Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines Drehmoments

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Derartige Vorrichtungen bzw. ein derartiges Verfahren werden unter anderem in

Kraftfahrzeugen eingesetzt, um ein Drehmoment an einer drehbaren Welle,

beispielsweise an einer Lenkstange oder Lenkwelle, zu ermitteln.

Aus der DE 2005 01 1 196 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung eines

Differenzwinkels bekannt geworden. Die Sensoranordnung umfasst zumindest ein magnetempfindliches Sensorelement mit dem Magnetfeldinformationen eines

Magnetkreises auswertbar sind, der insbesondere aufgrund eines auf einen Torsionsstab wirkenden Drehmomentes relativ zum Sensorelement verdrehbar ist. Hierzu sind

Fluxringe vorhanden, die axial verlaufende, nicht ineinander greifende Zähne aufweisen mit denen der magnetische Fluss zwischen einem Magnetpolrad und dem Sensorelement beeinflussbar ist. Die Fluxringe sind derart ausgebildet, dass sich das Sensorelement und das Magnetpolrad zwischen dem auf einem kleineren Durchmesser liegenden inneren Fluxring und dem auf einem größeren Durchmesser liegenden äußeren Fluxring befinden.

Zwar weisen diese Sensorelemente eine hohe Winkelauflösung auf, jedoch ist die

Herstellung derartiger Sensoranordnungen beziehungsweise -elemente teuer und kompliziert. So müssen beispielsweise die für eine Leitung des magnetischen Flusses notwendigen metallischen Flussleitelemente mit hoher Positionsgenauigkeit zum magnetischen Fluss ausgerichtet werden und müssen diese Position auch während ihrer gesamten Lebenszeit einhalten. Offenbarung der Erfindung

Die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments umfasst eine Basis, zumindest einen Bereich zur Festlegung der Vorrichtung, insbesondere auf einer Welle, eine dehnungssensible Messstruktur, Messmittel zur Erzeugung eines Messsignals anhand einer Änderung der Form und/oder Position des Messstruktur sowie Mittel zum Übertragen des Messsignals. Das in Anspruch 9 definierte Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments, insbesondere gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 -8, umfasst die Schritte Anordnen zumindest einer dehnungssensiblen Messstruktur an einer Basis, Anordnen von Messmitteln zur Erzeugung eines Messsignals anhand einer Änderung der Form und/oder Position des Messstruktur an der Basis, Anordnen von Mitteln zum Übertragen des Messsignals an der Basis.

In Anspruch 1 1 ist eine Welle mit einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der

Ansprüche 1 -8 definiert, wobei die Vorrichtung auf zumindest einem Teilabschnitt der Welle festgelegt ist und die Welle Mittel zum Anschluss an eine externe Welle (W) umfasst.

In Anspruch 12 ist eine Verwendung einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 -8 zur Erfassung eines Drehmoments definiert. Vorteile der Erfindung

Die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung, das in Anspruch 9 definierte Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments sowie die in Anspruch 12 definierte Verwendung weisen den Vorteil auf, dass die Vorrichtung sehr klein und kompakt ausgeführt werden kann. Weiter ist die Herstellung der Vorrichtung

kostengünstig.

Die Messmittel können dabei eine Wheatstone-Messbrücke umfassen. Damit wird ein sehr kompakter Aufbau der Vorrichtung realisiert und gleichzeitig kann die Vorrichtung sehr kostengünstig hergestellt werden, da keine teuren Bauelemente wie beispielsweise hall-integrierte Schaltungen, Flussleiter etc. verwendet werden müssen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Messstruktur mechanisch strukturiert und umfasst insbesondere Aussparungen und/oder einen Biegebalken.

