DE10116784A1 - Ringförmiger Drehmomentsensor vom magnetostriktiven Typ - Google Patents

Abstract

Ein ringförmiger magnetostriktiver Drehmomentsensor beinhaltet einen Ringkern, der die Funktion eines Erregerkerns und Detektionskerns aufweist. Eine Erregerwicklung ist in Umfangsrichtung entlang einer Innenumfangsfläche des Ringkerns gewickelt. Eine Mehrzahl von Magnetpolvorsprüngen ragt von der Innenumfangsfläche des Ringkerns radial nach innen, und die Detektionswicklungen sind um die jeweiligen Magnetpolvorsprünge gewickelt. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von Detektionswicklungen ohne Steigerung der Größe oder der Kosten des Sensors angeordnet werden. Da die Erregerwicklung 3 in Umfangsrichtung gewickelt ist, können die magnetischen Eigenschaften entlang der Umfangsrichtung ausgeglichen werden. Auf diese Weise erzielt man einen Drehmomentsensor, der zur Ausführung einer Drehmomentdetektion mit hoher Genauigkeit in der Lage ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehmo­ mentsensor vom magnetostriktiven Typ zum Detektieren ei­ nes Drehmoments, das auf eine Welle oder dergleichen wirkt, unter Ausnutzung der magnetischen Anisotropie, die an einem magnetischen Körper aufgrund der Aufbrin­ gung eines Drehmoments auf den magnetischen Körper er­ scheint.

Beschreibung des Standes der Technik

Bei Aufbringung einer Zugkraft auf einen magnetischen Körper mit einer positiven Magnetostriktionskonstante wird im allgemeinen eine relative magnetische Permeabi­ lität desselben entlang einer vorbestimmten Richtung durch einen umgekehrten magnetostriktiven Effekt im We­ sentlichen linear erhöht, und ein Magnetfluss kann in dieser Richtung einfacher fließen, wodurch sich eine Achse, entlang derer eine Magnetisierung in einfacher Weise möglich ist, in dem magnetischen Körper in dieser Richtung ergibt. Dagegen wird entlang einer Richtung des magnetischen Körpers, die rechtwinklig zu der Achse ist, entlang derer eine Magnetisierung in einfacher Weise möglich ist, eine Kompressionsbelastung erzeugt, und ei­ ne relative magnetische Permeabilität in dieser Richtung wird geringer, so dass sich entlang dieser Richtung, die senkrecht zu der einfach magnetisierbaren Achse ist, ei­ ne Achse ergibt, entlang derer eine Magnetisierung kaum möglich ist. Bei Aufbringung eines Drehmoments auf eine Welle aus magnetischem Material erscheinen diese Achsen somit in einem Winkel von ±45° relativ zu der Längsrich­ tung der Welle.

Der Drehmomentsensor vom magnetostriktiven Typ detek­ tiert Drehmoment unter Verwendung dieses Prinzips. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, weist ein typischer magneto­ striktiver Drehmomentsensor einen Erregerkern 102 aus einem U-förmigen ferromagnetischen Material, einen De­ tektionskern 103 aus U-förmigem ferromagnetischen Mate­ rial, einen Satz von Erregerwicklungen E1 und E2, die um die Schenkelbereiche des Kerns 102 gewickelt sind, sowie einen Satz von Detektionswicklungen D1 und D2 auf, die um die Schenkelbereiche des Kerns 103 gewickelt sind. Die äußeren Enden der Schenkelbereiche der jeweiligen Kerne 102 und 103 liegen einem Detektionsgegenstand, wie z. B. einer Welle 108 mit kreisförmigem Querschnitt, mit einem bestimmten Spalt gegenüber. Die Kerne 102 und 103 sind derart positioniert, dass die äußeren Enden ihrer Schenkelbereiche an jeweiligen Ecken eines Quadrats an­ geordnet sind sowie die äußeren Enden der Schenkelberei­ che des Kerns 102 entlang der Längsrichtung 108a der Welle angeordnet sind und die äußeren Enden des Kerns 103 entlang einer zu der Längsrichtung 108a rechtwinkli­ gen Richtung angeordnet sind.

Wenn ein Erregerstrom mit einer vorbestimmten Erreger­ frequenz an die Erregerwicklungen E1 und E2 angelegt wird, wird in dem Erregerkern 102 ein Magnetfluss er­ zeugt. Der Magnetfluss fließt von der Seite der Erreger­ wicklung E2 über den Spalt hinweg in die Welle 108. Da der Magnetfluss einfach entlang der Richtung der Achse mit einfacher Magnetisierbarkeit fließt, entlang derer Zugspannung erzeugt wird, wird der Betrag des in die De­ tektionswicklung D1 fließenden Magnetflusses verschieden von dem Magnetfluss in die andere Wicklung D2, durch die der Magnetfluss in den Detektionskern 103 fließt. In Ab­ hängigkeit von der Änderung im Betrag des Magnetflusses im Verlauf der Zeit wird eine Detektionsspannung in den Detektionswicklungen D1 und D2 induziert. Da die relati­ ve magnetische Permeabilität der Achse, entlang derer eine Magnetisierung in einfacher Weise möglich ist, so­ wie die relative magnetische Permeabilität der Achse, entlang derer eine Magnetisierung kaum möglich ist, sich proportional zu Schwankungen des Drehmoments ändern, können die Größe und die Richtung des auf die Welle 108 wirkenden Drehmoments auf der Basis der detektierten Spannung ermittelt werden.

