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Die
Erfindung betrifft eine Drehmomenterfassungsvorrichtung und deren
Verwendung in einer Servolenkvorrichtung.
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Unter
einer großen
Anzahl von Drehmomenterfassungsvorrichtungen zum Erfassen eines
auf eine Drehwelle ausgeübten
Drehmoments wird typischerweise eine Torsionsstangenfeder verwendet. Als
Drehmomenterfassungsvorrichtung dieser Art ist z. B. aus der
JP-A07-333082 ein "Lenkdrehmomentsensor" bekannt geworden,
der nachfolgend als "Stand
der Technik" bezeichnet
wird.
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Bei
diesem Stand der Technik sind, wie in 20 gezeigt,
eine Eingangswelle 6 und eine Ausgangswelle 7 durch
eine Torsionsstangenfeder 8 miteinander gekoppelt, und
ein relativer Drehwinkel zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle 6 und 7 wird
durch Erfassungsspulen 2a und 2b erfasst.
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Die
Drehmomenterfassungsvorrichtung kann an einer elektrischen Servolenkvorrichtung
angebracht sein. Insbesondere wird ein Lenkdrehmoment, das zwischen
der Eingangs- und Ausgangswelle 6 und 7 durch
ein Lenkrad ausgeübt
wird, von der Drehmomenterfassungsvorrichtung erfasst, und durch
einen Elektromotor wird ein Hilfsdrehmoment entsprechend dem Lenkdrehmoment
erzeugt und an das Lenksystem durch einen Untersetzungsgetriebemechanismus
angelegt, sodass das Lenkdrehmoment durch das Hilfsdrehmoment unterstützt werden kann.
Im Ergebnis kann die Lenkkraft eines Fahrers reduziert werden, um
ein komfortables Lenkgefühl
zu erhalten.
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In
dem Stand der Technik, in dem die Torsionsstangenfeder 8 verwendet
wird, wird ein relativer Winkelversatz zwischen der Eingangs- und
Ausgangswelle 7 und 8 durch die Torsion der Torsionsstangenfeder 8 entsprechend
dem Drehmoment erzeugt. Falls die Drehmomenterfassungsvorrichtung an
der elektrischen Servolenkvorrichtung angebracht ist, entsteht bei
der Betätigung
der Fahrzeugräder
in Bezug auf die Lenkbetätigung
des Lenkrads eine leichte Zeitverzögerung.
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Insbesondere,
falls das Hilfsdrehmoment entsprechend einer Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit
gesenkt wird, um den Lenkradwiderstand zu erhöhen, wird der Torsionsbetrag
der Torsionsstangenfeder 8 während des Lenkens erhöht, wenn
die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt. Die Zeitverzögerung,
die entsprechend dem Betrag der Torsion erzeugt wird, führt zu einer
leichten Beeinflussung des Lenkgefühls.
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Andererseits
ist es in der elektrischen Servolenkvorrichtung erforderlich, das
Lenkgefühl
des Fahrers so weit wie möglich
zu verbessern. Wenn die herkömmliche
Drehmomenterfassungsvorrichtung angebracht ist, ist jedoch eine
weitere Verbesserung des Lenkgefühls
eingeschränkt.
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Aus
der
DE 34 37 379
C2 ist eine Drehmomenterfassungsvorrichtung bekannt, welche
einen durch Verdrehen der Welle erzeugten Dauerspannungsabschnitt
und einen Erfassungsabschnitt in der From von Wirbelstromsonden
aufweist, um den im Dauerspannungsabschnitt erzeugten Magnetostriktionseffekt
zu erfassen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, (1) eine Drehmomenterfassungsvorrichtung,
insbesondere für
eine elektrische Servolenkvorrichtung, anzugeben, in der die Zeitverzögerung der
Drehmomentübertragung
von der Drehmomenteingabeseite zur Drehmomentausgabeseite beseitigt
werden kann, und die Richtung und der Betrag des angelegten Drehmoments
mit einer einfachen Struktur zuverlässig erfasst werden kann, und
(2) deren Verwendung in einer elektrischen Servolenkvorrichtung
anzugeben.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung eine Drehmomenterfassungsvorrichtung
nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Die
Drehwelle der Drehmomenterfassungsvorrichtung ist eine integrale
Welle, die nicht in die Drehmomenteingabeseite und die Drehmomentausgabeseite
unterteilt ist. Wenn daher das Drehmoment angelegt wird, genügt ein sehr
kleiner Torsionswinkel (Winkelversatz). Auch wenn der Torsionswinkel
der Drehwelle klein ist, ist es möglich, das Drehmoment schnell
zu erfassen, indem durch den Erfassungsabschnitt der magnetostriktive
Effekt erfasst wird, der in dem Dauerspannungsabschnitt entsprechend
dem Drehmoment erzeugt wird. Demzufolge lässt sich die Verzögerung einer
Drehmomentübertragungszeit von
der Drehmomenteingabeseite zur Drehmomentausgabeseite der Drehwelle
der Drehmomenterfassungsvorrichtung beseitigen.