Der Vorteil hierbei ist, dass die Messstruktur einfach, kostengünstig und platzsparend hergestellt und angeordnet werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Basis hülsenförmig ausgebildet. Der Vorteil dabei ist, dass die Basis auf einfache Weise auf eine Welle aufgeschoben und mit ihr zuverlässig verbunden werden kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zum

Übertragen des Messsignals zum berührungslosen Übertragen ausgebildet und umfassen insbesondere induktive Mittel, vorzugsweise in Form zumindest einer Spule. Durch das berührungslose Übertragen des Messsignals ist die Vorrichtung verschleißarm. Ebenso wird damit nicht nur eine Übertragung des zur Verfügung gestellten Messsignals ermöglicht, sondern auch eine Übertragung elektrischer Energie. Durch eine induktive

Kopplung mittels der entsprechenden Mittel wird eine besonders einfache, kostengünstige berührungslose Übertragung des Messsignals bzw. der elektrischen Energie erreicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Messstruktur im Wesentlichen mäandriert und / oder balkenförmig ausgebildet. Der Vorteil hierbei ist, dass damit größere dehnungssensible Strukturen bei entsprechend wenig Bauraum realisiert werden können, das heißt, die Genauigkeit der Erfassung eines Drehmoments wird dadurch insgesamt weiter gesteigert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind Mittel zur

Vermeidung einer Überlastung der Vorrichtung angeordnet, insbesondere in Form zumindest einer Anschlagsfläche. Der Vorteil hierbei ist, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine Überlastung der Vorrichtung vermieden werden kann, was die Lebensdauer der Vorrichtung wesentlich erhöht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung einen radial vorstehenden Randbereich auf, wobei zumindest teilweise die Messmittel und / oder die Mittel zum Übertragen des Messsignals auf dem Randbereich angeordnet sind. Der Vorteil hierbei ist, dass damit der radial vorstehende Randbereich zur Anordnung weiterer Bauelemente genutzt wird beispielsweise von Mitteln zum Übertragen des Messsignals, so dass eine verbesserte Übertragung der Messignale oder Energie ermöglicht wird. Die Flexibilität der Vorrichtung wird damit insgesamt erhöht. Ein weiterer Vorteil hierbei ist, dass damit die Messmittel und / oder die Mittel zum Übertragen des Messsignals von der Messstruktur beabstandet sind, so dass letztere in optimaler Weise angeordnet werden kann ohne dass Einschränkungen durch die Messmittel oder die Mittel zum Übertragen insbesondere bei einer Anordnung und / oder Ausbildung der Messstruktur berücksichtigt werden müssen. Insgesamt werden dadurch die Flexibilität und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung weiter erhöht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, in dem insbesondere weitere Mittel zur berührungslosen Übertragung von Signalen angeordnet sind. Der Vorteil hierbei ist, dass damit die Mittel zum Messen der physikalischen Größe, die Mittel zum Bereitstellen eines Signals und die Mittel zum insbesondere berührungslosen Übertragen durch das Gehäuse geschützt werden, was die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrichtung erheblich steigert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Anordnen von Messmitteln auf die Basis die Schritte: Anordnen von Messmitteln, insbesondere einer Wheatstone-Brücke, auf einem Substrat, vorzugsweise einem Stahlsubstrat, Vereinzeln zumindest eines Moduls, umfassend die Messmittel und einen Teil des Substrats, Festlegen des Moduls auf der Basis, Kontaktieren des Moduls, insbesondere mittels Drahtbonden. Der Vorteil hierbei ist, dass damit eine Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments noch schneller und kostengünstiger hergestellt werden kann.

Eine Welle gemäß Anspruch 1 1 weist den Vorteil auf, dass damit die Welle samt

Vorrichtung auf besonders einfache Weise, beispielsweise durch eine

Schraubverbindung, mit einer Lenkwelle eines Fahrzeugs verbunden oder in ein

Lenkgestänge integrierbar ist. Eine solche Integration in ein Lenkgestänge kann beispielsweise im Fahrgastraum des Fahrzeugs als unmittelbares Koppelelement zum Lenkrad oder als Koppelelement an einem Gelenk oder im Motorraum des Fahrzeugs als unmittelbares Koppelelement zum Lenkgetriebe erfolgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 a eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung in perspektivischer Darstellung;

Fig. 1 b eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung gemäß Fig. 1 a in schematischer Form;

