装置承载时，每个靶子（4）通过机加工或通过添加金属插入件而获得。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的扭矩传感器（1），其特征在于，压力装置由彼此延伸以形成完整外壳的两个外壳部分（6a，6b）形成，螺杆类型的固定装置（7）将两个外壳部分（6a，6b）固连在一起，两个外壳部分（6a，6b）在其中容纳基板（5）和粘合性材料层，旋转的检测构件（10）固定抵靠在接合在一起的两个外壳部分（6a，6b）的圆形外周上。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的传感器（1），其特征在于，固定的读取构件（9）和旋转的检测构件（10）被容纳在各自的壳体中，每个壳体都是环形的，它们分别是固定的和活动的，它们可以是或者可以不是不完整的，固定的环和活动的环彼此间隔开预定尺寸的间隙，该间隙允许所述环之间进行无线通信，且允许靶子（4）相对于第一印刷电路板（8）的定位，当靶子面对第一环形区段（8a）时则改变初级绕组（24）和两个次级绕组（25、26）之间的磁耦合。

9.根据前一项权利要求所述的传感器（1），其特征在于，所述固定的读取构件（9）的壳体沿着所述检测构件（10）的纵向旋转轴线与所述检测构件（10）的壳体对准，或者固定的读取构件（9）的壳体以一定距离围绕检测构件（10）的外壳。

10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器（1），其特征在于，所述靶子（4）具有大致平行六面体形状，具有旨在与旋转元件（2）同心的两个内部和外部圆形表面，内部圆形表面的长度短于外部圆形表面的长度。

11.根据前述权利要求中任一项所述的扭矩传感器（1），其特征在于，所述至少一个应变仪（3）为具有压阻单元的微机电系统的形式。

12.一种机动车辆中的旋转元件（2）和扭矩传感器（1）的组件，其特征在于，所述扭矩传感器（1）是根据前述权利要求中的任一项所述的，同时还执行角度位置传感器（1）的功能。

13.根据前一项权利要求所述的组件，其特征在于，所述旋转元件（2）是传动轴或飞轮。

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