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Ferner
ist der Dauerspannungsabschnitt vorgesehen, um ein Werkzeug oder
einen Spanner an einem Paar von Halteabschnitten aufzuhängen und diese
zu verdrehen, um hierdurch an die Halteabschnitte in der Drehwelle
eine akkurate machanische Dauerspannung bzw. Dauerverspannung anzulegen. In
dem Dauerspannungsabschnitt ändert
sich die Magnetostriktionscharakteristik entsprechend dem angelegten
Drehmoment. Durch Vorsehen des Dauerspannungsabschnitts an der Drehwelle
verschiebt sich der Ursprung der Magnetostriktionskennlinie des Dauerspannungsabschnitts
von dem Ursprung, der vor dem Anlegen der Dauerspannung gesetzt
war. Indem man durch den Erfassungsabschnitt den magnetostriktiven
Effekt erfasst, der in dem Dauerspannungsabschnitt erzeugt wird,
lässt sich
bei Betrieb die Richtung und der Betrag des an die Drehwelle angelegten
Drehmoments erfassen.
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Ferner
werden die ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte, an denen
voneinander unterschiedliche akkurate Dauerspannungen bzw. Dauerverspannungen
anliegen, zwischen den ersten, zweiten und dritten Halteabschnitten
in der Drehwelle vorgesehen, indem die Werkzeuge oder Spanner, die an
den ersten, zweiten und dritten Halteabschnitten hängen, verdreht
werden. In den ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitten ändern sich
die Magnetostriktionscharakteristiken entsprechend dem angelegten
Drehmoment. Indem man die ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte
an der Drehwelle vorsieht, werden die Ursprünge der Magnetostriktionskennlinien
der ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte von dem Ursprung
weg verschoben, der vor dem Anlegen der Dauerspannung gesetzt wurde.
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Die
Magnetostriktionscharakteristik des zweiten Dauerspannungsabschnitts
unterscheidet sich von jener des ersten Dauerspannungsabschnitts.
Es besteht die Möglichkeit,
die Richtung und den Betrag des an die Drehwelle angelegten Drehmoments
zu erfassen, indem man durch den Erfassungsabschnitt jeden der magnetostriktiven
Effekte erfasst, die in den ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitten
mit voneinander unterschiedlichen Magnetostriktionscharakteristiken
erzeugt werden, und ferner um eine Fehlerdiagnose der Drehmomenterfassungsvorrichtung
auszuführen,
indem man zwei verschiedene Erfassungswerte vergleicht.
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Wenn
darüber
hinaus eine Differenz zwischen den zwei unterschiedlichen Erfassungswerten innerhalb
eines Drehmomentmessbereichs variiert wird, lässt sich der Einfluss der Temperaturcharakteristik
beseitigen, um hierdurch eine stabile Signalcharakteristik auf der
Basis der Differenz zwischen den zwei Erfassungswerten zu erhalten.
Somit ist es möglich,
ein noch besseres Drehmomenterfassungssignal zu erhalten, das sich
bei einer Änderung
der Umgebungstemperatur nicht ändert.
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Die
Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Drehmomenterfassungsvorrichtung
an einer elektrischen Servolenkung nach Anspruch 2 und 7.
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Der
Magnetostriktionsfilm kann aus einer plattierten Schicht gebildet
sein, um die Magnetostriktionscharakteristiken entsprechend einem
angelegten Drehmoment zu ändern,
und auf den durch Verdrehen der Halteabschnitte eine mechanische Spannung
ausgeübt
wird. Der Magnetostriktionsfilm ist auf einer Oberfläche der
Drehwelle und zwischen den Halteabschnitten mit einer vorbestimmten
Breite über
den Gesamtumfang vorgesehen. Ein Erfassungsabschnitt zum elektrischen
Erfassen eines magnetostriktiven Effekts, der bei Betrieb an dem
Magnetostriktionsfilm erzeugt wird, ist um den Magnetostriktionsfilm
herum vorgesehen.
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Ferner
ist der magnetostriktive Film vorgesehen, um ein Werkzeug oder einen
Spanner an einem Paar von Halteabschnitten anzuhängen und diese zu verdrehen,
um hierdurch auf die Halteabschnitte der Drehwelle eine akkurate
mechanische Spannung auszuüben.