Fig. 2a,b,c,d eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung gemäß Fig.1 in Quer- und Draufsichten;

Fig. 3a,b,c eine Darstellung der Oberfläche der Basis der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 1 in belasteten und unbelasteten Zuständen;

Fig. 4a,b,c,d Darstellungen der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit verschieden ausgebildeten Messstrukturen;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6a,b,c eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung in Quer- und Draufsichten;

Fig. 7 eine Welle mit einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8a, b eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung;

Fig. 9 einen Teil einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; sowie

Fig. 10 einen Teil eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung

Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen die selben beziehungsweise funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Drehmoments. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Basis in Form einer Hülse 2, hergestellt insbesondere aus Metall, vorzugsweise Stahl. Die Hülse 2 ist mechanisch vorstrukturiert. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist eine im Wesentlichen

Messstruktur in Form von rechteckförmigen Aussparungen 4 und einem Biegebalken 5' in der Hülse 2 angeordnet, die sich teilweise auf der Umfangsfläche der Hülse 2 erstrecken. Die Hülse 2 ist auf eine Welle W aufgeschoben und an dieser mittels Schweißpunkten 3a in Endbereichen 3 der Hülse 2 mit der Welle W verbunden. Selbstverständlich sind auch andere Befestigungsarten denkbar.

Die Welle W weist im Bereich der Hülse 2 eine Verjüngung W _a (gezeigt in Fig. 2c) auf, so dass Hülse 2 und Welle W im Wesentlichen einen Torsionsstab bilden. Die Verjüngung W _a der Welle W dient dazu, um eine exakt definierte Torsion zu erhalten. Eine

Gesamttorsion wird somit durch die Welle W, deren Verjüngung W _a und die mit der Welle W fest verbundene Vorrichtung 1 festgelegt.

Zwischen den rechteckförmigen Aussparungen 4 der Hülse 2 ist eine Wheatstone-Brücke 5 angeordnet, die einerseits auf dem Biegebalken 5' angeordnet ist und andererseits über einen Elektronikbaustein 1 1 (gezeigt in Fig. 3) mit einer ersten Spule 6a verbunden ist. Die erste Spule 6a umfasst dabei Windungen, die parallel zur Achse der Hülse 2 beziehungsweise der Welle W auf der Hülse 2 unterhalb des Endbereichs 3 und oberhalb der Aussparungen 4 angeordnet sind. In Fig. 1 b ist zusätzlich eine zweite Spule 6b in schematischer Form gezeigt, die auf der radialen Außenseite der ersten Spule 6a und beabstandet von dieser angeordnet ist. Beide Spulen 6a und 6b wirken dabei zum berührungslosen Übertragen von Signalen induktiv zusammen. Die zweite Spule 6b ist weiterhin mit einer Spannungsquelle 8 über Leitungen 7 verbunden sowie mit einer Auswerteeinheit (in Fig. 1 b nicht gezeigt) zur Auswertung eines im Elektronikbaustein aufbereiteten Signals S der Wheatstone-Brücke 5 zur Erfassung eines Drehmoments. Die zweite Spule 6b kann einerseits ein elektrisches Signal S der Wheatstone-Brücke 5, welches durch die Spule 6a übertragen wird, empfangen und an eine Auswerteeinheit übermitteln, gleichzeitig kann auch ein Energiesignal von der Energiequelle 8 über die Leitungen 7 und weiter über die Spule 6b zur Spule 6a und damit zur Wheatstone-Brücke 5 auf dem Biegebalken 5' übertragen werden, so dass auf diese Weise eine separate Energieversorgung der Wheatstone-Brücke 5 entfallen kann. Die Wheatstone-Brücke 5 ist dehnungssensibel, wird dabei in Oberflächentechnologie mittels chemischer

Gasphasenabscheidung aufgebracht und zusätzlich passiviert, um einen Schutz vor Umwelteinflüssen zu gewährleisten.

