特許 6498306 回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出するセンサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6498306

(24)【登録日】2019年3月22日

(45)【発行日】2019年4月10日

(54)【発明の名称】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出するセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/14 20060101AFI20190401BHJP

   G01L 3/10 20060101ALI20190401BHJP

【ＦＩ】

   G01L3/14 Z

   G01L3/10 311

【請求項の数】7

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-540221(P2017-540221)

(86)(22)【出願日】2016年1月15日

(65)【公表番号】特表2018-503828(P2018-503828A)

(43)【公表日】2018年2月8日

(86)【国際出願番号】EP2016050747

(87)【国際公開番号】WO2016120095

(87)【国際公開日】20160804

【審査請求日】2017年7月28日

(31)【優先権主張番号】102015201577.7

(32)【優先日】2015年1月29日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】フランク クロプフ

(72)【発明者】

【氏名】ズィーモン シュナイダー

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−２２５６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０２７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５４１４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２１７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１４３２８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００２９８７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０１６９６２１６（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ３／１０

Ｇ０１Ｌ ３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転可能に支持されたシャフト（５）のトルクを間接的に検出するセンサ装置（１Ｃ，１Ｄ）であって、
支持構造部（３）に接続する前記シャフト（５）の軸受（７）周辺に配置された少なくとも１つのセンサ素子（３０）を含むセンサ（１０Ｃ，１０Ｄ）を備え、
前記センサ素子（３０）は、軸受応力（Ｆ_Ｌ，Ｆ_Ｌ２）の所定の方向に作用する成分を検出し、該成分から前記シャフト（５）のトルクが算出可能である、センサ装置において、
前記センサ（１０Ｃ，１０Ｄ）は、外側輪郭（２４）を有する少なくとも１つのセンサ基体部（２０）を備え、
前記センサ基体部（２０）は、対応するセンサ素子（３０）を支持し、
前記センサ素子（３０）を収容するハウジング（５０，５０Ａ）の外側輪郭（５４，５４Ａ）が、前記支持構造部（３）内に設けられた収容孔（１２）内に圧入されていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項2】

前記ハウジング（５０Ａ）の圧入された前記外側輪郭（５４Ａ）は、少なくとも１つの凹部（５４．１）を有している、請求項１に記載のセンサ装置。

【請求項3】

前記センサ基体部（２０）のための収容孔（５２．１）は、前記ハウジング（５０，５０Ａ）の支持構造部（５２）内に設けられており、前記ハウジングは、前記軸受応力（Ｆ_Ｌ，Ｆ_Ｌ２）の作用成分を、前記支持構造部（５２）を介して前記センサ基体部（２０）に伝達する、請求項１または２に記載のセンサ装置。

【請求項4】

前記センサ（１０Ｃ，１０Ｄ）は、少なくとも１つの評価電子回路（４０Ａ）を含んでおり、前記評価電子回路は、少なくとも１つの前記センサ素子（３０）と電気的に接続されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ装置。

【請求項5】

回転可能に支持されたシャフト（５）のトルクを間接的に検出するセンサ装置（１Ａ）であって、
支持構造部（３）に接続する前記シャフト（５）の軸受（７）周辺に配置された少なくとも１つのセンサ素子（３０）を含むセンサ（１０Ａ）を備え、
前記センサ素子（３０）は、軸受応力（Ｆ_Ｌ，Ｆ_Ｌ２）の所定の方向に作用する成分を検出し、該成分から前記シャフト（５）のトルクが算出可能である、センサ装置において、
前記センサ（１０Ａ）は、外側輪郭（２４）を有する少なくとも１つのセンサ基体部（２０）を備え、
前記センサ基体部（２０）は、対応するセンサ素子（３０）を支持し、収容孔（１２）内に圧入されており、
前記収容孔（１２）は、対応するセンサ基体部（２０）のために前記支持構造部（３）内に設けられており、
前記センサ（１０Ａ）は、少なくとも２つの前記センサ素子（３０）を含み、前記センサ素子は、前記軸受（７）周辺の異なる位置に配置されており、
少なくとも２つの前記センサ素子（３０）は、異なる検出方向を有し、前記軸受応力（Ｆ_Ｌ，Ｆ_Ｌ２）の異なる方向に作用する成分を検出することを特徴とするセンサ装置。