In dem Magnetostriktionsfilm ändert
sich die Magnetostriktionscharakteristik entsprechend dem angelegten
Drehmoment. Indem man den Magnetostriktionsfilm, an den eine mechanische
Spannung angelegt worden ist, an der Drehwelle vorsieht, wird der
Ursprung der Magnetostriktionskennlinie des Magnetostriktionsfilms
von dem Ursprung verschoben, der vor dem Anlegen der Spannung gesetzt wurde.
Durch Erfassung des magnetostriktiven Effekts, der bei Betrieb in
der Drehwelle durch den Erfassungsabschnitt erzeugt wird, lässt sich
die Richtung und der Betrag des an die Drehwelle angelegten Drehmoments
schnell und zuverlässig
mit einer einfachen Struktur erfassen.
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Ferner
reicht es aus, dass das Drehmoment zum Verdrehen der Drehwelle so
klein ist, dass auf den Magnetostriktionsfilm eine Spannung ausgeübt wird.
Das Drehmoment ist so, dass es die Drehwelle in einem elastischen
Bereich lose bzw. geringfügig verdreht.
Da es nicht notwendig ist, ein Überdrehmoment
in den Halteabschnitt einzugeben, kann das Drehmoment leichter gehandhabt
werden, und ferner kann die Präzision
des Drehmoments verbessert werden. Zusätzlich ist das Drehmoment so,
dass es die Drehwelle in dem elastischen Bereich geringfügig verdreht.
Daher kann das Gerät
zum Eingeben eines Drehmoments an den Halteabschnitt eine einfache und
leichte Struktur haben. Da das Eingangsdrehmoment klein ist, kann
die Größe des an
der Drehwelle vorzusehenden Halteabschnitts reduziert werden. Daher
lässt sich
die Torsionssteifigkeit der Drehwelle weiter erhöhen, indem der (kleinste) Durchmesser der
Drehwelle vergrößert wird.
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Die
Drehmomenterfassungsvorrichtung ist an einer elektrischen Servolenkvorrichtung
als Lenkdrehmomentsensor angebracht, um ein Lenkdrehmoment eines
Lenksystems zu erfassen, das an einem Fahrzeugrad erzeugt wird.
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Bevorzugt
ist die Drehwelle eine Ritzelwelle, die durch ein Universalgelenk
mittels des Lenksrads zu drehen ist, wobei einer der Halteabschnitte
ein Längsverzahnungskupplungsabschnitt
oder ein Kerbverzahnungskupplungsabschnitt ist, der an dem mit dem
Universalgelenk zu koppelnden Ende der Ritzelwelle ausgebildet ist,
und der andere Halteabschnitt ein mit einem Lenkrad zu koppelndes
Ritzel eines Zahnstangen-Ritzelmechanismus ist.
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Die
Drehwelle der Drehmomenterfassungsvorrichtung, die an der elektrischen
Servolenkvorrichtung angebracht ist, ist eine integrale Welle, die nicht
in die Drehmomenteingabeseite und die Drehmomentausgabeseite unterteilt
ist. Wenn daher ein Lenkdrehmoment angelegt wird, genügt ein sehr
kleiner Torsionswinkel. Aus diesem Grund kommt es zu keiner Zeitverzögerung bei
der Lenkbetätigung
des Rads im Vergleich zu der Lenkbetätigung eines Lenkrads. Demzufolge
lässt sich
die Verzögerung
einer Drehmomentübertragungszeit
von der Drehmomenteingabeseite zur Drehmomentausgabeseite der Drehwelle
der Drehmomenterfassungsvorrichtung beseitigen.
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Hierdurch
ist es möglich,
das Ansprechverhalten der elektrischen Servolenkvorrichtung zu verbessern,
da ein dem Lenkdrehmoment entsprechendes Hilfsdrehmoment erzeugt
und dieses unterstützt wird.
Demzufolge kann das Lenkgefühl
noch weiter verbessert werden.
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Auch,
falls das Lenkrad-Widerstandsgefühl erhöht wird,
indem das Hilfsdrehmoment entsprechend einer Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit gesenkt
wird, kann der Torsionswinkel der Drehwelle sehr klein sein. Demzufolge
kann beim Lenken des Lenkrads dessen Lenkwinkel direkt auf das Rad übertragen
werden, sodass komfortabel bei gutem Ansprechverhalten gelenkt werden
kann.