Weiterhin sind auf der Hülse 2 zumindest ein Elektronikbaustein 1 1 (in Fig. 1 nicht gezeigt) angeordnet, welcher eine Logikschaltung 1 1 c, einen Analogdigitalwandler 1 1 b, einen Hochfrequenzmodulator 1 1 d, beziehungsweise -demodulator umfasst, um elektrische Signale S, die insbesondere hochfrequent moduliert und digital sind, berührungslos zu übertragen. Die Größe der Vorrichtung wird im Wesentlichen nur durch die Abmessungen der Hülse 2, der auf der Hülse 2 angeordneter Wheatstone-Brücke 5, des Elektronikbausteins 1 1 , etc. und durch ein in Fig. 1 nicht gezeigtes Gehäuse 9, das ebenfalls eine zweite Spule 6b und weitere Elektronik in Form einer Auswerteeinheit 13 mit einer Energiequelle 13a, einer Logikschaltung 13c und einer Hochfrequenzmodulator bzw. -demodulator 13d und entsprechende Leiterplatten 14b umfasst, bestimmt beziehungsweise festlegt.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig.1 in Quer- und Draufsichten.

In Fig. 2a ist in schematischer Darstellung im Detail eine Darstellung gemäß Fig. 1 b gezeigt. Zwischen den Spulen 6a, 6b besteht zum Betrieb der Vorrichtung 1 eine induktive Kopplung K. Die Wicklungen der Spule 6b sind dabei in einem die Hülse 2 vollständig umgebenden Gehäuse 9 angeordnet. Über die Spulen 6a, 6b wird analog dem Prinzip eines Transformators elektrische Energie und ebenfalls ein digital moduliertes

elektrisches Signal S hochfrequent von der ersten Spule 6a zur zweiten Spule 6b übertragen. Das Signal S ist dabei ein elektrisches Signal in Form einer Änderung einer Brückenspannung, welches durch die Wheatstone-Brücke 5 erzeugt wird bei einer Torsion der Welle W und damit der Hülse 2.

In Fig. 2b ist die Vorrichtung gemäß Fig. 1 a in der Seitenansicht mit einem die Vorrichtung umgebenden Gehäuse 9 gezeigt. Die Abmessungen des Gehäuses 9 werden dabei im Wesentlichen durch die Welle W und die die Welle W umgebende Hülse 2 bestimmt. Das Gehäuse 9 weist im Bereich der Spule 6b radiale Vorsprünge 9a nach innen in Richtung der ersten Spule 6a auf, so dass die erste Spule 6a der Hülse 2 und die zweite Spule 6b des Gehäuses 9 in optimaler Weise induktiv gekoppelt sind. Weiterhin weist das Gehäuse 9 Öffnungen O auf, durch die die Welle W hindurchtreten kann. Gehäuse 9 und Welle W sind im Bereich der Öffnungen O mittels Dichtungen 10 abgedichtet. Das Gehäuse 9 kann dabei sowohl einteilig als auch zweiteilig für eine verbesserte Wartung oder einfachere Montage der Vorrichtung 1 auf der Welle W ausgebildet sein.

Fig. 2c zeigt in schematischer Form in der Draufsicht die Welle W mit einer Verjüngung W _a im mittleren Bereich der Welle W. Direkt benachbart zu der Verjüngung W _a sind die beiden Befestigungsbereiche 3 der Hülse 2 angeordnet.

Fig. 2d zeigt mit Blickrichtung entlang der Achse der Welle W, einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Radial von innen nach außen ist dabei der Aufbau wie folgt : Im Inneren befindet sich die Welle W, auf der koaxial die Hülse 2 angeordnet ist. Koaxial auf der Hülse 2 ist die erste Spule 6a angeordnet. Damit die Welle W sich frei drehen kann, ist zwischen erster Spule 6a und koaxial hierzu angeordneter zweiter Spule 6b ein Zwischenraum Z angeordnet, der die zweite Spule 6b von der ersten Spule 6a beabstandet. Die zweite Spule 6b ist auf der Innenseite eines axial zur Welle W und zur Hülse 2 angeordneten Gehäuses 9 angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung der Oberfläche der Basis der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 1 in belasteten und

unbelasteten Zuständen.