【請求項6】

隣接する２つの前記センサ素子（３０）の前記検出方向は、相互に垂直に延在している、請求項５記載のセンサ装置。

【請求項7】

少なくとも１つの前記センサ素子（３０）は、薄膜技術で製造された圧抵抗センサ素子として実現され、且つ金属製の基体部（３１）を有し、前記基体部には絶縁層（３３）と、圧抵抗材料からなる機能層（３２）とが被着されており、前記機能層（３２）は、ホイートストンブリッジに相互接続された４つの抵抗体構造部（３４）を有している、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、独立請求項１の上位概念に係る、回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出するセンサ装置から出発する。

【0002】

トルクを検出するセンサは、あらゆるタイプのモータおよび変速機試験台の重要な構成要素である。さらにそれらは、多くの大規模工場で使用される駆動システムに統合された構成部品である。それらの支援により、例えば船舶のシャフト、風力設備またはボーリングロッドにおけるトルクが監視される。トルクセンサは広く普及しているが、その比較的複雑な構造とそれに伴うコストがこれまでは、大量生産品でのそれらの使用を阻害してきた。電動自転車のドライブシャフトのトルクの測定は、トルクセンサにとって、第１の潜在的大規模市場をあらわすが、しかしながら工場施設のために使用されるセンサ構想は、この目的のためにはもちろん高価すぎる。

【0003】

多くの試験台または較正装置の場合、静的検出器を用いたトルクの検出で十分である。この場合、そのトルクが検出されるべきシャフトは、変形要素の一方の側に接続される。弾性体とも称する変形体の他方の端部は、固定された構造要素、例えば支持体またはハウジング部材に接続される。係合トルクは、捻れによる弾性体の変形につながる。結果として生じる捻れは、僅かばかりの程度であり、多くの公知の測定方法による検出が可能である。ここではとりわけ磁気的方法が一般に使われており、この磁気的方法では、固定された磁界センサに相対する、弾性体に取り付けられた磁気的構造部の捻れが検出される。また光学的方法もこの目的のために適している。

【0004】

代替的に、弾性体において変形に基づき生じた材料膨張を検出することが可能である。構造に応じて、これらは、捻れモーメントまたはせん断応力からの結果として生じる。この材料膨張の測定のために通常は、被着された圧抵抗歪みゲージが用いられ、これはホイートストンブリッジに相互接続されている。代替的にこれらの歪みは、磁気弾性測定原理を用いても検出することが可能である。このことは、材料の応力がもたらされたときの強磁性材料の透磁率が変化することに基づいている。これらの変化は、例えば送信器および受信器コイルを備えた構造形態の好適なセンサシステムによって非接触で検出することが可能である。

【0005】

大抵の用途では、上述したトルクの静的検出は十分ではない。それどころか、回転しているシャフトのトルクを検出する必要がある。この目的のために、共回転する複数のセンサが開発され、それらはドライブシャフト内に統合され、その捻れを測定している。このことは通常は、捻れによって引き起こされた材料膨張の検出のための上述した２つの方法のうちの１つを介して行われる。

【0006】

歪みゲージ（ＤＭＳ）を使用する場合、回転するシステムでは、測定ブリッジへの給電も、信号の取り出しも、ケーブル接続を介して行うことができないという問題がある。この給電は、通常は、コイルがドライブシャフトの周りに巻回され、それによってコイル自身が共回転する変圧器装置を用いた交流電圧の伝送によって達成される。他のコイルは固定され、やや広い間隔でシャフトを取り囲む。それにより、鉄心として作用するシャフトと共に、比較的良好な特性を有する変圧器が生じる。歪みゲージブリッジの出力信号は比較的小さいため、従って測定ブリッジ直近の信号評価と増幅が、共回転する電子回路によって行われる。それらの出力信号は、ここでは例えば送信器および受信器コイルによって、またはさらなる電子回路によって、所定の無線規格を用いて外方へ、すなわちセンサの固定された部品に伝送され得る。そのようなセンサおよびそれらのために必要な全ての構成要素は、従来技術から公知である。そのようなセンサは、自身に課せられた要求は満たすが、しかしながら上述したように構造上の高いコストが必要となる。共回転するトルクセンサの領域では、磁気弾性センサは、使用する測定方法が非接触であるため、原理に基づく利点を有する。つまりここでは、それ自体回転する構成要素の接触接続の問題は全く発生せず、このことは、より僅かな構造上のコストに表れる。