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Ferner
wird auch der Längsverzahnungs-Kupplungsabschnitt
oder der Kerbverzahnungs-Kupplungsabschnitt in der Drehwelle für einen der
Halteabschnitte verwendet, und das Ritzel der Drehwelle wird auch
für den
anderen Halteabschnitt verwendet. Daher ist es nicht notwendig,
den Halteabschnitt vorzusehen, der durch Anhängen eines Werkzeugs oder eines
Spanners daran zu verdrehen ist. Demzufolge kann die Steifigkeit
der Drehwelle noch weiter verbessert werden.
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Ferner
werden auf die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme voneinander
unterschiedliche akkurate mechanische Spannungen zwischen den ersten,
zweiten und dritten Halteabschnitten in der Drehwelle durch Verdrehwerkzeuge
oder Spanner ausgeübt,
die an den ersten, zweiten und dritten Halteabschnitten angehängt sind.
In den ersten und zweiten Magnetostriktionsfilmen werden die Magnetostriktionscharakteristiken
entsprechend dem angelegten Drehmoment geändert. Durch Vorsehen der ersten
und zweiten Magnetostriktionsfilme auf der Drehwelle verschieben
sich die Ursprünge
der Magnetostriktionskennlinien der ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme
von dem Ursprung, der vor dem Anlegen der Spannung gesetzt wurde.
Demzufolge ist es möglich,
die Richtung und die Höhe
des an die Drehwelle angelegten Drehmoments mit einer einfachen
Struktur zuverlässig
und schnell zu erfassen, indem man durch den Erfassungsabschnitt
die in den ersten und zweiten Magnetostriktionsfilmen erzeugten
Magnetostriktionseffekte erfasst.
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Die
Magnetostriktionscharakteristik des zweiten Magnetostriktionsfilms
unterscheidet sich von jener des ersten Magnetostriktionsfilms.
Es ist möglich,
die Richtung und den Betrag des an die Drehwelle angelegten Drehmoments
zu erfassen, indem man durch den Erfassungsabschnitt jeden der magnetostriktiven
Effekte erfasst, die in den ersten und zweiten Magnetostriktionsfilmen
mit voneinander unterschiedlichen Magnetostriktionscharakteristiken erzeugt
werden, und um ferner die Fehlerdiagnose der Drehmomenterfassungsvorrichtung
durchzuführen,
indem man die zwei verschiedenen Erfassungswerte vergleicht.
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Wenn
darüber
hinaus eine Differenz zwischen den zwei unterschiedlichen Erfassungswerten innerhalb
eines Drehmomentmessbereichs variiert wird, lässt sich der Einfluss einer
Temperaturcharakteristik beseitigen, um hierdurch eine stabile Signalcharakteristik
auf der Basis der Differenz der zwei Erfassungswerte zu erhalten.
Somit lässt
sich ein noch besseres Drehmomenterfassungssignal erhalten, das
sich bei einer Änderung
der Umgebungstemperatur nicht ändert.
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Bevorzugt
ist die Drehwelle eine Ritzelwelle, die durch ein Universalgelenk
mittels des Lenkrads zu drehen ist, der erste Halteabschnitt ist
ein Längsverzahnungskupplungsabschnitt
oder ein Kerbverzahnungskupplungsabschnitt, der an dem mit dem Universalgelenk
zu koppelnden Ende der Ritzelwelle ausgebildet ist, und der dritte
Halteabschnitt ist ein mit einem Lenkrad zu koppelndes Ritzel eines
Zahnstangen- und Ritzelmechanismus.
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Auch
falls das Widerstandsgefühl
des Lenkrads erhöht
wird, indem das Hilfsdrehmoment entsprechend einer Zunahme der Fahrzeuggeschwindigkeit
gesenkt wird, kann der Torsionswinkel der Drehwelle sehr klein gemacht
werden. Demzufolge kann beim Lenken des Lenkrads dessen Lenkwinkel direkt
auf das Rad übertragen
werden, sodass man komfortabel mit gutem Ansprechverhalten lenken kann.
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Ferner
wird der Längsverzahnungskupplungsabschnitt
oder der Kerbverzahnungskupplungsabschnitt in der Drehwelle auch
für den
ersten Halteabschnitt benutzt und das Ritzel der Drehwelle wird auch
für den
dritten Halteabschnitt benutzt. Daher genügt es, den zweiten Halteabschnitt
durch Anhängen
eines Werkzeugs oder Spanners daran zu verdrehen. Demzufolge kann
die Steifigkeit der Drehwelle weiter verbessert werden.