Damit der Drehmomentsensor vom magnetostriktiven Typ ei­ ne Drehmomentdetektion mit hoher Genauigkeit ausführen kann, müssen der Erregerkern und der Detektionskern der­ art positioniert werden, dass die äußeren Enden ihrer Schenkelbereiche der Außenumfangsfläche der Welle mit einem konstanten Spalt gegenüberliegen. Selbst wenn der Sensor exakt angebracht werden kann, kann der Spalt va­ riieren, wenn die Welle exzentrisch angeordnet ist oder Vibrationen unterliegt. Dies führt zu Fehlerkomponenten im Detektionssignal, wodurch die Ausführung einer genau­ en Drehmomentdetektion unmöglich wird.

Zur Ausführung einer genauen Drehmomentdetektion ist es daher notwendig, eine Mehrzahl von magnetostriktiven Drehmomentsensoren entlang der Umfangsrichtung auf der Außenumfangsfläche der Welle anzuordnen, wobei die Aus­ gangssignale dieser magnetostriktiven Drehmomentsensoren kombiniert werden, um den Ausgangsfehler aufgrund einer Änderung des Spalts oder dergleichen zu kompensieren.

Die Anordnung einer Mehrzahl von Drehmomentsensoren vom magnetostriktiven Typ führt jedoch unweigerlich zu einer Steigerung der Größe und der Kosten der Sensoren. Außer­ dem müssen die jeweiligen Sensoren derart angebracht werden, dass ein konstanter Spalt zwischen jedem Sensor und der Welle erzielt wird, so dass der Montagevorgang der Sensoren kompliziert wird und die Spalthandhabung derselben mühsam wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorste­ hend genannten Probleme ausgearbeitet worden. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaf­ fung eines äußerst genauen magnetostriktiven Drehmoment­ sensors, der ohne Zunahme in der Größe oder Steigerung der Kosten in einfacher Weise montiert werden kann.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein ring­ förmiger magnetostriktiver Drehmomentsensor geschaffen, mit:
einem Erregerkern;
einer auf den Erregerkern gewickelten Erregerwicklung;
einem Detektionskern; und
wenigstens einer auf den Detektionskern gewickelten De­ tektionswicklung;
wobei der Erregerkern und der Detektionskern als Ring­ kern oder Ringkernanordnung ausgebildet sind, der bzw. die eine Mehrzahl von Magnetpolvorsprüngen aufweist, die von einer Innenumfangsfläche desselben bzw. derselben radial nach innen ragen, und
wobei die Erregerwicklung in Umfangsrichtung entlang der Innenumfangsfläche des Ringkerns gewickelt ist und die Detektionswicklung um die jeweiligen Magnetpolvorsprünge gewickelt ist.

Die Erregerwicklung kann in einem zentralen Bereich der Innenumfangsfläche angeordnet sein, und die Magnetpol­ vorsprünge, um die die Detektionswicklung gewickelt ist, sind auf beiden Seiten der Erregerwicklung angeordnet.

Stattdessen können die Magnetpolvorsprünge, um die die Detektionswicklung gewickelt ist, in einem zentralen Be­ reich der Innenumfangsfläche angeordnet sein, wobei die Erregerwicklung auf beiden Seiten der Magnetpolvorsprün­ ge angeordnet ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Ringkern einen ringförmigen Erregerkern als Erregerkern und einen ringförmigen Detektionskern als Detektionskern auf, wobei der ringförmige Erregerkern und der ringför­ mige Detektionskern direkt oder über ein ringförmiges Abstandselement aus ferromagnetischem Material miteinan­ der gekoppelt sind.

Der ringförmige Detektionskern kann durch einen ersten und einen zweiten ringförmigen Detektionskern gebildet sein,
wobei der erste und der zweite ringförmige Detektions­ kern jeweils an ihrer Innenumfangsfläche mit derselben Anzahl von Sätzen der Magnetpolvorsprünge ausgebildet sind, die in gleichmäßiger winkelmäßiger Beabstandung radial nach innen ragen, wobei die Detektionswicklung um jeden der Magnetpolvorsprünge gewickelt ist,
wobei der Erregerkern in Umfangsrichtung auf die Innen­ umfangsfläche des Erregerkerns gewickelt ist,
wobei der erste und der zweite ringförmige Detektions­ kern derart angeordnet sind, dass der Erregerkern sand­ wichartig zwischen diesen angeordnet ist und dass die jeweiligen Sätze der Magnetpolvorsprünge zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Detektionskern in gleichmäßiger winkelmäßiger Beabstandung in Umfangsrich­ tung angeordnet sind, und
wobei der Erregerkern und der erste und der zweite ring­ förmige Detektionskern miteinander gekoppelt sind.

