(57)【要約】本発明は、軸（１５）に時間的に変化する磁界を作用させるように形成された励磁ユニット（２０）、および軸（１５）により伝搬された磁界を検出するように形成された第１センサユニット（３０）および第２センサユニット（４０）を有する、筋力および／またはモータ力により駆動可能な車両（１）の軸（１５）特にクランク軸（１５）に対して回転軸線（Ｘ）に沿って作用するトルクを能動的に検出するトルク検出装置（１００）に関する。第１および第２センサユニット（４０）は、特に一般的に同一構造の場合、運転中に軸（１５）に関して特に回転軸線（Ｘ）に関して相互に異なって配向されているように、関係において相互に異なる配向を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸（１５）に時間的に変化する磁界を作用させるように形成された励磁ユニット（２０）と、
軸（１５）により伝搬された磁界を検出するように形成された第１センサユニット（３０）および第２センサユニット（４０）と、
を有する、筋力および／またはモータ力により駆動可能な車両（１）の軸（１５）、特にクランク軸（１５）に対して回転軸線（Ｘ）に沿って作用するトルクを能動的に検出するトルク検出装置（１００）において、
第１および第２センサユニット（４０）は、特に一般的に同一構造の場合、運転中に軸（１５）に関して特に回転軸線（Ｘ）に関して相互に異なって配向されているように、関係において相互に異なる配向を有するトルク検出装置（１００）。
【請求項２】
励磁ユニット（２０）は、
各センサユニット（３０、４０）に対してそれぞれ１つの固有の特に同一に形成された励磁器（２１、２２）、または
センサユニット（３０、４０）に対して共通の励磁器（２１）を有し、
特にそれぞれ１つの電磁コイル（２１−１、２２−１）、および／または、１つのコア（２１−２、２２−２）から、またはそれらを有して形成されている、
請求項１に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項３】
それぞれのセンサユニット（３０、４０）は、１つまたは複数の受信コイル（３１−１、４１−１）特に４つの受信コイル（３１−１、４１−１）を有し、および／またはそれぞれ１つのコア（３１−２、４１−２）を有する、請求項１または２に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項４】
それぞれのセンサユニット（３０、４０）の受信コイル（３１−１、４１−１）は、ブリッジ結線のタイプで、特にホイートストンブリッジおよび／または誘導共振測定ブリッジの形で、および／または、それぞれの受信コイル（３１−１、４１−１）に直列に接続された同調抵抗（３３、４３）および／または並列に接続された同調コンデンサ（３４、４４）を有して接続されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項５】
センサユニット（３０、４０）の受信コイル（３１−１、４１−１）は、十字（６０）の、好ましくは垂直十字（６０）の、同一長さの側辺（６２）を有する十字（６０）の端点（６１）においてまたは端点（６１）の範囲内に特にそのコイル軸線を有し、および／または交点（６３）の範囲内に励磁器（２１、２２）を有して配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項６】
センサユニット（３０、４０）は、
空間的におよび／または構造的に分離されて形成され、
相互に統合され、重ね合わされ、交差され、
共通の構造的ユニット内に、特にそれらの交点（６３）の同心配置により、および／または、
共通励磁器（２１）を有して形成されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項７】
それぞれのセンサユニット（３０、４０）、特にそれぞれの受信コイル（３１−１、４１−１）、および／または、それぞれの励磁器（２１、２２）、特にそれぞれの電磁コイル（２２−１、２２−２）は、少なくとも一部、基板（７０）またはプリント回路板あるいはそれらの複数の構造として形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項８】
センサユニット（３０、４０）から出力された、検出された磁界を表わす値を受信するように、および、受信された値に基づいて軸（１５）に作用するトルクの値を決定するように適合された評価および制御ユニット（５０）を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項９】
評価および制御ユニット（５０）は、第１センサユニット（３０）により受信された値の、第２センサユニット（４０）により受信された値に対する重みづけされた差を基礎とするように適合されている、請求項８に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項１０】
少なくとも１つの車輪（９−１、９−２）と、
少なくとも１つの車輪（９−１、９−２）を駆動する駆動装置（８０）と、
駆動装置（８０）の軸（１５）に作用するトルクを検出する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）を有し、