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Die
Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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Die 1A bis 1E zeigen eine Struktur einer Drehmomenterfassungsvorrichtung
(erste Ausführung)
und einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung;
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2 zeigt
ein Schaltdiagramm der Drehmomenterfassungsvorrichtung (erste Ausführung);
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3 zeigt
ein Magnetostriktionskenndiagramm der Drehmomenterfassungsvorrichtung
(erste Ausführung);
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4 ist
eine typische Ansicht einer elektrischen Servolenkvorrichtung (erste
Ausführung);
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5 zeigt
die Gesamtstruktur der elektrischen Servolenkvorrichtung (erste
Ausführung);
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6 zeigt
einen Schnitt entlang Linie VI-VI in 5;
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7A bis 7F zeigen
eine Struktur einer Drehmomenterfassungsvorrichtung (zweite Ausführung) und
einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung;
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8 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung (zweite Ausführung);
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9 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung (dritte Ausführung);
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10 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung (vierte Ausführung);
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11A bis 11E zeigen
eine Struktur einer Drehmomenterfassungsvorrichtung (fünfte Ausführung) und
einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung;
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12 zeigt
ein Schaltdiagramm der Drehmomenterfassungsvorrichtung (fünfte Ausführung);
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13A bis 13C sind
Magnetostriktionskenndiagramme der Drehmomenterfassungsvorrichtung
(fünfte
Ausführung);
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14 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung (fünfte Ausführung);
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15A bis 15F zeigen
die Struktur einer Drehmomenterfassungsvorrichtung (sechste Ausführung) und
einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung;
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16 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung (sechste Ausführung);
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17 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung (siebte Ausführung);
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18 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung (achte Ausführung);
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19A bis 19C sind
Magnetostriktionskenndiagramme einer Drehmomenterfassungsvorrichtung
(Modifikation der fünften
Ausführung); und
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20 zeigt
eine herkömmliche
Drehmomenterfassungsvorrichtung.
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Die
folgenden Zeichnungen sind in Richtung ihrer Bezeichnungen zu betrachten.
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Zuerst
wird eine Drehmomenterfassungsvorrichtung und eine Servolenkvorrichtung,
an der die Drehmomenterfassungsvorrichtung angebracht ist, nach
einer ersten Ausführung
anhand der 1A bis 6 beschrieben.
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Die 1A bis 1E zeigen eine Struktur der Drehmomenterfassungsvorrichtung
nach der ersten Ausführung
und einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung.
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Eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 nach der in 1E gezeigten ersten Ausführung ist ein
Magnetostriktions-Drehmomentsensor. Ein Dauerspannungsabschnitt 23,
an dem eine mechanische Dauerspannung anliegt, um die Magnetostriktionscharakteristiken
entsprechend einem angelegten Drehmoment zu ändern, ist an einer zylindrischen Drehwelle 20 angeordnet.
Ein Erfassungsabschnitt 30 zur elektrischen Erfassung eines
Magnetostriktionseffekts, der in dem Dauerspannungsabschnitt 23 erzeugt
wird, ist um den Dauerspannungsabschnitt 23 herum angeordnet.
Das Erfassungssignal des Erfassungsabschnitts 30 wird von
einer Ausgabeschaltung 40 verarbeitet, um ein Drehmomenterfassungssignal
auszugeben.
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Die
Drehwelle 20 ist aus ferromagnetischem Material gebildet,
wie etwa einem Nickel-Chrom-Molybdän-Stahlprodukt (JIS-G-4103,
Mark; SNCM).
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In
der ersten Ausführung
ist die Drehwelle 20 mit einem Paar von Halteabschnitten 21 und 22 versehen,
die einen vorbestimmten Abstand in axialer Längsrichtung haben. Ferner ist
zwischen den Halteabschnitten 21 und 22 ein Dauerspannungsabschnitt 23 vorgesehen,
auf den durch Verdrehen der Halteabschnitte 21 und 22 eine
Dauerspannung ausgeübt wird.
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Der
Erfassungsabschnitt 30 umgibt den Dauerspannungsabschnitt 23 der
Drehwelle 20. Der Erfassungsabschnitt 30 enthält eine
zylindrische Wickelspule 31, durch die die Drehwelle 21 eingesetzt ist,
eine mehrlagige Solenoidwicklung 32 (nachfolgend "als Wicklung 32" bezeichnet), die
um die Wickelspule 31 herum gewickelt ist, sowie ein Gegenjoch 33 zur
magnetischen Abschirmung der Umgebung der Wicklung.
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Die
Wicklung 32 ist in dem Magnetkreis der Drehwelle 21 mit
einem sehr kleinen Spalt von der Außenumfangsfläche der
Drehwelle 20 angeordnet, um hierdurch die Impedanz entsprechend
der Permeabilitätsänderung
zu ändern,
wenn auf den Dauerspannungsabschnitt 23 ein Drehmoment
ausgeübt wird.