In entsprechender Weise kann auch der ringförmige Erre­ gerkern durch einen ersten und einen zweiten ringförmi­ gen Erregerkern gebildet sein,
wobei die Erregerwicklung in Umfangsrichtung um die In­ nenumfangsfläche des ersten und des zweiten ringförmigen Erregerkerns gewickelt ist,
wobei der ringförmige Detektionskern an seiner Innenum­ fangsfläche mit einer Mehrzahl von Sätzen der Magnetpol­ vorsprünge ausgebildet ist, die in gleichmäßiger winkel­ mäßiger Beabstandung radial nach innen ragen, wobei die Detektionswicklung um die jeweiligen Magnetpolvorsprünge gewickelt ist, und
wobei der ringförmige Detektionskern und der erste und der zweite ringförmige Erregerkern derart miteinander gekoppelt sind, dass der ringförmige Detektionskern sandwichartig zwischen dem ersten und dem zweiten ring­ förmigen Erregerkern angeordnet ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung sowie der Begleitzeichnungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung noch besser verständlich, die jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden sollten, sondern nur zur Erläuterung und zum Verständnis dersel­ ben dienen.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Ansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Konstruktion eines ringförmigen Drehmomentsensors vom magnetostriktiven Typ gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Konstruktion eines weiteren ringförmigen Drehmomentsen­ sors vom magnetostriktiven Typ gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A und 3B Ansichten zur Erläuterung der allgemeinen Konstruktion des ersten Ausführungsbeispiels eines ring­ förmigen Drehmomentsensors vom magnetostriktiven Typ, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird;

Fig. 4A eine von rechts gesehene Seitenansicht des Drehmomentsensors der Fig. 3A und 3B;

Fig. 4B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 4A;

Fig. 4C eine von links gesehene Seitenansicht des Drehmomentsensors der Fig. 3A und 3B;

Fig. 5A bis 5E Ansichten zur Erläuterung der jeweiligen Komponenten des Drehmomentsensors der Fig. 3A und 3B;

Fig. 6 eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Verdrahtung einer Detektionswicklung bei dem Drehmoment­ sensor der Fig. 3A und 3B;

Fig. 7 eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Verdrahtung einer Detektionswicklung bei dem Drehmoment­ sensor der Fig. 3A und 3B;

Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung einer Signalverarbeitungsschaltung des Drehmomentsensors der Fig. 3A und 3B;

Fig. 9A eine fragmentarische Längsschnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des ringförmigen Drehmo­ mentsensors vom magnetostriktiven Typ, bei dem die vor­ liegende Erfindung angewendet wird;

Fig. 9B eine von links gesehene Seitenansicht des Drehmomentsensors der Fig. 9A;

Fig. 9C eine vergrößerte fragmentarische Ansicht unter Darstellung einer Anordnung von Kernen, gesehen von der Seite der Welle her;

Fig. 10A eine von rechts gesehene Seitenansicht des Drehmomentsensors der Fig. 9A bis 9C;

Fig. 10B eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der Fig. 10A;

Fig. 10C eine von links gesehen Seitenansicht des Drehmomentsensors der Fig. 9A bis 9C;

Fig. 11A bis 11C Ansichten zur Erläuterung von Komponen­ ten des Drehmomentsensors der Fig. 9A bis 9C; und

Fig. 12 eine Perspektivansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Konstruktion des magnetostriktiven Sensors, wie er typischerweise Verwendung findet.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Hinblick auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines ringförmi­ gen magnetostriktiven Drehmomentsensors gemäß der vor­ liegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleit­ zeichnungen ausführlich beschrieben. In der nachfolgen­ den Beschreibung sind zahlreiche spezielle Details ange­ geben, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Für den Fachmann ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese speziel­ len Details ausgeführt werden kann. Andererseits sind allgemein bekannte Strukturen nicht im Detail darge­ stellt, um eine unnötige Unklarheit der vorliegenden Er­ findung zu vermeiden.

Fig. 1 zeigt eine allgemeine Konstruktion eines ringför­ migen magnetostriktiven Drehmomentsensors gemäß der vor­ liegenden Erfindung. Der magnetostriktive Drehmomentsen­ sor 1 beinhaltet eine Erregerwicklung 3, die um einen Erregerkern 2 gewickelt ist, sowie eine Detektionswick­ lung 5, die um Detektionskerne 4 gewickelt ist. Der ma­ gnetostriktive Drehmomentsensor 1 erfasst ein auf einen Gegenstand 6, wie z. B. eine Welle, aufgebrachtes Drehmo­ ment, zur Messung desselben auf der Basis von Schwankun­ gen der magnetischen Eigenschaften des Gegenstands. Der Erregerkern 2 und die Detektionskerne 4 sind als einzel­ ner Ringkern 7 ausgebildet. Die Erregerwicklung 3 ist in Umfangsrichtung entlang der Innenumfangsfläche 7a des Ringkerns 7 gewickelt, und die Detektionswicklung 5 ist um eine Mehrzahl von Magnetpolvorsprüngen 8 gewickelt, die sich von der Innenumfangsfläche 7a des Ringkerns 7 radial nach innen erstrecken.