In Fig. 3a ist eine Mantelfläche der zylinderförmigen Hülse 2 gemäß der ersten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht gezeigt. Die Mantelfläche der Hülse 2 ist dabei so orientiert, dass sie einer Mantelfläche einer Hülse 2 entspricht, die an einer senkrecht orientierten Welle W angeordnet ist gemäß Fig. 2.

Dementsprechend weist die Hülse 2 gemäß Fig. 3a bis 3c in ihrem oberen und unteren Bereich jeweils drei Schweißpunkte 3a auf mit denen die Hülse 2 auf der Welle W festgelegt wird. Zwischen den oberen und unteren drei Schweißpunkten 3a sind in Richtung von oben nach unten die Windungen der ersten Spule 6a, die sich in den Fig. 3a bis 3c horizontal erstrecken, angeordnet. Die erste Spule 6a ist dabei mit einem

Elektronikbaustein 1 1 elektrisch verbunden, der ebenfalls auf der Hülse 2 angeordnet ist. Der Elektronikbaustein 1 1 ist weiterhin mit einer Wheatstone-Brücke 5 verbunden. Die Wheatstone-Brücke 5 befindet sich vorteilhafterweise im Bereich maximaler Dehnung und/oder Stauchung auf dem Biegebalken 5' zwischen zwei mechanischen

Strukturierungen in Form von Aussparungen 4, die jeweils in Form eines querliegenden S ausgebildet sind. Die Aussparungen 4 sind dabei spiegelsymmetrisch zueinander und beabstandet voneinander ausgebildet, so dass die Wheatstone-Brücke 5 zwischen zwei senkrecht angeordneten Schenkeln 4-i , 4 ₂ der Aussparungen 4 angeordnet ist. Zwischen diesen beiden Schenkeln 4-i , 4 ₂ ist ein Biegebalken 5' ausgebildet, so dass die

Wheatstone-Brücke 5 Änderungen beziehungsweise Verschiebungen oder sonstige mechanische Belastungen des Biegebalkens 5' messen kann.

Wird die Hülse 2 in Richtung R-ι (gemäß Fig. 3a von links nach rechts) tordiert, ändert sich die Form des Biegebalkens 5' auf der Hülse 2; die Wheatstone-Brücke 5 erzeugt dann ein entsprechendes Signal S, welches schließlich mittels der Spulen 6a, 6b zu einer

Auswerteeinheit 13 übertragen wird, die die entsprechende Torsion anhand des übertragenen Signals S auswertet. In Fig. 3a kann der Biegebalken 5' jedoch nur so weit verschoben beziehungsweise gebogen werden, bis gegenüberliegende innenliegende Seiten der Aussparung 4 aneinander anliegen. Auf diese Weise wird ein Anschlag A ₂ gebildet, das heißt die gegenüberliegenden und innenliegenden sich vertikal

erstreckenden Seiten des mittleren Bereichs des querliegenden S berühren einander. Damit wird eine Überlastung der Vorrichtung 1 vermieden.

In Fig. 3b ist der nun unbelastete Zustand gezeigt, wo hingegen in Fig. 3c entsprechend Fig. 3a eine Torsion der Hülse 2 gezeigt ist in einer Richtung R ₂ , die zur Richtung R-ι der Torsion gemäß Fig. 3a entgegengesetzt ist.

In Fig. 3c wird damit ein entsprechender Anschlag A-ι analog zu dem Anschlag A ₂ gebildet. Die Torsion der Hülse 2 erfolgt dabei bei den Fig. 3a bis 3c zwischen dem oberen und unteren Bereich der Hülse 2. Fig. 4a bis 4d zeigen Darstellungen der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit verschieden ausgebildeten mechanischen Messstrukturen.

In den Fig. 4a bis 4d sind verschiedene Messstrukturen in Form von mechanischen Strukturierungen beziehungsweise Aussparungen 4 mit Biegebalken 5' der Hülse 2 gezeigt, ansonsten entspricht der Aufbau der Hülse 2 im Wesentlichen der Hülse 2 gemäß den Fig. 3a bis 3c. Die verschiedenen Messstrukturen gemäß den Figuren 4a-4d dienen einer mechanischen Zugentlastung des Biegebalkens 5' bei anliegenden Torsion.