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Nachfolgend
wird der Prozess zum Herstellen des Dauerspannungsabschnitts 23 auf
der Drehwelle 20 und der Montage des Erfassungsabschnitts 30 anhand
der 1A bis 1E beschrieben.
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1B ist
eine Schnittansicht entlang Linie b-b von 1A. Wie
in den 1A und 1B gezeigt,
sind ein Paar von Halteabschnitten 21 und 22 jeweils
an zumindest einem Paar von zwei oder vier flachen Flächen angebracht,
die durch Abflachen der Außenumfangsflächen der
Drehwelle 20 ausgebildet sind. Um an der Drehwelle 20 den
Dauerspannungsabschnitt 23 herzustellen, werden Werkzeuge 51 und 52 an
die oberen und unteren Halteabschnitte 21 und 22 gehängt, um
die Drehwelle 20 um einen vorbestimmten Winkel zu verdrehen,
um hierdurch eine vorbestimmte Dauerspannung anzulegen.
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Beispielsweise
werden in 1A zwei geteilte (Halb-)Werkzeuge 51 und 52 zuerst
an den oberen und unteren Halteabschnitten 21 und 22 angelegt
und werden daran mit Bolzen 53 zusammengebaut. Das Werkzeug 51 ist
ein scheibenförmiges Element
mit rechten und linken Wekrzeughälften 51A und 51B,
die miteinander kombiniert sind. Das Werkzeug 52 ist ein
scheibenförmiges
Element, das durch Kombinieren der linken und rechten Werkzeughälften 52A und 52B erhalten
ist.
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Zum
leichteren Verständnis
des "Verdrehzustands" der Drehwelle 20 ist
auf der Oberfläche
der Drehwelle 20 eine Referenzlinie SL aufgezeichnet, die
sich in der axialen Längsrichtung
erstreckt. Da die Drehwelle 20 in 1A nicht
verdreht ist, ist die Referenzlinie SL eine gerade Linie. Dann wird,
wie in 1C gezeigt, ein Werkzeug 51 befestigt
und das andere Werkzeug 52 wird verdreht. Alternativ werden die
oberen und unteren Werkzeuge 51 und 52 in zueinander
entgegengesetzten Richtungen verdreht, um für eine vorbestimmte Zeit ein Überdrehmoment anzulegen
und die Drehwelle 20 plastisch zu verformen, um eine Dauerspannung anzulegen.
Hierbei beträgt
das Drehmoment z. B. angenähert
30 bis 40 kgf·m.
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Dann
wird das Drehmoment aufgehoben und die Werkzeuge 51 und 52 werden
von den oberen und unteren Halteabschnitten 21 und 22 entfernt.
Somit liegt die Dauerspannung zwischen den Halteabschnitten 21 und 22 und
der Drehwelle 20 an, wie in 1D gezeigt.
Ein Abschnitt der Drehwelle 20, an dem die Dauerspannung
anliegt, wirkt als der Dauerspannungsabschnitt 23. Da die
Drehwelle 20 in diesem Zustand verdreht ist, wird die Referenzlinie
SL spiralig.
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Danach
wird der Erfassungsabschnitt 30 an der Drehwelle 20 montiert,
die mit dem Dauerspannungsabschnitt 23 versehen ist, wie
in 1E gezeigt. Somit wird die Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 erhalten.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich, ist die erste Ausführung dadurch
gekennzeichnet, dass ein Paar von Halteabschnitten 21 und 22 an der
Drehwelle 20 mit vorbestimmtem Abstand in axialer Längsrichtung
vorgesehen ist, und durch Verdrehen der Halteabschnitte 21 und 22 ein
Dauerspannungsabschnitt 23 erzeugt wird, an dem die vorbestimmte
Dauerspannung anliegt.
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Die
Werkzeuge 51 und 52 oder Spanner können zuverlässig und
stabil an dem Paar von Halteabschnitten 21 und 22 aufgehängt werden.
Demzufolge ist es möglich,
eine vorbestimmte Dauerspannung akkurat und zuverlässig zwischen
den Halteabschnitten 21 und 22 in der Drehwelle 20 auszuüben, indem die
Werkzeuge 51 und 52 oder die Spanner um einen vorbestimmten
Winkel verdreht werden.
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2 ist
ein Schaltdiagramm, das die Drehmomenterfassungsvorrichtung nach
der ersten Ausführung
zeigt.