In der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion ist die Erreger­ wicklung 3 in Breitenrichtung der Innenumfangsfläche 7a des Ringkerns 7 in dem zentralen Bereich angeordnet, und die Magnetpolvorsprünge 8 sind in Breitenrichtung der Fläche 7a beidseits der Erregerwicklung 3 angeordnet.

Stattdessen ist es in der in Fig. 2 gezeigten Weise auch möglich, die Magnetpolvorsprünge 8 in dem zentralen Be­ reich auf der Innenumfangsfläche 7a des Ringkerns 7 an­ zuordnen und die Erregerwicklungen 3A und 3B beidseits der Magnetpolvorsprünge 8 anzuordnen.

Als nächstes kann es sich anstatt der Bildung des Ring­ kerns als einzelnes Element auch um eine Ringkernanord­ nung handeln, die durch einen ringförmigen Erregerkern als Erregerkern sowie einen ringförmigen Detektionskern als Detektionskern gebildet ist. In diesem Fall können der ringförmige Erregerkern und der ringförmige Detekti­ onskern direkt oder über ein ringförmiges Abstandsele­ ment aus magnetischem Material miteinander gekoppelt sein, um auf diese Weise die Ringkernanordnung zu bil­ den.

Der ringförmige Detektionskern kann durch einen ersten und einen zweiten ringförmigen Detektionskern gebildet sein. In diesem Fall sind der erste und der zweite ring­ förmige Kern auf ihrer Innenumfangsfläche mit derselben Anzahl von Magnetpolvorsprüngen derart ausgebildet, dass diese in gleichmäßigen winkelmäßigen Abständen entlang der Innenumfangsfläche der Kerne radial nach innen ra­ gen. Die Detektionswicklungen sind um die jeweiligen Ma­ gnetpolvorsprünge gewickelt, und auf der Innenumfangs­ fläche des Erregerkerns ist die Erregerwicklung in Um­ fangsrichtung der Innenumfangsfläche des Erregerkerns gewickelt. Ferner sind in Anordnung zwischen dem Erre­ gerkern der erste und der zweite ringförmige Detektions­ kern in einem Zustand miteinander gekoppelt, in dem die jeweiligen Sätze der Magnetpolvorsprünge in gleichmäßi­ gen winkelmäßigen Abständen angeordnet sind.

Andererseits kann der ringförmige Erregerkern auch durch einen ersten und einen zweiten ringförmigen Erregerkern gebildet sein. In diesem Fall sind die Detektionswick­ lungen in Umfangsrichtung entlang der Innenumfangsflä­ chen des ersten und des zweiten ringförmigen Erreger­ kerns gewickelt. Eine Mehrzahl von Sätzen der Magnetpol­ vorsprünge, die von der Innenumfangsfläche des Erreger­ kerns radial nach innen ragen, kann in gleichmäßiger winkelmäßiger Beabstandung vorgesehen sein, und die De­ tektionswicklungen können um die jeweiligen Magnetpol­ vorsprünge gewickelt sein. Der erste und der zweite Er­ regerkern sind dann unter Zwischenanordnung des ringför­ migen Detektionskerns miteinander gekoppelt.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die bevorzugten Aus­ führungsbeispiele erläutert.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 3A und 3B sind Darstellungen zur Erläuterung der allgemeinen Konstruktion des ersten Ausführungsbei­ spiels eines ringförmigen Drehmomentsensors vom magneto­ striktiven Typ, bei dem vorliegende Erfindung angewendet wird. Fig. 4A zeigt eine von rechts gesehene Seitenan­ sicht des Drehmomentsensors der Fig. 3A und 3B, Fig. 4B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 4A, und Fig. 4C zeigt eine von links gesehene Sei­ tenansicht des Drehmomentsensors der Fig. 3A und 3B. Die Fig. 5A bis 5E zeigen Darstellungen zur Erläute­ rung der jeweiligen Komponenten des Drehmomentsensors der Fig. 3A und 3B.

Wie in diesen Zeichnungen zu sehen ist, weist das darge­ stellte Ausführungsbeispiel des ringförmigen Drehmoment­ sensors 11 vom magnetostriktiven Typ ein kreisförmiges Sensorbefestigungssubstrat 12 auf, das in seiner Innen­ umfangsfläche mit einer ringförmigen Nut 13 ausgebildet ist. In der Nut 13 sind ein erster ringförmiger Detekti­ onskern 15 und ein zweiter ringförmiger Detektionskern 16 (Fig. 5A) derart angeordnet, dass ein ringförmiger Erregerkern 14 (Fig. 5B) sandwichartig zwischen diesen angeordnet ist. Diese drei Kerne 14, 15 und 16 sind mit­ tels Befestigungsschrauben 11a starr miteinander gekop­ pelt, um dadurch eine Ringkernanordnung zu bilden.

Auf die Innenumfangsfläche des ringförmigen Erregerkerns 14 ist eine Erregerwicklung 17 in Umfangsrichtung gewik­ kelt. Genauer gesagt ist auf der Innenseite des ringför­ migen Erregerkerns 14 ein Erregerwicklungsträger 21 (Fig. 5E) im Inneren des ringförmigen Erregerkerns 14 untergebracht, wobei der Wicklungsträger bzw. die Spule 21 eine Größe besitzt, die auf die Innenumfangsfläche des Kerns passt. Die Erregerwicklung 17 ist in einer vorbestimmten Anzahl von Windungen um den Wicklungsträ­ ger 21 gewickelt.