Im Unterschied zu den Aussparungen 4 gemäß Fig. 3b weist die im Wesentlichen S- förmige Aussparung 4 der Fig. 4a einen Hülsenvorsprung 12 auf, der sich in senkrechter Richtung erstreckt und im unteren Bereich der Schenkel 4-i , 4 ₂ der Aussparung 4 angeordnet ist. In den Vorsprung hineinragend ist der Biegebalken 5' ausgebildet, der im Bereich des Vorsprungs im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist. In Fig. 4b sind die Schenkel 4i _t 4 ₂ der S-förmigen Aussparungen 4 so ausgebildet, dass der Biegebalken 5' mit darauf angeordneter Wheatstone-Brücke 5 in vertikaler Richtung stetig aber mit einem horizontalen Versatz in Fig. 4b nach rechts verläuft und somit eine Spiegelsymmetrie zwischen den Schenkeln 4-i und 4 ₂ nicht mehr vorliegt. In Fig. 4c ist der Biegebalken 5' nun im Wesentlichen wiederum in vertikaler Richtung gemäß Fig. 4a orientiert. Der Biegebalken 5' weist dabei in seinem mittleren Bereich zwei kreisförmige Vorsprünge auf (in Fig. 4c in horizontaler Richtung orientiert), so dass der Biegebalken 5' in seiner Mitte in horizontaler Richtung gemäß Fig. 4c verbreitert ist.

Gleichzeitig ist im Inneren dieser Verbreiterung eine weitere Aussparung angeordnet.

In Fig. 4d ist schließlich eine weitere mögliche Ausführung eines Biegebalkens 5' gezeigt. Der Biegebalken 5' weist endständige Verbreiterungen auf, in denen wiederum eine Aussparung angeordnet ist. Die den Biegebalken 5' umgebenden Schenkel 4-i , 4 ₂ der querliegenden S-förmigen Aussparungen 4 sind entsprechend der Form des

Biegebalkens 5' ausgebildet, das heißt die Aussparungen 4 sind im Wesentlichen im

Bereich des Biegebalkens 5' viertelkreisförmig ausgebildet und erstrecken sich im mittigen Bereich des Biegebalkens 5' parallel zu diesem. Die Wheatstone-Brücke 5 ist zentral auf dem Biegebalken 5' angeordnet, wohingegen der Elektronikbaustein 1 1 in dem zum Schenkel 4-i der Aussparung benachbarten Bereich der Hülse 2 angeordnet ist.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Messstruktur 4, 5' misst dabei die Torsionen mittels einer Wheatstone-Brücke 5. Die Wheatstone-Brücke 5 ist mit einem Elektronikbaustein 1 1 verbunden, der einen Signal- Verstärker 1 1 a, einen Analog-Digital-Wandler 1 1 b, eine Logikschaltung 1 1 c sowie einen Hochfrequenz-Modulator / -Demodulator umfasst. Dieser Elektronikbaustein 1 1 ist mit einer Induktivität in Form einer ersten Spule 6a verbunden, die induktiv mit einer zweiten Spule 6b gekoppelt ist. Die zweite Spule 6b ist weiter mit einer Auswerteeinheit 13 verbunden, die eine Energiequelle 13a, eine Logikschaltung 13c und einen Hochfrequenz- Modulator / -Demodulator 13d aufweist und zum Auswerten des von der Wheatstone- Brücke 5 übermittelten Signals S zur Ermittlung des Drehmoments bei Torsion der Welle W beziehungsweise der Hülse 2 dient. Gleichzeitig wird von der Auswerteeinheit 13 mittels der induktiven Kopplung elektrische Energie an den Signalverstärker 1 1 a und an die Wheatstone-Brücke 5 sowie an den Elektronikbaustein 1 1 für deren Betrieb übertragen, so dass auf der Hülse 2 keine separate Energiequelle für den Betrieb der Vorrichtung angeordnet werden muss.