【0007】

圧抵抗センサによっても、磁気弾性センサによっても、回転するシャフトのトルクは非常に良好に測定することができる。この場合のそれらの最大の利点は、直接的な測定原理にある。それらによって検出されたシャフトの捻れは、トルクと直接関係がある。但しそこからは、それらの最大の欠点も生じる。シャフトとセンサの特性は、分離不能に相互に結び付いている。これらのセンサは、シャフトの弾性的および／または磁気的特性が、センサ特性よりも優勢なため現行のシャフトには適用できない。トルクセンサは、むしろそれ自体シャフトの一部である。それ故それらの特有の要件は、初めからドライブトレイン全体の構造のもとで考慮しなければならない。１つのシステムのために見つけられた構造的解決手段は、簡単には別の用途に転用することはできない。このことは、例えば磁気弾性センサの製造業者が、（全ての歯車を含めた）シャフト、統合されたトルクセンサおよび所要の軸受からなる完全なパッケージを提供しなければならないことにつながる。この統合は、とりわけ製造技術的には良好な解決手段を表している。但しそれは、用途の特有性も強いため、それに伴って他の用途のために使用が困難なだけでなく、全く使用できないこともある。これにより生産個数が限られ、それに伴いそのような解決手段のための潜在的なコストも当然限られてくる。

【0008】

トルクの直接的な測定に対して代替的に、１つのシャフトから他のシャフトへのトルクの伝達の際に生じる、それらの軸受に対する応力を測定し、そこからトルクを推論することも可能である。この間接的なアプローチは、従来技術から公知であり、例えば独国特許出願公開第１０２０１２２００２３２号明細書および独国特許出願公開第１０２０１００２７０１０号明細書に開示されている。しかしながらこれらの明細書には、軸受応力の測定を行い得るようないかなる具体的な実現化も含まれていない。

【0009】

発明の開示
それに対して、独立請求項１の特徴部分を備えた、回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置は、シャフトの軸受応力の検出を介して、当該シャフトのトルクが、間接的に測定可能になる利点を有している。この目的のために好ましくは圧抵抗センサ素子が用いられ、この圧抵抗センサ素子は、薄膜技術において低コストで製造可能である。この少なくとも１つのセンサ素子は、軸受を取り囲む支持構造部内に設けられ、軸受応力に基づき生じる材料膨張若しくは材料圧縮を検出する。個々のセンサ素子は非常に小型に構成され、極小化され、非常に低コストで製造され得る。回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の実施形態は、好ましくは軸受領域における僅かな構造的変更しか必要としない。シャフトの構成はこれには関係していない。それ故回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の実施形態の使用は、原則既存のシステムにおいても、僅かな適合化のみで可能となる。

【0010】

本発明の実施形態は、回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出するセンサ装置であって、センサを備えており、該センサは、支持構造部に接続するシャフトの軸受周辺に配置された少なくとも１つのセンサ素子を含み、センサ素子は、軸受応力の所定の方向に作用する成分を検出し、該成分からシャフトのトルクが算出可能である、センサ装置を提供する。本発明によれば、このセンサは、外側輪郭を有する少なくとも１つのセンサ基体部を備えており、このセンサ基体部は、対応するセンサ素子を支持し、収容孔内に圧入されており、センサ素子は、軸受に対して所定の間隔と所定の角度とを有している。

【0011】

従属請求項に記載された手段およびさらなる構成により、独立請求項１に示された回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出するセンサ装置の好ましい改善例が可能である。

【0012】

特に好ましくは、収容孔は、対応するセンサ基体部のために支持構造部内に設けられ得る。これは、センサ基体部が直接支持構造部内に圧入されることを意味する。代替的に、センサ素子を収容するハウジングは、その外側輪郭が、支持構造部内に設けられた収容孔内に圧入され得る。センサ基体部のための収容孔は、この実施形態では、ハウジングの支持構造部内に設けられ得る。この場合ハウジングは、応力の作用成分を、支持構造部を介してセンサ基体部に伝達可能である。両方のケースにおいて、材料膨張若しくは材料圧縮は、センサ素子に伝達され、このセンサ素子によって検出および出力され得る。センサ基体部若しくはセンサ素子への応力の中央導入を達成するために、センサ基体部の領域におけるセンサハウジングの外側輪郭に、少なくとも１つの凹部を設けることは、有利であり得る。