Der erste und der zweite Detektionskern 15 und 16 besit­ zen eine identische Konstruktion und sind auf ihren In­ nenumfangsflächen jeweils mit drei Sätzen von Magnetpol­ vorsprüngen entlang der Umfangsrichtung in winkelmäßigen Abständen von 120° ausgebildet. Genauer gesagt sind drei Sätze von Magnetpolvorsprüngen a1 und a2, a3 und a4 so­ wie a5 und a6 an dem ersten Detektionskern 15 ausgebil­ det, während die Sätze von Magnetpolvorsprüngen b1 und b2, b3 und b4 sowie b5 und b6 an dem zweiten Detektions­ kern 16 ausgebildet sind. Auf diese Magnetpolvorsprünge a1 bis a6 und b1 bis b6 sind Detektionswicklungen A1 bis A6 sowie B1 bis B6 über Detektionswicklungsträger 22 (Fig. 5C und 5D) gewickelt.

Der erste und der zweite ringförmige Detektionskern 15 und 16 mit identischer Konstruktion sind in einem Zu­ stand zusammengebaut, dass sie in Umfangsrichtung rela­ tiv zueinander um 60° versetzt sind. Somit sind auch die Sätze der Magnetpolvorsprünge a1 bis a6 und b1 bis b6 um 60° relativ zueinander versetzt.

Die Fig. 3A und 3B zeigen den ringförmigen magneto­ striktiven Drehmomentsensor in einem Zustand, in dem dieser an einer Wellen-Zahnraduntersetzungsvorrichtung angebracht ist. Die Wellen-Zahnraduntersetzungsvorrich­ tung 30 weist ein ringförmiges, starres innenverzahntes Rad 31, ein flexibles außenverzahntes Rad 32 sowie einen Wellengenerator 33 zum Biegen des außenverzahnten Rads 32 in eine elliptische Gestalt auf, um dieses partiell mit dem starren innenverzahnten Rad in Eingriff zu brin­ gen und die kämmenden Bereiche in Umfangsrichtung zu verlagern. Typischerweise werden der Wellengenerator 33 als Eingangselement und das flexible außenverzahnte Rad 32 als Ausgangselement verwendet.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel des ringförmigen magnetostriktiven Drehmomentsensors 11 ist an der Innen­ umfangsfläche eines zylindrischen Untersetzungsvorrich­ tungsgehäuses 34 angebracht, an dem das starre innenver­ zahnte Rad 31 angebracht ist. Der Sensor 11 ist derart angeordnet, dass die Magnetpolvorsprünge a1 bis a6 sowie b1 bis b6 einer Außenumfangsfläche des flexiblen außen­ verzahnten Rads 32 mit einem vorbestimmten Spalt zuge­ wandt gegenüberliegen, wobei der Sensor ein auf das au­ ßenverzahnte Rad 32 wirkendes Drehmoment detektiert. Ein Ausgangssignal des ringförmigen magnetostriktiven Drehmomentsensors 11 wird einer außerhalb angeordneten Signalverarbeitungsschaltung 24 über eine Signalleitung 23 zugeführt, die aus dem Gehäuse 34 herausführt. In der Signalverarbeitungsschaltung 24 wird eine Drehmomentbe­ rechnung auf der Basis des Sensorausgangssignals durch­ geführt.

Wenn ein Drehmoment auf das flexible außenverzahnte Rad 32 als zu detektierendem Gegenstand entlang von Richtun­ gen von ±45° relativ zu einer Axialrichtung (Längsrich­ tung) des außenverzahnten Rads 32 aufgebracht wird, er­ gibt sich eine Achse, die einfach magnetisierbar ist, während bei Aufbringung des Drehmoments entlang von zu dieser Achse rechtwinkligen Richtungen sich eine Achse ergibt, die kaum magnetisierbar ist. Als Ergebnis hier­ von ändert sich der zu messende Magnetfluss, der entlang der Oberfläche fließt. Wenn bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel des ringförmigen magnetostriktiven Drehmomentsensors 11 eine serielle Verdrahtung der De­ tektionswicklungen A1, A2, B1 und B6 in dieser Reihen­ folge verwendet wird, wie dies z. B. in Fig. 6 gezeigt ist, ändern sich bei Aufbringung von Drehmoment die Ma­ gnetflüsse, die in den in Fig. 6 gezeigten Detektions­ wicklungen A1 und A2 fließen. Durch Ermittlung der Dif­ ferenz zwischen den in den Detektionswicklungen A1 und A2 induzierten Spannungen lässt sich das aufgebrachte Drehmoment als Ausgangsspannung detektieren.

Es ist auch möglich, die Detektionswicklungspaare A1 und A2, A3 und A4, A5 und A6 auf der Seite des ersten ring­ förmigen Detektionskerns in Parallelschaltung anzuord­ nen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.