Fig. 6a bis 6c zeigt eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Quer- und Draufsicht.

In Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und Fig. 2, insbesondere Fig. 2b weist die Hülse 2 einen radial vorstehenenden Randbereich V auf, das heißt die Hülse 2 ist gemäß Fig. 6 im Querschnitt T-förmig ausgebildet. Der Randbereich V ist dabei im

Bereich 3 zur Festlegung der Hülse 2 auf der Welle W angeordnet. Ebenfalls im

Unterschied zu der Fig. 2 ist das Gehäuse 9 entsprechend T-förmig ausgebildet. Ein weiterer Unterschied zu der Vorrichtung gemäß Fig. 2b ist, dass die Spulen 6a, 6b in gedruckter Schaltung auf Leiterplatten 14a, 14b angeordnet sind, so dass diese nun eine induktive Kopplung K parallel zur Achse der Welle W bereitstellen, im Gegensatz zu der induktiven Kopplung gemäß Fig. 2, bei der die induktive Kopplung K senkrecht zur Achse der Welle W bewirkt wird.

Fig. 6b zeigt den Randbereich V der Hülse 2 in einer Draufsicht mit Blickrichtung entlang der Achse der Hülse 2. Der kreisförmige Randbereich V weist dabei Aussparungen 15 auf, die zur Anordnung von elektronischen Bauelementen, beispielsweise des

Elektronikbausteins 1 1 , etc. verwendet werden können. In Fig. 6c ist weiter in einer Draufsicht von oben gemäß Fig. 6b die erste Spule 6a mit ihren Windungen gezeigt, die auf der Leiterplatte 14a angeordnet beziehungsweise auf diese aufgedruckt ist. Fig. 7 zeigt eine Welle mit einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 7 ist eine Teilwelle W _v mit einer hülsenförmigen Vorrichtung gemäß Fig. 2b gezeigt. Im Unterschied zu der Welle W gemäß Fig. 2b ist in Figur 7 nur eine Teilwelle W _v gezeigt, d.h. deren Erstreckung entlang der Achse der Vorrichtung 1 ist nur wenig größer als die entsprechende Erstreckung der Vorrichtung 1 . Die Teilwelle W _v ragt dabei jeweils über das Gehäuse 9 in vertikaler Richtung heraus und weist ausserhalb des Gehäuses 9 der Vorrichtung 1 Anschlüsse V-ι, V ₂ auf, um die Teilwelle W _v an eine externe Welle W anschließen zu können. Der Anschluss V-ι ist dabei beispielsweise eine

Schraubverbindung mit Innengewinde ausgebildet, wohingegen der Anschluss V ₂ als Schraubverbindung mit einem Außengewinde ausgebildet ist. Auf diese Weise kann je nach Wunsch die Teilwelle W _v zusammen mit der auf ihr angeordneten Vorrichtung 1 an verschiedene Orte, beispielsweise innerhalb eines Lenkgestänges eines Fahrzeugs eingebaut werden. Fig. 8a, b zeigt eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 8a ist analog zur Fig. 3b eine Mantelfläche der Hülse 2 gezeigt. Wie in Figur 3b weist diese am oberen und unteren Rand Schweißpunkte 3a auf, mit denen die Hülse 2 auf einer Welle festlegbar ist. Des Weiteren ist ein Elektronikbaustein 1 1 angeordnet, der mit einer Spule 6a elektrisch verbunden ist. Im Unterschied zu Figur 3b ist auf dem Biegebalken 5' keine Wheatstone-Brücke 5 direkt angeordnet, sondern der Biegebalken 5' umfasst einen Bereich B _M , insbesondere in Form einer Aussparung, in dem ein Modul M, welches beispielsweise eine Wheatstone-Brücke 5 umfasst, festlegbar ist. Hierzu ist der Bereich B _M am oberen und unteren Ende gemäß Figur 8a mit Bereichen 3 _M versehen, mit denen ein Modul M an der Hülse festgelegt werden kann, beispielsweise mittels

Schweißen. Um eine elektrische Verbindung zwischen Modul M und Elektronikbaustein 1 1 zu ermöglichen, sind oberhalb des Bereichs 3 _M zu festlegung des Moduls M Kontakte in Form von Bondpads K angeordnet. Diese Kontakte sind elektrisch leitend mit dem Elektronikbaustein verbunden.