【0013】

本発明に係るセンサ装置のさらに好ましい構成では、少なくとも１つのセンサ素子は、薄膜技術で製造された圧抵抗センサ素子として実施可能であり、金属製の基体部を有しており、この基体部には絶縁層と、圧抵抗材料からなる機能層とが被着されており、この機能層は、ホイートストンブリッジに相互接続された４つの抵抗体構造部を有している。材料膨張若しくは材料圧縮は、圧抵抗センサ素子に伝達され、個々の抵抗体構造部におけるオーム抵抗の変化を引き起こす。このオーム抵抗の変化によって、ホイートストンブリッジの出力電圧が変化する。従ってこの電圧信号からは、好適な評価電子回路を介して、作用トルクを推論することが可能である。測定ブリッジの信号と、トルクに比例した応力との間の正確な関係は、軸受に関するセンサ素子の位置付けに依存している。このことは、位置付けおよび製造誤差に対して所定の要求を課すことになるが、しかしながら用途においては大きな自由度も与える。そのため例えばセンサ素子３０を単に、以前よりもシャフトからやや広い間隔で配置する、あるいは、推定される軸受応力の方向に対して以前とは別の角度に配置する、だけで、一度構想したセンサ設計によって、より大きなトルクも測定することができるようになる。その上さらに、そのような例えばシャフトの軸受応力の方向を、変化する条件の下で監視するために、複数のセンサ素子を、軸受周りに配置することも可能である。

【0014】

本発明に係るセンサ装置のさらに好ましい構成では、センサは、少なくとも２つのセンサ素子を含み、このセンサ素子は、軸受周辺の異なる位置に配置されている。少なくとも２つのセンサ素子は、異なる検出方向を有し、軸受応力の異なる方向に作用する成分を検出し得る。さらにこの検出装置は、隣接する２つのセンサ素子から実質的に相互に垂直に延在し得る。それにより、例えばシャフト上で複数の歯車を有する変速機の場合のように、軸受応力の方向が運転状況に応じて変化する、軸受応力も検出および算出が可能になる。作用する応力の大きさと方向を正確に決定するために、少なくとも２つのセンサ素子の信号が相応に評価される。さらに固定の変速比の場合でも、有効信号を障害量からより良好に分離することができる。例えば軸受に対する横方向応力などのような障害量を消去するために、または冗長的な信号を得るために、２つ以上のセンサ素子を備えたセンサも実施可能である。

【0015】

本発明に係るセンサ装置のさらに好ましい構成では、センサは、少なくとも１つの評価電子回路を含んでおり、この評価電子回路は、少なくとも１つのセンサ素子と電気的に接続されている。これらのセンサ素子は、例えばワイヤボンディングによって、その上に好適な評価回路が存在しているそれぞれ１つのプリント基板に接続される。

【0016】

本発明の実施形態は、図面に示され、以下の明細書でより詳細に説明される。これらの図面中、同一若しくは類似の機能を果たす構成要素若しくは素子には同じ符号が付される。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の実施形態によって検出可能な軸受応力の実現を図解するための複数のシャフトと歯車の概略図

【図2】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の第１の実施形態の概略図

【図3】図２による本発明に係るセンサ装置の断面図

【図4】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の第２の実施形態の概略図

【図5】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の実施形態に使用可能なセンサ素子のセンサ基体部のための収容孔の平面図

【図6】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の実施形態に使用可能であり、かつ図５からの収容孔内に圧入可能である、センサ素子を有するセンサ基体部の実施形態の平面図

【図7】収容孔内にセンサ基体部を圧入する過程の前の図５による収容孔の断面図と図６によるセンサ基体部の断面図

【図8】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の実施形態に使用可能なセンサ素子の実施形態の平面図