駆動装置（８０）の検出されたトルクに基づいてモニタリング可能および／または制御可能な、筋力および／またはモータ力により駆動可能な車両（１）、特に自転車、電動自転車、イーバイク、電動アシスト自転車等。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク検出装置および車両に関する。本発明は、筋力および／またはモータ力で駆動可能な車両の軸特にクランク軸に対して回転軸線に沿って作用するトルクを能動的に検出するトルク検出装置および筋力および／またはモータ力で駆動可能な車両、自転車、電動自転車、イーバイク、電動アシスト自転車等に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両工学の範囲内の駆動装置のモニタリングおよび／または制御において、駆動ユニットの軸に作用するトルクを検出することが好ましいことはしばしばある。
このために、軸に作用するトルクの値を推測可能にするために、軸内の機械的ねじりと関連する効果を利用したトルク検出装置が一般に使用される。この場合、機械荷重に依存して圧電効果または逆磁気ひずみ効果を示す材料が使用されてもよい。この場合、トルク値は、それぞれ、例えばタップで取り出せる受動電圧または測定可能な磁界およびその変化と関連する。
【０００３】
この場合、一方で、トルクが作用された材料それ自身が提供する電気変数または磁気変数のみに頼られることは不利である。他方で、このような方法は、熱的範囲内においては、例えば温度ドリフトの意味における妨害影響に基づき、または機械的範囲内においては、例えば駆動部品の発生する振動または変形の意味における妨害影響に基づいて、対応する測定エラーを同伴する。この測定エラーはしばしば発見されないまま残り、そのとき発生したトルクの検出値の評価において誤った解釈に導くことがある。
【発明の概要】
【０００４】
独立請求項の特徴を有する本発明によるトルク検出装置は、特別な材料的準備をすることなく、検査されるべき軸の範囲内において、軸に作用するトルクを信頼性および精度における高い尺度で決定可能であるという利点を有する。これは、本発明により、独立請求項１の特徴を有して、筋力および／またはモータ力により駆動可能な車両の静止または回転する軸、特に静止または回転するクランク軸に対して、回転軸線Ｘに沿って作用するトルクを能動的に検出するトルク検出装置が提供され、トルク検出装置は、軸に時間的に変化する磁界を作用させるように形成された励磁ユニット、および軸により伝搬された磁界を検出するように形成された第１センサユニットおよび第２センサユニットを有し、この場合、第１および第２センサユニットは、特に一般的に同一構造の場合、運転中に軸に関して特に回転軸線に関して相互に異なって配向されているように、関係において相互に異なる配向を有することにより達成される。本発明による特徴特に第１および第２センサユニットの相互に異なる配向により、これらのセンサユニットは、励磁ユニットにより時間的に変化する磁界特に交番磁界を作用させることによって励磁された、軸により伝搬された磁界を、異なる方法で検出する。次に、検出された信号の対応評価例えば差の形成により、検出された磁界内の、配向に依存した信号成分の意味における、トルク作用から発生した効果が、作用するトルクと関連する信号成分として、センサユニットの配向とは無関係かまたはほとんど無関係な妨害影響を含む第１および第２センサユニットの信号成分から分離されて観察される。
【０００５】
実際に、これは、両方のセンサユニットはトルクが作用される同一の軸を測定するが、異なる配向で測定することを意味する。この場合、一方のセンサユニットは、トルク作用と関連する磁界を特に高い感度で検出するように適合され、これに対して、第２センサユニットはほぼ補償センサとして使用され、確かに妨害影響を同様に検出するが、トルク作用から発生する効果によっては比較的弱く影響される配向を有するように適合される。
【０００６】
理想的な場合、センサユニットの相互配向は、一方のセンサユニットは妨害のみを、他方のセンサユニットは妨害を含むトルクを基礎とした信号を検出するように適合され、これにより、信号の差、場合により重みづけされた差から、トルクが特に正確に決定可能である。この場合、４５°の相互ねじりが特に有利である。
【０００７】
本発明により、特に、外部磁界例えば地球磁界および／または周辺磁界、例えば理想的な軸形状でないことに基づく軸の回転、振動、温度変化等と関連する妨害が排除される。
従属請求項は本発明の好ましい変更態様を示す。
【０００８】
本発明によるトルク検出装置の一変更態様により、各センサユニットが、それ自身で、作用される磁界を発生するための１つの固有の励磁器を有する励磁ユニットにより形成されているとき、両方のセンサユニットの独立性における高い尺度が設定される。より良好な比較可能性のために、固有の励磁器はそれぞれ同一に形成されていてもよい。
【０００９】
しかしながら、センサユニットに対して共通の励磁器が設けられたとき、装置に関する測定費用およびシステム的偏差は特に小さく保持可能である。
各々の場合、それぞれの励磁器は、１つの電磁コイルおよび場合により励磁する磁界を増幅するためのそれぞれ１つのコアを有して、またはそれらから形成されていてもよい。
【００１０】
基本的に、１つまたは他の物理的効果を基礎として磁束密度を検出することが可能な全てのタイプのセンサユニットが使用可能である。
しかしながら、本発明によるトルク検出装置の好ましい実施形態により、それぞれのセンサユニットが、１つまたは複数の受信コイル特に４つの受信コイルを有し、および／またはそれぞれ１つのコアを有するとき、測定技術上の形態多様性における特に高い尺度が得られる。受信コイルおよび／またはコアは同一であることが好ましい。
【００１１】
有利な変更態様により、それぞれのセンサユニットの受信コイルが、ブリッジ結線のタイプで、特にホイートストンブリッジおよび／または誘導共振測定ブリッジの形で、および／またはそれぞれの受信コイルに直列に接続された同調抵抗および／または並列に接続された同調コンデンサを有して接続されていることにより、トルク検出装置において測定精度は上昇可能である。
【００１２】