In Fig. 8b ist nun die Anordnung einer Wheatstone-Brücke 5 auf einem entsprechenden Modul M gezeigt. Das Modul M ist dabei im Bereich B _M auf dem Biegebalken 5' festgelegt. Das Modul M umfasst dabei eine Wheatstone-Brücke 5 sowie vier Kontakte in Form von Bondpads K _M , die mit den entsprechenden Kontakten K korrespondieren. Zwischen den Kontakten K, K _M ist ein Festlegungsbereich 3 _M angeordnet. Die Kontakte K, K _M werden deshalb mittels Drahtbonden D elektrisch leitend verbunden. Anschließend kann das Modul M samt Drahtbonden und Kontakten K _M , K zum Schutz vor Umwelteinflüssen passiviert werden. Fig. 9 zeigt einen Teil einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 9a ist nun im Detail ein Modul M gemäß Figur 8b gezeigt. Das Modul M umfasst dabei eine Wheatstone-Brücke 5 mit vier Widerständen W-ι, W ₂ , W ₃ , W ₄ . Die Wheatstone- Brücke 5 ist dabei mit den vier Kontakten des Moduls K _M über entsprechende Leitungen verbunden. Die Widerstände W-ι, W ₂ , W ₃ , W ₄ sind piezo-resistiv und werden in

Dünnschichttechnologie, beispielsweise mittels chemischer Gasphasen-Abscheidung, auf das Modul M aufgebracht. Die Widerstände W-ι, W ₂ , W ₃ , W ₄ bestehen beispielsweise aus NiCrSi und sind mäandriert ausgebildet.

In Figur 9b ist ein Querschnitt des Moduls gemäß Figur 9a gezeigt. An den Rändern des Moduls M sind die Festlegungsbereiche 3 _M des Moduls M auf einer Hülse 2 gezeigt, wohingegen in der Mitte des Moduls M die Wheatstone-Brücke 5 angeordnet ist. Fig. 10 zeigt einen Teil eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 10 bezeichnet Bezugszeichen 20 ein Stahlsusbtrat. Auf dem Stahlsubstrat 20 werden nun in Dünnschlichttechnologie analog der Herstellung von Wafern in der Halbleiterindustrie eine Vielzahl von Modulen M schachbrettartig auf dem Stahlsubstrat 20 aufgebracht Die einzelnen Module M sind dabei voneinander durch Bereiche T-i , T ₂ getrennt. Entlang dieser Bereiche T-i , T ₂ erfolgt dann eine Vereinzelung der Module M mittels Laser, Sägen, Erodieren oder dergleichen. Zusammenfassend weist die Erfindung folgende Vorteile auf: Zu einen benötigt die Vorrichtung wenig Bauraum aufgrund des Aufbringens der Messstrukturen mit bereits bekannten und bewährten Verfahren, wie beispielsweise der chemischen

Gasphasenabscheidung. Weiterhin ist eine Messung eines Drehmoments mittels

Vorrichtung äußerst zuverlässig. Gleichzeitig wird durch die kontaktlose

Signalübertragung von elektrischer Energie durch induktive Kopplung keine Reibung verursacht, ebenso keine Geräusche und kein Verschleiß. Die Vorrichtung ist weiterhin kostengünstig, da keine teuren Bauelemente wie beispielsweise Magnete, Hall- Elektronikbausteine, etc. verwendet werden müssen. Ebenso ist die Vorrichtung einfach und kostgünstig herstellbar. Gleichzeitig ist es möglich, die Ausfallsicherheit der

Vorrichtung erheblich zu erhöhen, beispielsweise durch Verdopplung der Messstrukturen auf der Hülse.

Obwohl die Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.