【図9】図３によるセンサ素子の断面図

【図10】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の第３の実施形態の概略図

【図11】図１０による本発明に係るセンサ装置の断面図

【図12】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置のためのセンサの実施形態の概略的平面図

【図13】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の第４の実施形態の概略的断面図

【図14】回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置の第５の実施形態の概略的断面図

【0018】

本発明の実施形態
図１は、軸受応力の実現の図解のために使用される。図１は、複数のシャフトＷ１，Ｗ２，Ｗ３を示し、これらのシャフトは、複数の歯車Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を介して相互に接続されている。この配置構成は、第１のシャフトＷ１からの第１のトルクＭ１の、第２のシャフトＷ２の第２のトルクＭ２を介した、第３のトルクＭ３を有する第３のシャフトＷ３への伝達に用いられている。このことは、シャフトＷ１，Ｗ３に接続された歯車Ｚ１およびＺ３によって、第２のシャフトＷ２に接続された介在歯車Ｚ２を介して行われる。この場合第２のシャフトＷ２の軸受には２つの応力が作用する。一方では、第１の歯車Ｚ１と第２の歯車Ｚ２との間の接触点に作用する応力Ｆ_１２若しくはＦ_２１が、第２のシャフトＷ２の軸受にも作用する。なぜならこの第２の歯車Ｚ２は、第２のシャフトＷ２を介してそこにも支持されているからである。他方では、第３の歯車Ｚ３と第２の歯車Ｚ２との間に作用する応力Ｆ_３２若しくはＦ_２３が、この軸受によって受け入れられなければならない。これらの２つの応力Ｆ_１２とＦ_３２の加算から、全体として第２のシャフトＷ２の軸受に作用する軸受応力Ｆ_Ｌ２が生じる。この軸受は、この軸受応力Ｆ_Ｌ２を受け入れ、それを周辺の構造部に転送する。この構造部の内部で結果として生じる材料緊張は、軸受応力Ｆ_Ｌ２に比例すると共にトルクＭ２に比例している材料膨張に結び付く。この目的のために、軸受７を取り囲む構造部３には、孔Ｂ１が設けられ、この孔Ｂ１は、図１に示されている応力Ｆ_Ｌ２によって、破線の描写Ｂ２に応じて圧縮される。圧抵抗センサ素子を用いて、この材料膨張は検出可能である。引き続きそこからは、好適な評価電子回路を用いてトルクＭ２が検出される。

【0019】

図２乃至図１４からさらに明らかなように、回転可能に支持されたシャフト５のトルクを間接的に検出する本発明に係るセンサ装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの図示の実施形態は、それぞれ１つのセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを含んでいる。これらのセンサは、支持構造部３に接続するシャフト５の軸受７周辺に配置された少なくとも１つのセンサ素子３０を含み、該センサ素子は、軸受応力Ｆ_Ｌの所定の方向に作用する成分を検出し、該成分からシャフト５のトルクが算出可能である。本発明によればセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄは、外側輪郭２４を有する少なくとも１つのセンサ基体部２０を備えており、該センサ基体部は、対応するセンサ素子３０を支持し、収容孔１２，５２．１内に圧入されており、その際センサ素子３０は、軸受７に対して所定の間隔と所定の角度とを有している。

【0020】

図２および図３から明らかなように、本発明に係るセンサ装置１の図示の第１の実施形態は、支持構造部３の収容孔１２内に圧入されているセンサ素子３０を有している。図１の孔Ｂ１と同様に、図２および図３の収容孔１２も、図示の応力Ｆ_Ｌに応じて圧縮される。第１の変化実施形態では、センサ素子３０は、センサ基体部２０を介して、直接、支持構造部３内に圧入される。第２の変化実施形態では、センサ素子３０は、センサ基体部２０を介して、センサハウジング５０，５０Ａの支持構造部５２内に圧入され、このセンサハウジングは再び収容孔１２内に圧入される。両方のケースにおいて、センサ素子３０に対する圧縮が伝達され、当該センサ素子によって検出され、評価され得る。

【0021】

センサ素子３０の出力信号と、トルクに比例する軸受応力Ｆ_Ｌとの間の正確な関係は、センサ素子３０の位置付けに決定的に依存する。このことは、位置付けおよび製造誤差に対して所定の要求を課すことになるが、しかしながら用途においては大きな自由度も与える。そのため、例えばセンサ素子３０を単に、以前よりもシャフト５からやや広い間隔で配置する、あるいは、軸受応力Ｆ_Ｌの方向に対して以前とは別の角度に配置する、だけで、一度構想したセンサ設計によって、より大きなトルクも測定することができるようになる。図４からさらに明らかなように、そのような例えばシャフト５の軸受応力Ｆ_Ｌの方向を、条件を変えて監視するために、複数のセンサ素子３０を、軸受７周りに配置することも可能である。