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In
dem Ausgabeschaltungsabschnitt 40 der Drehmomenterfassungsvorrichtung
wird eine Wechselstromspannung (nachfolgend als "AC-Spannung" bezeichnet) von einer Wechselstrom
(AC)-Spannungsquelle 43 an eine serielle Schaltung 42 angelegt,
in der die Wicklung 32 und ein Widerstand 41 mit einem
konstanten Widerstandswert in Serie geschlossen sind, und die Impedanzänderung
der Wicklung 32 wird in die AC-Spannung umgewandelt. Die
so umgewandelte Impedanzänderung
wird als das Erfassungssignal des Erfassungsabschnitts 30 aufgenommen,
und das Erfassungssignal mit der AC-Spannung wird durch eine Diode 44 gleichgerichtet
und wird dann durch einen Tiefpassfilter 45 in ein Erfassungssignal
mit weniger Rauschen und einer Gleichstromspannung (nachfolgend
als "DC-Spannung" bezeichnet) umgewandelt.
Das Erfassungssignal mit der DC-Spannung wird mit einem Verstärker 46 verstärkt, und
das so verstärkte
Signal wird als das Drehmomenterfassungssignal von einem Ausgabeanschluss 47 ausgegeben.
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Die
Diode 44 ist mit der Serienschaltung 42 zum Erhalt
einer Gleichrichterschaltung verbunden. Der Tiefpassfilter 45 ist
eine Glättungsschaltung
mit einem Widerstand 48 und einem Kondensator 49.
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3 zeigt
eine Magnetostriktionskennlinie der Drehmomenterfassungsvorrichtung
der ersten Ausführung,
worin die Abszissenachse eine Änderung
des an die Drehwelle angelegten Drehmoments T angibt und die Ordinatenachse
eine Impedanzänderung
der Wicklung angibt.
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In
der Magnetostriktionskennlinie SP ist die rechte Hälfte ab
dem Drehmomentursprung T1 (ein Punkt mit Drehmoment = 0) in der
Abszissenachse eine Charakteristik, die man erhält, wenn ein Drehmoment im
Uhrzeigersinn auf die Drehwelle 20 ausgeübt wird,
und die linke Hälfte
ab dem Drehmomentursprung T1 bezeichnet eine Charakteristik, die
man erhält,
wenn ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn auf die Drehwelle 20 ausgeübt wird,
und die linken und rechten Charakteristiken sind linear symmetrisch
zu einer vertikalen Linie, die durch den Drehmomentursprung T1 hindurchgeht.
Aus diesem Grund ist es unmöglich,
aus dem Absolutwert der Impedanz der Wicklung 32 zu entscheiden,
d. h. dem Absolutwert der Permeabilität der Drehwelle 20,
ob ein Drehmoment im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn ausgeübt wird.
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Daher
haben die Erfinder die Beziehung zwischen dem angelegten Drehmoment
und der Permeabilität
der magnetischen Drehwelle 20 untersucht. Im Ergebnis stellte
sich heraus, dass der Drehmomentursprung T1 der Drehwelle 20,
die für
die Drehmomenterfassungsvorrichtung zu verwenden ist, zu einem Drehmomentursprung
T2 (Drehmoment T ≠ 0) verschoben
werden kann, indem man die Drehwelle 20 verdreht, um eine
Dauerspannung anzulegen. Anders gesagt, der Drehmomentanlage-Ausgangspunkt ist
verschoben.
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Als
Folge der Anlage der Dauerspannung hat die Magnetostriktionskennlinie
SP eine derartige Charakteristik, dass die linken und rechten Charakteristiken
in Bezug auf eine vertikale Linie asymmetrisch sind, die durch den
Drehmomentursprung T2 hindurchgeht. Durch Verwendung linker und
rechter konstanter Bereiche A1 und A2 in der Magnetostriktionskennlinie
SP, bei der der Drehmomentursprung T2 als Referenz gesetzt ist,
kann daher die Richtung und der Betrag des Drehmoments aus dem Absolutwert
der Impedanz ermittelt werden.
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Wie
oben beschrieben, wird durch Verwendung der Drehwelle 20,
an der die akkurate Dauerspannung anliegt, die Permeabilität des Dauerspannungsabschnitts 23 entsprechend
dem bei Betrieb an die Drehwelle 20 angelegten Drehmoment
geändert, wie
in 2 gezeigt, und die Impedanzänderung in der Wicklung 32,
die zu dieser Zeit erzeugt wird, wird von dem Ausgabeschaltungsabschnitt 40 erfasst. Demzufolge ist
es möglich,
die Richtung und den Wert des Drehmoments akkurat zu erfassen.
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Es
folgt eine Beschreibung eines Beispiels, in der die Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 der ersten
Ausführung
an der elektrischen Servolenkvorrichtung angebracht ist.