この場合、同調要素、すなわち、それぞれの同調抵抗および／またはそれぞれの同調コンデンサは、それらが例えば可変に形成されることにより、特定の状況において、例えば外部から作用するトルクのない無負荷状態において検出された測定値が僅かな検出信号であるように選択可能である。
【００１３】
それぞれのセンサユニットが検査される軸およびその軸線に関して対称性における高い尺度を有するとき、再現可能性、感度および精度における特に高い尺度が設定される。
すなわち、本発明のトルク検出装置の一変更態様により、センサユニットの受信コイルは、十字の、好ましくは垂直十字の、同一長さの側辺を有する十字の端点においてまたは端点の範囲内に特にそのコイル軸線を有し、および／または交点の範囲内に励磁器を有して配置されるように設計されている。
【００１４】
一方で、センサユニットは、本発明によるトルク検出装置の他の代替態様により、センサユニットが空間的におよび／または構造的に分離されてまたは個別に形成されているかまたは形成されるとき、相互に同調されておよび相互に独立しても保守可能である。
【００１５】
しかしながら、本発明によるトルク検出装置の他の有利な変更形態により、センサユニットが相互に統合され、重ね合わされ、交差され、および／または共通の構造的ユニット内に形成されているかまたは形成されるとき、再現可能な結果における上昇された尺度を有して特にコンパクトな構造形態が達成可能である。
【００１６】
この場合、それぞれのセンサユニットは、場合により設けられたそれらの交点の同心配置を有して配置されているように特に設計されていてもよく、この場合、特に、共通交点または重ね合わせ交点の範囲内に共通の励磁器もまた形成されている。
【００１７】
センサユニット並びに励磁ユニットの部品は、例えば巻き付けられたコイル等の形で、個別構造部品として形成されているかまたは形成されることが考えられる。
しかしながら、本発明によるトルク検出装置の他の有利な変更態様により、それぞれのセンサユニット、特にそれぞれの受信コイル、および／またはそれぞれの励磁器、特にそれぞれの電磁コイルは、少なくとも一部、基板またはプリント回路板あるいはそれらの複数の構造として形成されているかまたは形成されることによってコンパクト性における特に高い尺度が達成可能である。
【００１８】
センサユニットから提供された値および信号を有意の方法で利用可能にするために、本発明によるトルク検出装置の一変更態様において、これは、センサユニットから出力された、検出された磁界を表わす値を受信するように、および受信された値に基づいて軸に作用するトルクの値を決定するように適合された評価および制御ユニットを有して形成されている。
【００１９】
評価精度の上昇に関して、この場合、評価および制御ユニットは、第１センサユニットにより受信された値の、第２センサユニットにより受信された値に対する重みづけされた差を基礎とするように適合されている設計がなされていてもよい。
【００２０】
本発明の本質的態様は、特に、軸に作用される外部トルクにより、軸の内部および表面における機械的応力の分配の意味における軸の機械的状態が変化され、これにより、外部に向かって、外部から能動的に放射されかつ時間的に変化する磁界との変化する相互作用により機械的応力が検出可能であるという事実に基づいている。この場合、特に、トルク作用により軸内に形成される表面軸および／または表面ねじり軸が使用される。
【００２１】
さらに、本発明は、使用の意味において、少なくとも１つの車輪、少なくとも１つの車輪を駆動する駆動装置および駆動装置の軸に作用するトルクを検出する本発明によるトルク検出装置を有し、駆動装置の検出されたトルクに基づいてモニタリング可能および／または制御可能な、筋力および／またはモータ力により駆動可能な車両、特に自転車、電動自転車、イーバイク、電動アシスト自転車等にも関する。
【００２２】
添付図面を参照して本発明の実施形態が詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、相互に空間的に分離されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図２】図２は、相互に空間的に分離されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図３】図３は、相互に空間的に分離されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図４】図４は、相互に空間的に分離されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図５】図５は、相互に空間的に分離されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図６】図６は、使用されるセンサユニットが相互に統合されて形成されている本発明によるトルク検出装置の他の形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図７】図７は、使用されるセンサユニットが相互に統合されて形成されている本発明によるトルク検出装置の他の形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図８】図８は、使用されるセンサユニットが相互に統合されて形成されている本発明によるトルク検出装置の他の形態を異なる側から見た概略図で示す。
【図９】図９は、十字形状に配置された受信コイルおよびそれに統合された、基礎となる励磁ユニットの電磁コイルの詳細を斜視図で示す。
【図１０】図１０は、十字形状に配置された受信コイルおよびそれに統合された、基礎となる励磁ユニットの電磁コイルの詳細を斜視図で示す。