【0022】

図４からさらに明らかなように、本発明に係るセンサ装置１Ａの第２の実施形態におけるセンサ１０Ａは、複数のセンサ素子３０を有している。ここでは第１のセンサ素子３０は、図面では軸受７の下方に配置され、軸受応力Ｆ_Ｌの下方に作用する成分を検出している。第２のセンサ素子３０は、図面では軸受７の左横に配置され、軸受応力Ｆ_Ｌの左方に作用する成分を検出している。第３のセンサ素子３０は、図面では軸受７の上方に配置され、軸受応力Ｆ_Ｌの上方に作用する成分を検出している。第４のセンサ素子３０は、図面では軸受７の右横に配置され、軸受応力Ｆ_Ｌの右方に作用する成分を検出している。検出された応力成分からは、作用する軸受応力の大きさと方向とが決定可能である。さらに、例えば軸受７に対する横方向応力のような障害量を消去すること、あるいは冗長的信号を生成することが可能である。

【0023】

図５乃至図９からさらに明らかなように、センサ素子３０は、鋼製のセンサ基体部２０を備えており、このセンサ基体部２０は、例えば旋削加工により製造された高精度な外側輪郭２４を有し、この外側輪郭２４は、収容孔１２，５２．１の相応に成形された内側輪郭１４内に圧入させるのに適している。この圧入を容易にさせるために、収容孔１２，５２．１の縁部およびセンサ基体部２０の挿入すべき縁部にはそれぞれ１つの挿入用の傾斜１６，２６がつけられていてもよい。高精度な環状の外側輪郭２４の下方には、圧入の際のストッパ２２として使用可能である任意に成形された輪郭が存在している。図示の実施形態では、輪郭は六角形として構成されている。接合若しくは圧入の後、センサ素子３０は、１つ以上の溶接点によってさらに固定可能である。

【0024】

鋼製のセンサ基体部２０の上には、少なくとも絶縁層３３（例えば酸化シリコン）と機能層３２とからなる薄膜が存在している。機能層３２としては、例えばニッケルクロム合金、白金、ポリシリコン、酸窒化チタンなどの圧抵抗材料が使用可能である。この機能層３２からは、例えばウェットエッチング、ドライエッチング、レーザアブレーションなどのような好適な方法により、少なくとも４つの抵抗体３４が構造化され、これらはホイートストンブリッジに相互接続されている。これらの抵抗体構造部３４は、典型的には、蛇行状に形成され、それらが互いに直交する空間方向の膨張に対毎に感応するように配置されている。ブリッジおよび接触面３８に対するリード導体３６は、機能層３２の平面内において、または付加的金属化面において実施可能である。さらに機能層３２は、不動態化層（例えば窒化シリコン）または他の手段（例えばゲル化）によって保護することができる。

【0025】

図１０および図１１から明らかなように、センサ１０Ｂは、本発明に係るセンサ装置１Ｂの図示の第３の実施形態では、センサ素子３０を有し、そのセンサ基体部２０は、支持構造部３の収容孔１２内に直接圧入されている。さらにこのセンサ１０Ｂは、図示の実施形態では、固有のハウジングを有していない。センサ素子３０および関連する評価電子回路４０の周辺環境の影響からの保護は、例えば変速機ハウジングによって保証され、この変速機ハウジングはここでは支持構造部３も含んでいる。センサ素子３０および評価電子回路４０のオイル飛散または摩耗からの保護は、保護ゲルまたは保護キャップによって行うことができる。センサ素子３０は、そのセンサ基体部２０を介して軸受７の近傍において変速機ハウジング内に圧入されるかまたは変速機内部の支持構造部３内に圧入される。接合若しくは圧入の後、このセンサ素子は、１つ以上の溶接点によって付加的に固定可能である。センサ素子３０は、軸受応力に基づいて生じた材料膨張を検出し、この材料膨張を抵抗体構造部３４から形成されたブリッジ回路を用いて出力電圧に変換する。センサ素子３０は、例えばワイヤボンディングにより、例えばＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）として実施されている好適な評価回路４４がその上に存在しているプリント基板４２の内部接点４８と接続されている。この評価回路４４は、ブリッジ電圧を評価し、トルクに比例した出力信号を、電圧の形態（例えば０〜５Ｖ）、電流の形態（例えば４〜２０ｍＡ）またはデジタルの形態で提供する。この信号は、外部接点４６から、例えば蝋付けされたケーブルまたは差し込まれたケーブルによって取り出し可能である。センサ１０Ｂ全体の電圧供給も、この外部接点４６を介して行われる。ケーブルを介してこの信号は外部に案内することが可能であり、あるいは変速機ハウジング内に同じ様に統合された制御機器に転送可能である。