Es ist darauf hinzuweisen, dass auch eine Konstruktion der Signalverarbeitungsschaltung 23, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, verwendet werden kann. Bei der dargestell­ ten Signalverarbeitungsschaltung 23 werden zwei Arten von elektrischem Strom von einem Oszillator 231 mit ver­ schiedenen Frequenzen durch eine Addierschaltung 232 ad­ diert, wobei ein Ausgangsstrom derselben der Erreger­ wicklung 17 zugeführt wird. Da die Spannung, bei der zwei Arten von Frequenzen kombiniert sind, durch die De­ tektionswicklungen detektiert wird, wird eine Spannung von einer der Frequenzkomponenten durch ein Frequenz­ spektrum herausgenommen. Als nächstes wird mittels eines Phasendetektors (PSD) 233 die detektierte Spannung in eine Gleichstromspannung umgewandelt. Die Gleichstrom­ spannung durchläuft dann ein Tiefpassfilter (LPF) 234, um ein Detektionsausgangssignal zu erhalten.

Das vorstehend erläuterte Verfahren, bei dem ein Strom mit zwei Frequenzkomponenten zugeführt wird und eine De­ tektionsspannung von einer der Frequenzkomponenten abge­ leitet wird, wird als Dither-Verfahren bezeichnet. Die­ ses Verfahren hat sich als wirksam erwiesen zum Reduzie­ ren der Hysterese von ferromagnetischen Körpern sowie als Entmagnetisierungsverfahren und magnetisches Schwin­ gungsverfahren. Eine derartige Signalverarbeitungsschal­ tung ist somit wegen ihrer Fähigkeit zum Reduzieren von Schwankungen im Ausgangssignal bei der dynamischen Drehmomentmessung bevorzugt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des ringförmi­ gen magnetostriktiven Drehmomentsensors mit der vorste­ hend beschriebenen Ausbildung wird eine derartige Kon­ struktion verwendet, bei der der ringförmige Erregerkern und der ringförmige Detektionskern laminiert sind. Der Drehmomentsensor lässt sich somit durch einen einfachen Prozess oder Pressenbearbeitung herstellen, wobei z. B. Silizium-Stahl-Platten als ferromagnetischer Körper zu­ sammenlaminiert werden. Außerdem kann der magnetostrik­ tive Drehmomentsensor eine dünne und kompakte Konstruk­ tion aufweisen.

Da ferner die Erregerwicklung in Umfangsrichtung entlang der Innenumfangsfläche des ringförmigen Erregerkerns ge­ wickelt ist, kann die Erregerwicklung unter im Wesentli­ chen denselben Magnetisierungsbedingungen entlang der Umfangsrichtung magnetisiert werden. Außerdem können Un­ gleichmäßigkeiten in Umfangsrichtung (Ungleichmäßigkeit des Magnetisierungszustands, Ungleichmäßigkeit des Restmagnetismus oder dergleichen) ausgeglichen werden.

Weiterhin wird es möglich, eine große Anzahl von Detek­ tionswicklungen in Umfangsrichtung anzuordnen, um eine Drehmomentdetektion durch Kombinieren der Ausgangssigna­ le von den Detektionswicklungen ohne Erhöhung der Größe oder Steigerung der Kosten durchzuführen. Weiterhin wird es überflüssig, die Anzahl der Erregerwicklungen ent­ sprechend der Anzahl von Detektionswicklungen zu erhö­ hen. Somit können durch Spaltschwankungen verursachte Detektionsfehler aufgrund von Abweichungen des Detekti­ onsgegenstands kompensiert werden, ohne eine Mehrzahl von Sätzen der magnetostriktiven Sensoren mit identi­ scher Konstruktion anzuordnen, d. h. ohne eine große An­ zahl von Detektionskernen, Detektionswicklungen sowie Erregerkernen und Erregerwicklungen anzuordnen. Auf die­ se Weise kann ein Drehmomentsensor verwirklicht werden, der klein ausgebildet, kompakt sowie zum exakten Detek­ tieren von Drehmoment in der Lage ist.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 9A zeigt eine fragmentarische Längsschnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des ringförmigen Drehmomentsensors vom magnetostriktiven Typ, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, Fig. 9B zeigt ei­ ne von links gesehene Seitenansicht des Drehmomentsen­ sors der Fig. 9A, und Fig. 9C zeigt eine vergrößerte fragmentarische Ansicht unter Darstellung der Anordnung von Kernen gesehen von der Seite der Welle her. Fig. 10A zeigt eine von rechts gesehene Seitenansicht des Drehmo­ mentsensors der Fig. 9A bis 9C, Fig. 10B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der Fig. 10A, und Fig. 10C zeigt eine von links gesehene Seitenansicht des Drehmomentsensors der Fig. 9A bis 9C. Die Fig. 11A bis 11C zeigen Darstellungen von Komponenten des Drehmo­ mentsensors der Fig. 9A bis 9C.