【図１１】図１１は、測定されかつトルクが作用可能な軸に関するセンサユニットの異なる配向を略平面図で示す。
【図１２】図１２は、測定されかつトルクが作用可能な軸に関するセンサユニットの異なる配向を略平面図で示す。
【図１３】図１３は、測定されかつトルクが作用可能な軸に関するセンサユニットの異なる配向を略平面図で示す。
【図１４】図１４は、本発明によるトルク検出装置の一実施形態において使用可能なセンサユニットの構造の回路図を簡略形で示す。
【図１５】図１５は、個別構成部品からなる相互に分離されて形成されたセンサユニットを含むトルク検出装置の一実施形態の異なる詳細を斜視図で示す。
【図１６】図１６は、個別構成部品からなる相互に分離されて形成されたセンサユニットを含むトルク検出装置の一実施形態の異なる詳細を斜視図で示す。
【図１７】図１７は、個別構成部品からなる相互に分離されて形成されたセンサユニットを含むトルク検出装置の一実施形態の異なる詳細を斜視図で示す。
【図１８】図１８は、個別構成部品からなる相互に分離されて形成されたセンサユニットを含むトルク検出装置の一実施形態の異なる詳細を斜視図で示す。
【図１９】図１９は、相互に基板形状に統合されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる斜視図で示す。
【図２０】図２０は、相互に基板形状に統合されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる斜視図で示す。
【図２１】図２１は、相互に基板形状に統合されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を異なる斜視図で示す。
【図２２】図２２は、相互に基板形状に統合されたセンサユニットを含む本発明によるトルク検出装置の一実施形態を平面図で示す。
【図２３】図２３は、本発明によるトルク検出装置の一実施形態において測定センサないしは補償センサとして使用可能なセンサユニットに対する代替回路図を簡略形で示す。
【図２４】図２４は、本発明によるトルク検出装置の一実施形態において測定センサないしは補償センサとして使用可能なセンサユニットに対する代替回路図を簡略形で示す。
【図２５】図２５は、本発明によるトルク検出装置の一実施形態において基礎となる評価手順をブロック図の形で示す。
【図２６】図２６は、本発明によるトルク検出装置の一実施形態を使用した電動自転車のタイプの本発明による車両の一実施形態を略側面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に図１Ａないし２６を参照して本発明の実施形態が詳細に説明される。同一および同等の並びに同一または同等に作用する要素および部品は同じ符号で示される。それが現われるごとに、符号が付けられた要素および部品の詳細説明は反復されない。
【００２５】
示された特徴および他の特性は、本発明の本質を逸脱することなく、任意の形で相互に分離可能および任意に相互に組み合わせ可能である。
はじめに、図２６を参照して、例として、電動自転車が本発明による車両１の好ましい実施形態として詳細に説明される。
【００２６】
車両１は、電動自転車として、前輪９−１、後輪９−２およびペダル７−１および８−１を備えた２つのクランク７、８を有するクランク駆動装置２がそれに配置されたフレーム１２を含む。電動装置３はクランク駆動装置２内に統合されている。後輪９−２にピニオン６が配置されている。
【００２７】
ドライバによりおよび／または電動装置３により提供される駆動トルクは、クランク駆動装置２におけるスプロケット４からチェーン５を介してピニオン６に伝達される。
車両１のかじ取り装置に、電動装置３と結合された制御ユニット１０が配置されている。フレーム１２内またはその上に、さらに、電動装置３に電気を供給するように働くバッテリ１１が形成されている。
【００２８】
フレーム１２内に、さらに、クランクハウジング１４およびクランク軸１５を有するクランク軸受１３またはフット軸受が統合されている。
すなわち、本発明による車両１の駆動装置８０は、全体として、ドライバにより筋力によって操作するクランク駆動装置２および追加のまたは代替の電動装置３を含む。
【００２９】
駆動装置８０の範囲内に、クランク軸１５へのトルクによる荷重を検出するために、本発明によるトルク検出装置１００の一実施形態もまた形成されている。
図２６に示した三脚により、車両はｙ方向に平行なその縦伸長方向Ｙを有して伸長し、これに対して、横伸長方向はｘ方向に平行に伸長しかつクランク軸１５の軸線Ｘの方向と一致することがわかる。
【００３０】
図１ないし５は、本発明によるトルク検出装置１００の一実施形態の種々の図を示す。
トルク検出装置１００の基本構造は図１に示した平面図から最もよくわかる。そこには、モニタリングする必要がある、トルクが作用する軸としてのクランク軸１５が示されている。クランク軸１５は、本発明による車両１に対する図２６と関連してもまた示されているように、ｘ方向に配向されかつｘ方向に平行な軸線Ｘの周りに回転可能に支持されている。
【００３１】
図１に示した本発明によるトルク検出装置１００の実施形態は、第１センサユニット３０および第２センサユニット４０から構成される。
第１センサユニット３０は測定センサ装置として使用されかつ４つの受信コイル３１−１を有し、受信コイルは同じ長さの側辺６２が設けられた垂直な十字６０の端点６１に配置されている。十字６０の中心すなわち交点６３に、励磁ユニット２０の一部として電磁コイル２１−１の形の励磁器２１が存在する。
【００３２】
測定センサ装置としての第１センサユニット３０は、心合わせ十字６０を有して、投影図において回転軸線Ｘが第１センサユニット３０の心合わせ十字６０の側辺６２と４５°の角度を形成するように配向されている。このようにして、励磁ユニット２０による励磁によって励磁されかつ軸１５により伝搬された磁界が特に正確に検出可能である。