【0026】

図１２乃至図１４から明らかなように、これらの図示の実施形態におけるセンサ素子３０は、ハウジング５０，５０Ａを有している。このハウジング５０，５０Ａは、用途において多くの利点を提供している。ハウジング５０，５０Ａは、その圧入領域において、横方向の圧縮を、センサ素子３０に伝達するように構成されている。センサ素子３０は、センサ基体部２０を介して、支持構造部５２内の収容孔５２．１内に圧入されており、この収容孔５２．１は、ハウジング５０，５０Ａのこの部分に対して径方向に延在すると共に外部応力Ｆ_Ｌの方向にも延在している。接合若しくは圧入の後、このセンサ素子３０は、１つ以上の溶接点によってさらに固定可能である。

【0027】

センサ素子３０および支持構造部５２の領域では、ハウジング５０，５０Ａは、高精度な外側輪郭５４を有し、この外側輪郭５４は、支持構造部３の相応に構成された収容孔１２内に圧入させるのに適している。このように形成される摩擦結合は、軸受応力Ｆ_Ｌに基づき生じる圧縮を、センサハウジング５０，５０Ａを介してセンサ基体部２０に伝達すると共にセンサ素子３０に伝達することをもたらす。図１４からさらに明らかなように、センサハウジング５０Ａの外側輪郭５４Ａは、図示の実施形態では、センサ素子３０の領域に、当該センサ素子３０への応力Ｆ_Ｌの中央導入を達成するために、複数の凹部５４．１を有している。

【0028】

図１３および図１４からさらに明らかなように、残りのハウジング５０，５０Ａの部分の設計は比較的自由である。そこではただ、センサハウジング５０，５０Ａを介してさらなる応力が信号パスに入力しないように注意を払うだけでよい。なぜならそれは、センサ装置ＩＣ，１Ｄの不所望な交差感度をもたらす可能性があるからである。このことは、センサハウジング５０，５０Ａから他の構成要素へのさらなる接点を存在させない場合に、最良に達成される。配線を介した応力の導入も回避されるべきである。図１３および図１４からさらに明らかなように、ハウジング５０，５０Ａは、図示の実施形態では実質的に、一方の側がカバー５６により密封され、他方の側はプラグ５８により密封される鋼製のスリーブからなっている。好適なプラグと共にそのような構成は気密に密閉して実施することも可能であり、そのため変速機オイル中での直接の使用も可能になる。センサ素子３０は、材料膨張を、前述の実施形態と同様に抵抗体構造部３４から形成されたブリッジ回路を用いて出力電圧に変換する。信号評価は、前述の実施形態と同様に行われる。プリント基板４２が実質的に支持構造部３に対して平行に配置されている第３の実施形態とは異なり、第４および第５の実施形態では、プリント基板４２Ａが評価回路４４Ａと共に、支持構造部３に対して垂直にかつハウジング５０，５０Ａ内部に配置されている。第３の実施形態と同様に、センサ素子３０は、例えばワイヤボンディングにより、内部接点４８Ａと電気的に接続される。評価回路４４Ａの出力信号は、外部接点４６Ａとプラグ５８とを介して出力可能である。

【0029】

本発明の実施形態は、回転可能に支持されたシャフトのトルクを間接的に検出するセンサ装置を提供し、このセンサ装置は、好ましくはドライブシャフトのトルクの低コストな検出が必要とされるあらゆるところで使用することが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】