Wie in diesen Zeichnungen zu sehen ist, weist das darge­ stellte Ausführungsbeispiel des ringförmigen Drehmoment­ sensors 41 vom magnetostriktiven Typ ein kreisförmiges Sensorbefestigungssubstrat 42 auf, das auf seiner Innen­ umfangsfläche mit einer ringförmigen Nut 43 ausgebildet ist, in der ein ringförmiger Detektionskern 44 (Fig. 11B), ringförmige Abstandselemente 45 (Fig. 11C) aus ma­ gnetischem Material sowie ein erster und ein zweiter ringförmiger Erregerkern 46 und 47 (Fig. 11A) vorgesehen sind. Die ringförmigen Abstandselemente 45 sind auf bei­ den Seiten des Detektionskerns 44 angeordnet, und der erste und der zweite ringförmige Erregerkern 46 und 47 sind derart angeordnet, dass sie diese drei Elemente zwischen sich schließen. Die zusammengebauten fünf Ele­ mente sind mittels Befestigungsschrauben 41a fest mit­ einander verbunden, um dadurch eine Ringkernanordnung zu bilden.

Der erste und der zweite Erregerkern 46 und 47, die auf beiden Seiten angeordnet sind, weisen dieselbe Konstruk­ tion auf. Auf den Innenumfangsseiten, nämlich auf der Innenumfangsfläche des ringförmigen Abstandselements 45, das aus magnetischem Material gebildet ist und den Ker­ nen 46 und 47 benachbart angeordnet ist sind eine erste und eine zweite Erregerwicklung 49 und 50 in Umfangs­ richtung der Abstandselemente 45 gewickelt. Die ringför­ migen Erregerkerne 46 und 47 sind auf ihrer Innenum­ fangsfläche mit fünf Kernvorsprüngen 46a bzw. 47a ausge­ bildet. Die Kernvorsprünge 46a sind bei dem dargestell­ ten Ausführungsbeispiel in einer regelmäßigen winkelmä­ ßigen Beabstandung von 72° in Umfangsrichtung ausgebil­ det. Gleichermaßen sind auch die anderen Kernvorsprünge 47a mit der gleichen winkelmäßigen Beabstandung in Um­ fangsrichtung angeordnet.

Der ringförmige Detektionskern 44 ist auf seiner Innen­ umfangsfläche mit fünf Paaren von Magnetpolvorsprüngen a1 und a2, a3 und a4, a5 und a6, a7 und a8 sowie a9 und a10 ausgebildet. Diese Paare sind in gleichmäßiger win­ kelmäßiger Beabstandung, d. h. 72° bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in Umfangsrichtung angeordnet. Auf diese Magnetpolvorsprünge a1 bis a10 sind Detektions­ wicklungen A1 bis A10 gewickelt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind also fünf Sätze von Magnetpolen gebildet.

Dabei ist relativ zu dem ersten und dem zweiten ringför­ migen Erregerkern 46 und 47 mit identischer Konstruktion der zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Er­ regerkern angeordnete ringförmige Detektionskern 44 mit einer relativen winkelmäßigen Versetzung von 36° in Um­ fangsrichtung angeordnet.

In den Fig. 9A bis 9C ist ähnlich zu den Fig. 3A und 3B der ringförmige magnetostriktive Drehmomentsensor 41 in dem an der Wellen-Zahnraduntersetzungsvorrichtung 30 angebrachten Zustand gezeigt. Wenn kein Drehmoment aufgebracht wird, fließt der Magnetfluss, der von den Erregerkernen 46 und 47 auf beiden Seiten in das flexi­ ble außenverzahnte Rad 32 fließt, im Wesentlichen nicht zu dem Detektionskern 44. Bei Aufbringung von Drehmoment tritt jedoch aufgrund des Einflusses des umgekehrten ma­ gnetostriktiven Effekts die Differenz im Betrag der Ma­ gnetflüsse auf, die entlang der Richtungen von ±45° re­ lativ zu der Axialrichtung des flexiblen außenverzahnten Rads 32 fließen. Somit fließt ein zu dem Drehmoment pro­ portionaler Magnetfluss durch den Detektionskern 44. Es ist darauf hinzuweisen, dass zwischen positivem Drehmo­ ment und negativem Drehmoment dadurch unterschieden wer­ den kann, ob die induzierte Spannung der Detektionswick­ lung in Bezug auf die Phase des Erregerstroms um 90° voreilend oder verzögert ist.

Wie vorstehend erwähnt wurde, kann selbst mit dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel des magnetostriktiven Drehmomentsensors 41 ein ähnlicher Effekt wie mit dem magnetostriktiven Drehmomentsensor 11 erzielt werden. Außerdem verwendet der Drehmomentsensor 41 bei dem dar­ gestellten Ausführungsbeispiel eine Konstruktion, bei der der Detektionskern 44 sandwichartig zwischen den Er­ regerkernen 46 und 47 eingeschlossen ist und das durch den Detektionskern 44 erzeugte Magnetfeld durch die Er­ regerkerne 46 und 47 abgeschirmt ist, so dass es keine Wirkung nach außen hat.