【００３３】
第１センサユニット３０に追加して、第１センサユニット３０と同一構造であるが、第１センサユニット３０に対して個別に、これに対して空間的に僅かに間隔をなして他の配向を有する第２センサユニット４０が形成されている。第１センサユニット３０の配置十字６０の交点６３のみならず第２センサユニット４０の配置十字６０の交点６３もまた、投影図において軸１５の軸線Ｘ上に、特にクランク軸１５の軸線Ｘに平行に伸長する軸線上に位置する。
【００３４】
しかしながら、第１センサユニット３０の配置十字６０とは異なり、第２センサユニット４０の配置十字６０の第１対の側辺６２は、投影図において回転軸線Ｘに対して垂直であり、これに対して、他の対の側辺６２は、投影図において軸１５の軸線Ｘに対して平行に伸長する。
【００３５】
すなわち、図１としての第１センサユニット３０および第２センサユニット４０は、ｚ軸の周りに４５°だけ相互にねじられて配向されている。
このようにして、第１センサユニット３０は、軸１５により伝搬された磁界を感度において特に高い尺度を有して測定し、これに対して、補償センサとしての第２センサユニット４０の、軸１５により伝搬された磁界に対する感度はより小さいが、妨害効果に対する感度は、第１センサユニット３０の妨害効果に対する感度に比較して変わらないように形成されている。
【００３６】
これは、第１および第２センサユニット３０および４０により出力された信号の、場合により重みづけされた形および／または後処理された形で差の形成を可能にし、これにより、妨害影響をフィルタリングしかつ作用するトルクにより発生された、発生磁界への効果を特に正確に検出可能にし、しかも目的を有して、作用するトルクをその値においてできるだけ正確にかつ妨害なしに決定することは特に有利である。
【００３７】
センサユニット３０および４０の相互配向は、第２センサユニット４０が妨害のみを、第１センサユニット３０が妨害を含むトルクを基礎とした信号を検出するように形成されているべきであることが有利である。このとき、場合により重みづけされた信号の差から、トルクが特に正確に決定可能である。例えば、特にセンサユニット３０および４０の間の４５°の相互ねじりは有利なことがある。
【００３８】
すなわち、本発明により、特に、外部磁界例えば地球磁界および／または周辺磁界、例えば理想的な軸１５の形状でないことに基づく軸の回転、振動、温度変化等と関連する妨害が排除される。
【００３９】
図２は、図１からの断面ＩＩ−ＩＩにおける図１からの配置図である。
図３は、図１からの断面ＩＩ−ＩＩを見た図１からの配置図である。
図４は、図１からの観察面ＩＶ−ＩＶを見た図１からの配置図である。
【００４０】
図５は、図１からの観察面Ｖ−Ｖを見た図１からの配置図である。
図６ないし８は、本発明によるトルク検出装置１００の他の実施形態の種々の図を示す。
【００４１】
この実施形態において、第１センサユニット３０および第２センサユニット４０は、図１ないし５の実施形態の第１および第２センサユニット３０ないしは４０と同一構造を有する。しかしながら、第１および第２センサユニット３０ないしは４０は、それらの配置十字６０が重ね合わされかつ共通の交点６３を形成し、交点において、励磁ユニット２０に対する電磁コイル２１−１の形のただ１つの共通の励磁器２１が存在するという意味において、相互に統合されて形成されている。
【００４２】
第１センサユニット３０の受信コイル３１−１および第２センサユニット４０の受信コイル４１−１は、４５度の角度間隔をなして交互に配置されている。しかしながら、これらは、同一長さの側辺６２を有するそれぞれの配置十字６０のそれぞれの端点６１上に存在し、相互に垂直方向に位置しかつ投影図においてクランク軸１５の軸線Ｘ上に位置して重なり合う交点６３を有する。
【００４３】
図６は、図１の図と同様のクランク軸１５の平面図である。
図７は、図６からの断面ＶＩＩ−ＶＩＩによる図６からの配置の断面図である。
図８は、図６の観察面ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩを見た図６からの配置の側面図である。
【００４４】
図１ないし８には、個々のコイル３１−１、４１−１、２１−１ないしは２２−１の作動、制御および評価のためのそれぞれの配線は図示されていない。これらの説明は図１４ないし２５に関連して行われる。
【００４５】
図９および１０は、励磁ユニット２０の励磁器２１の電磁コイル２１−１と結合された第１センサユニット３０およびその受信コイル３１−１に注目した、図１からの本発明によるトルク検出装置１００の実施形態の斜視部分図である。
【００４６】
図１１ないし１３は、クランク軸１５の軸線Ｘに関して異なる角度配向を有する配置十字６０を有するセンサユニット３０、４０の種々の配置可能性を示す。
図１４は、本発明によるトルク検出装置１００の一実施形態の第１および第２センサユニット３０および４０の基本構造を代替回路図の形で示す。この場合、それぞれのコイルコア３１−２ないしは４１−２を有するそれぞれの受信コイル３１−１ないし４１−１は導線３２ないしは４２を介してホイートストンブリッジまたは誘導共振測定ブリッジのタイプでそれに対応して結合され、この場合、接続部５１ないしは５２を介して対応する電気タップ結合が可能とされる。
【００４７】
受信コイル３１−１、４１−１のいくつかは、それぞれの受信コイル３１−１、４１−１に対して並列接続でそれぞれ同調コンデンサ３４、４４を有して形成されている。これらの同調コンデンサ３４、４４は設定可能なまたは可変のコンデンサとして形成されていてもよい。
【００４８】
図１５ないし１８は、第１センサユニット３０および第２センサユニット４０が相互に構造的に分離され、それぞれ配置十字６０上でその端点６１に相互に軸線に平行なコア３１−２、４１−２を有する受信コイル３１−１、４１−１を、および統合されてコア２２−２を有する電磁コイル２１−１のタイプの励磁器２１を有する、本発明によるトルク検出装置１００の実施形態の異なる斜視図を示す。
【００４９】
これに対して、図１９ないし２２は、それらが複数のプリント回路板または基板７０上に製造されていることにより、第１および第２センサユニット３０および４０および励磁ユニット２０が相互に統合されて形成された、本発明によるトルク検出装置１００の実施形態を示す。
【００５０】
図２３および２４は、第１ないしは第２センサユニット３０および４０をそれぞれ代替回路図の形で示す。この場合、電磁コア３１−２、４１−２を有するそれぞれの受信コイル３１−１、４１−１は、相互に導線３２、４２を介して、ホイートストンブリッジまたは誘導共振測定ブリッジのタイプに接続されていることが示され、この場合、それぞれ２つの受信コイル３１−１、４１−１の間に同調抵抗４３が直列に接続されている。同調抵抗４３は可変に形成されていてもよい。外部に対するタップ結合は接続部５１、５２を介して行われる。
【００５１】
図２５は、本発明によるトルク検出装置１００の一実施形態において評価および制御ユニット５０と関連して協働可能な種々の部品および経過要素を略ブロック図のタイプで示す。
【００５２】
出発点は発信器および発電機１０１であり、それらを介して時間的に変化する電圧例えば約５００Ｈｚないし約５ｋＨｚの周波数を有する正弦波形交流電圧が発生され、これは次に交番磁界を発生するために励磁ユニット２０の励磁器２１の電磁コイル２１−１内に供給される。
【００５３】
励磁器２１の交番磁界はクランク軸１５に印加されかつ上記の形の第１および第２センサユニット３０、４０により検出される。接続部５１および５２を介して、第１および第２センサユニット３０、４０から発生された信号が提供されかつ評価および制御ユニット５０により受信される。
【００５４】
接続部５１、５２を介して受信された信号ははじめに入口増幅段１０２に転送されかつそれにより増幅される。約５００Ｈｚないし約５ｋＨｚの中央周波数を有する帯域フィルタ１０３および実効値計算１０４を通過した後、このとき得られた、測定センサとしての第１センサユニット３０および補償センサとしての第２センサユニット４０の実効値１０５、１０６は、差ユニット、適合ユニットおよび／またはスケーリングユニットないしは特に演算増幅器１０９の相互反転入口１０７および１０８に供給される。このタイプの接続により、演算増幅器１０９は差増幅器として作動しかつその出口１１０に妨害が補償されたトルク信号１１１のアナログ実効値を出力する。これは、次に、アナログ／ディジタル変換器１１２に供給される。アナログ／ディジタル変換器１１２の出力信号は次にディジタルフィルタリングおよび後続処理１１３に供給される。最終結果において、妨害信号が補償されたトルク信号１１４のディジタル実効値が得られる。
【００５５】
本発明のこれらのおよび他の特徴および特性は、以下の説明によりさらに解説される。
本発明の一態様は、静止または回転する軸におけるトルク測定のための能動的センサの開発にある。このような回転する軸の例は、自転車、電動自転車、イーバイク、電動アシスト自転車等のクランク軸である。
【００５６】
本発明により、外部磁界例えば地球磁界および／または周囲磁界、例えば理想的な軸１５の形状でないことに基づく軸の回転、振動、温度変化等に対する妨害感受性に関する改善が達成可能である。
【００５７】
本発明の本質的な考え方は、補償センサとして機能する第２センサユニット４０の意味における第２測定要素の設置である。これは、相互に接続された複数の受信コイルからなる測定要素として、妨害を測定しかつ補償するように働くことが可能である。特に５ｋＨｚより低い範囲内の、好ましくは３ｋＨｚより低い範囲内の低い実際周波数における能動的磁気測定が行われる。
【００５８】
アナログおよび／またはディジタル信号処理は、より良好な信号分析およびＳ／Ｎ比の上昇に使用される。ここで、さらに、温度補償もまた可能である。
第１および第２センサユニット３０および４０は、これに関して、一方が検出のためのおよび一方が補償のための２つの独立のセンサ装置として理解されてもよい。
【００５９】
図に関して、コイルコア２１−２、３１−２および４１−２は軸１５に向けられた側において種々の形状を有して示される。
この側は、平面、凸面、円形面、円錐面、および／または局部的な軸１５の外表面形状の端面として、また、例えば円形シリンダの内面の切取部または一部のタイプの凹面の端面として適合されていてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  車両
２  クランク駆動装置
３  電動装置
４  スプロケット
５  チェーン
６  ピニオン
７  クランク
７−１  ペダル
８  クランク
８−１  ペダル
９−１  前輪、車輪
９−２  後輪、車輪
１０  制御ユニット
１１  バッテリ
１２  フレーム
１３  クランク軸受
１４  クランクハウジング
１５  クランク軸
２０  励磁ユニット
２１  励磁器
２１−１  電磁コイル
２１−２  コア
２２  励磁器
２２−１  電磁コイル
２２−２  コア
３０  第１センサユニット
３１−１  受信コイル
３１−２  コア、コイルコア、電磁コア
３２  導線
３３  同調抵抗
３４  同調コンデンサ
４０  第２センサユニット
４１−１  受信コイル  
４１−２  コア、コイルコア、電磁コア
４２  導線
４３  同調抵抗
４４  同調コンデンサ
５０  評価および制御ユニット
５１、５２  接続部