Wie vorstehend erwähnt wurde, verwendet der ringförmige magnetostriktive Drehmomentsensor eine Konstruktion zum Bilden des Erregerkerns und des Detektionskerns zu dem Ringkern, um die Erregerwicklungen in Umfangsrichtung entlang des Innenumfangs des Ringkerns zu wickeln, wobei die Detektionswicklungen um eine Mehrzahl von Magnetpol­ vorsprüngen gewickelt sind, die an dem Innenumfang des Ringkerns gebildet sind. Somit wird es mit der vorlie­ genden Erfindung möglich, eine große Anzahl von Detekti­ onswicklungen in Umfangsrichtung anzuordnen, um eine Drehmomentdetektion durch Kombinieren der Ausgangssigna­ le von den Detektionswicklungen durchzuführen, ohne dass es zu einem Anstieg der Abmessungen sowie der Kosten kommt, wodurch ein Drehmomentsensor mit geringer Größe, kompakter Ausbildung sowie der Fähigkeit zum exakten De­ tektieren von Drehmoment verwirklicht werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist vorstehend zwar unter Be­ zugnahme auf exemplarische Ausführungsformen derselben beschrieben worden, jedoch versteht es sich für den Fachmann, dass die vorstehend genannten und verschiedene weitere Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass man den Gedanken und den Umfang derselben ver­ lässt. Die vorliegende Erfindung ist somit nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt zu verstehen, sondern soll alle möglichen Ausführungsformen beinhalten, die im Umfang der in den beigefügten Ansprü­ che angegebenen Merkmale sowie Äquivalenten davon lie­ gen.

Claims (6)

1. Ringförmiger magnetostriktiver Drehmomentsensor mit einem Erregerkern;
einer auf den Erregerkern gewickelten Erregerwick­ lung;
einem Detektionskern; und mit wenigstens einer auf den Detektionskern gewickelten Detektionswicklung;
wobei der Erregerkern und der Detektionskern als Ringkern oder Ringkernanordnung ausgebildet sind, der bzw. die eine Mehrzahl von Magnetpolvorsprüngen auf­ weist, die von einer Innenumfangsfläche desselben bzw. derselben radial nach innen ragen, und
wobei die Erregerwicklung in Umfangsrichtung entlang der Innenumfangsfläche des Ringkerns gewickelt ist und die Detektionswicklung um die jeweiligen Magnet­ polvorsprünge gewickelt ist.

2. Ringförmiger magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Erregerwicklung in einem zentralen Bereich der Innenumfangsfläche angeordnet ist und die Magnet­ polvorsprünge, um die die Detektionswicklung gewik­ kelt ist, auf beiden Seiten der Erregerwicklung ange­ ordnet sind.

3. Ringförmiger magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetpolvorsprünge, um die die Detektions­ wicklung gewickelt ist, in einem zentralen Bereich der Innenumfangsfläche angeordnet sind und die Erre­ gerwicklung auf beiden Seiten der Magnetpolvorsprünge angeordnet ist.

4. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Ringkernanordnung einen ringförmigen Erre­ gerkern als Erregerkern sowie einen ringförmigen De­ tektionskern als Detektionskern aufweist, und wobei der ringförmige Erregerkern und der ringförmige Detektionskern direkt oder über ein ringförmiges Ab­ standselement aus ferromagnetischem Material mitein­ ander gekoppelt sind.

5. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 4, wobei der ringförmige Detektionskern durch einen er­ sten und einen zweiten ringförmigen Detektionskern gebildet ist,
wobei der erste und der zweite ringförmige Detekti­ onskern auf ihrer Innenumfangsfläche jeweils mit der­ selben Anzahl von Sätzen der Magnetpolvorsprünge aus­ gebildet sind, die in gleichmäßiger winkelmäßiger Be­ abstandung radial nach innen ragen, wobei die Detek­ tionswicklungen um jeden der Magnetpolvorsprünge ge­ wickelt sind,
wobei der Erregerkern in Umfangsrichtung auf die In­ nenumfangsfläche des Erregerkerns gewickelt ist,
wobei der erste und der zweite ringförmige Detekti­ onskern derart angeordnet sind, dass der Erregerkern sandwichartig zwischen diesen angeordnet ist und dass die jeweiligen Sätze der Magnetpolvorsprünge zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Detektions­ kern mit einer gleichmäßigen winkelmäßigen Beabstan­ dung in Umfangsrichtung angeordnet sind, und
wobei der Erregerkern und der erste und der zweite ringförmige Detektionskern miteinander gekoppelt sind.

6. Magnetostriktiver Drehmomentsensor nach Anspruch 4,
wobei der ringförmige Erregerkern durch einen ersten und einen zweiten ringförmigen Erregerkern gebildet ist,
wobei die Erregerwicklung in Umfangsrichtung entlang der Innenumfangsfläche des ersten und des zweiten ringförmigen Erregerkerns gewickelt ist,
wobei der ringförmige Detektionskern an seiner Innen­ umfangsfläche mit einer Mehrzahl von Sätzen der Ma­ gnetpolvorsprünge ausgebildet ist, die in gleichmäßi­ ger winkelmäßiger Beabstandung radial nach innen ra­ gen, wobei die Detektionswicklungen um die jeweiligen Magnetkernvorsprünge gewickelt sind, und
wobei der ringförmige Detektionskern und der erste und der zweite ringförmige Erregerkern derart mitein­ ander gekoppelt sind, dass der ringförmige Detekti­ onskern sandwichartig zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Erregerkern angeordnet ist.