６０  十字、心合わせ十字、配置十字、垂直十字
６１  端点
６２  側辺
６３  交点
７０  基板
８０  駆動装置
１００  トルク検出装置
１０１  発振器および発電機
１０２  入口増幅段
１０３  帯域フィルタ
１０４  実効値計算
１０５、１０６  実効値
１０７、１０８  相互反転入口
１０９  演算増幅器
１１０  出口
１１１  トルク信号
１１２  アナログ／ディジタル変換器
１１３  ディジタルフィルタリングおよび後続処理
１１４  トルク信号
Ｘ  回転軸線
Ｙ  縦伸長方向
【図１】
2019513995.tif 000003
【図２】
2019513995.tif 000004
【図３】
2019513995.tif 000005
【図４】
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【図５】
2019513995.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019513995.tif 000009
【図８】
2019513995.tif 000010
【図９】
2019513995.tif 000011
【図１０】
2019513995.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2019513995.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月6日(2018.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸（１５）に時間的に変化する磁界を作用させるように形成された励磁ユニット（２０）と、
軸（１５）により伝搬された磁界を検出するように形成された第１センサユニット（３０）および第２センサユニット（４０）と、
を有する、筋力および／またはモータ力により駆動可能な車両（１）の軸（１５）、特にクランク軸（１５）に対して回転軸線（Ｘ）に沿って作用するトルクを能動的に検出するトルク検出装置（１００）において、
第１および第２センサユニット（３０、４０）は、それぞれ４つの受信コイル（３１−１、４１−１）を有し、
第１および第２センサユニット（４０）は、特に一般的に同一構造の場合、運転中に軸（１５）に関して特に回転軸線（Ｘ）に関して相互に異なって配向されているように、関係において相互に異なる配向を有し、
センサユニット（３０、４０）の相互配向が、第１センサユニット（３０）は測定センサ（１４頁３１行）として働き、および励磁ユニット（２０）により励磁されかつ軸により伝搬された磁界を検出し、および、第２センサユニット（４０）は軸（１５）により伝搬された磁界に対する感度がより低い補償センサとして働くように形成されているトルク検出装置（１００）。
【請求項２】
励磁ユニット（２０）は、
各センサユニット（３０、４０）に対してそれぞれ１つの固有の特に同一に形成された励磁器（２１、２２）、または
センサユニット（３０、４０）に対して共通の励磁器（２１）を有し、
特にそれぞれ１つの電磁コイル（２１−１、２２−１）、および／または、１つのコア（２１−２、２２−２）から、またはそれらを有して形成されている、
請求項１に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項３】
それぞれのセンサユニット（３０、４０）の受信コイルは、それぞれ１つのコア（３１−２、４１−２）を有する、請求項１または２に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項４】
それぞれのセンサユニット（３０、４０）の受信コイル（３１−１、４１−１）は、ブリッジ結線のタイプで、特にホイートストンブリッジおよび／または誘導共振測定ブリッジの形で、および／または、それぞれの受信コイル（３１−１、４１−１）に直列に接続された同調抵抗（３３、４３）および／または並列に接続された同調コンデンサ（３４、４４）を有して接続されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項５】
センサユニット（３０、４０）の受信コイル（３１−１、４１−１）は、十字（６０）の、好ましくは垂直十字（６０）の、同一長さの側辺（６２）を有する十字（６０）の端点（６１）においてまたは端点（６１）の範囲内に特にそのコイル軸線を有し、および／または交点（６３）の範囲内に励磁器（２１、２２）を有して配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項６】
センサユニット（３０、４０）は、
空間的におよび／または構造的に分離されて形成され、
相互に統合され、重ね合わされ、交差され、
共通の構造的ユニット内に、特にそれらの交点（６３）の同心配置により、および／または、
共通励磁器（２１）を有して形成されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項７】
それぞれのセンサユニット（３０、４０）、特にそれぞれの受信コイル（３１−１、４１−１）、および／または、それぞれの励磁器（２１、２２）、特にそれぞれの電磁コイル（２２−１、２２−２）は、少なくとも一部、基板（７０）またはプリント回路板あるいはそれらの複数の構造として形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項８】
センサユニット（３０、４０）から出力された、検出された磁界を表わす値を受信するように、および、受信された値に基づいて軸（１５）に作用するトルク信号（１１４）の値を出力するように適合された評価および制御ユニット（５０）を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項９】
第２センサユニット（４０）は妨害信号を検出し、およびトルク信号（１１４）はこのように検出された妨害信号が補償されたトルク信号を表わす、請求項８に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項１０】
発振器（１０１）が設けられ、発振器は、時間的に変化する電圧、特に約５００Ｈｚないし約５ｋＨｚの周波数を有する正弦波形交流電圧を発生し、これは時間的に変化する交番磁界を発生するために励磁ユニット（２１）の電磁コイル（２１−１）内に供給される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項１１】
評価および制御ユニット（５０）は、第１センサユニット（３０）により受信された値の、第２センサユニット（４０）により受信された値に対する重みづけされた差を基礎とするように適合されている、請求項８に記載のトルク検出装置（１００）。
【請求項１２】
少なくとも１つの車輪（９−１、９−２）と、
少なくとも１つの車輪（９−１、９−２）を駆動する駆動装置（８０）と、
駆動装置（８０）の軸（１５）に作用するトルクを検出する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）を有し、
駆動装置（８０）の検出されたトルクに基づいてモニタリング可能および／または制御可能な、筋力および／またはモータ力により駆動可能な車両（１）、特に自転車、電動自転車、イーバイク、電動アシスト自転車等。
【請求項１３】
トルク検出装置（１００）が、
軸（１５）に時間的に変化する磁界を作用させるように形成された励磁ユニット（２０）と、
軸（１５）により伝搬された磁界を検出するように形成された第１センサユニット（３０）および第２センサユニット（４０）を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載のトルク検出装置（１００）の操作方法において、
第１および第２センサユニット（３０、４０）は、それぞれ４つの受信コイル（３１−１、４１−１）を有し、
第１および第２センサユニット（４０）は、特に一般的に同一構造の場合、運転中に軸（１５）に関して特に回転軸線（Ｘ）に関して相互に異なって配向されているように、関係において相互に異なる配向を有し、
センサユニット（３０、４０）の相互配向が、第１センサユニット（３０）は測定センサとして働き、および励磁ユニット（２０）により励磁されかつ軸により伝搬された磁界を検出し、および第２センサユニット（４０）は軸（１５）により伝搬された磁界に対する感度がより低い補償センサとして働くように形成され、
この場合、妨害信号が補償されたトルク信号（１１４）を発生するために、励磁ユニット（２０）に、時間的に変化する交番磁界を発生するために時間的に変化する電圧が供給される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）の操作方法。
【請求項１４】
励磁ユニット（２０）に、約５００Ｈｚ〜約５ｋＨｚの周波数を有する正弦波形交流電圧が供給されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
トルク検出装置（１００）が、
軸（１５）に時間的に変化する磁界を作用させるように形成された励磁ユニット（２０）と、
軸（１５）により伝搬された磁界を検出するように形成された第１センサユニット（３０）および第２センサユニット（４０）を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のトルク検出装置（１００）による軸（１５）の妨害信号が補償されたトルク信号（１１１、１１４）の発生方法において、
第１および第２センサユニット（３０、４０）は、それぞれ４つの受信コイル（３１−１、４１−１）を有し、
第１および第２センサユニット（４０）は、特に一般的に同一構造の場合、運転中に軸（１５）に関して特に回転軸線（Ｘ）に関して相互に異なって配向されているように、関係において相互に異なる配向を有し、
センサユニット（３０、４０）の相互配向が、
第１センサユニット（３０）は測定センサとして働き、および励磁ユニット（２０）により励磁されかつ軸により伝搬された磁界を検出し、
第２センサユニット（４０）は軸（１５）により伝搬された磁界に対する感度がより低い補償センサとして働くように形成され、
妨害信号が補償されたトルク信号（１１１、１１４）を発生するために、励磁ユニット（２０）に、時間的に変化する交番磁界を発生するために時間的に変化する電圧が供給され、
この場合、軸に作用するトルクを表わすトルク信号（１１１、１１４）は、センサユニットの受信された値に基づいて決定される、トルク検出装置（１００）による軸（１５）の妨害信号が補償されたトルク信号（１１１、１１４）の発生方法。
【請求項１６】
励磁ユニット（２０）に、約５００Ｈｚ〜約５ｋＨｚの周波数を有する正弦波形交流電圧が供給され、
第１および第２センサユニット（３０、４０）の信号は、約５００Ｈｚ〜約５ｋＨｚの中央周波数を有する帯域フィルタ（１０３）を通過した後に差増幅器に供給され、
差増幅器は妨害が補償されたトルク信号（１１１）のアナログ値を出力する（ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【国際調査報告】
2019513995.tif 000029
2019513995.tif 000030
2019513995.tif 000031
2019513995.tif 000032
2019513995.tif 000033
2019513995.tif 000034