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4 ist
eine typische Ansicht, die die elektrische Servolenkvorrichtung
nach der ersten Ausführung
zeigt.
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Eine
elektrische Servolenkvorrichtung 60 nach der ersten Ausführung umfasst
ein Lenksystem 70, das von einem Lenkrad 71 eines
Fahrzeugs zu Rädern
(Vorderrädern) 79 und 79 reicht,
sowie einen Hilfsdrehmomentmechanismus 80 zum Anlegen eines
Hilfsdrehmoments an das Lenksystem 70.
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In
dem Lenksystem 70 ist die Drehwelle 20 mit dem
Lenkrad 71 durch eine Lenkwelle 72 und Universalgelenke 73 und 73 gekoppelt,
und eine Zahnstange 76 ist mit der Drehwelle 20 durch
einen Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 75 gekoppelt. Ferner
sind linke und rechte Räder 79 und 79 mit
beiden Enden der Zahnstange 76 durch linke und rechte Spurstangen 77 und 77 und
Achsschenkel 78 und 78 gekoppelt.
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Der
Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 75 hat eine derartige
Struktur, dass eine an der Zahnstange 76 ausgebildete Verzahnung 76a mit
einem an der Drehwelle 20 ausgebildeten Ritzel 26 in
Eingriff steht.
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Wenn
ein Fahrer das Lenkrad 71 lenkt, können die linken und rechten
Räder 79 und 79 mit
dem Lenkdrehmoment durch den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 75 und
die linken und rechten Spurstangen 77 und 77 gelenkt
werden.
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In
dem Hilfsdrehmomentmechanismus 80 erfasst die Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 das
Lenkdrehmoment des Lenksystems 10, das auf das Lenkrad 71 ausgeübt wird.
Ein Steuermittel 81 erzeugt ein Steuersignal auf der Basis
eines Drehmomenterfassungssignals, und dann erzeugt ein Elektromotor 82 ein
Hilfsdrehmoment entsprechend dem Lenkdrehmoment auf der Basis des
Steuersignals. Das Hilfsdrehmoment wird auf den Zahnstangen- und
Ritzelmechanismus 75 des Lenksystems 70 durch
ein Untersetzergetriebe 84 und die Drehwelle 20 übertragen.
Dann können
die rechten und linken Räder 79 und 79 durch
den Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 75 und die rechten
und linken Spurstangen 77 und 77 gelenkt werden.
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Demzufolge
können
die Räder 79 und 79 mit einem
gemeinsamen Drehmoment gelenkt werden, das durch Addition des Hilfsdrehmoments
des Elektromotors 82 zu dem Lenkdrehmoment des Fahrers erhalten
ist.
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5 ist
eine Ansicht, die die Gesamtstruktur der elektrischen Servolenkvorrichtung
der ersten Ausführung
zeigt, wobei in dem Schnitt die linken und rechten Enden weggelassen
sind. 5 zeigt, dass die Zahnstange 76 der elektrischen
Servolenkvorrichtung 60 in axialer Richtung verschiebbar
in einem Gehäuse 91 aufgenommen
ist, das sich in der Breitenrichtung des Fahrzeugs (in Querrichtung
der Zeichnung) erstreckt.
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An
beiden Längsenden
der Zahnstange 76, die von dem Gehäuse 91 vorstehen,
sind die Spurstangen 77 und 77 durch Kugelgelenke 92 und 92 gekoppelt.
Die Bezugszahlen 93 und 93 bezeichnen Manschetten
zur Staubabdichtung.
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6 ist
eine Schnittansicht entlang Linie VI-VI in 5 und zeigt
die Längsschnittstruktur
der elektrischen Servolenkvorrichtung 60.
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Die
elektrische Servolenkvorrichtung 60 hat einen derartigen
Aufbau, dass die Drehmomenterfassungsvorrichtung 10, die
Drehwelle 20, der Zahnstangen- und Ritzelmechanismus 75 und
das Untersetzergetriebe 84 in dem Gehäuse 91 aufgenommen sind
und die obere Öffnung
des Gehäuses 91 durch einen
oberen Deckelabschnitt 94 verschlossen ist. Die Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 ist
an dem oberen Deckelabschnitt 94 angebracht.
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Das
Gehäuse 91 trägt drehbar
den oberen Abschnitt, den Längsmittelabschnitt
und das Unterende der Drehwelle 20, die sich vertikal durch
drei Lager 95 bis 97 erstreckt, hält den Elektromotor 82 und
enthält
eine Zahnstangenführung 100.
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Die
Drehwelle 20 ist eine Ritzelwelle, die durch das Universalgelenk 73 vom
Lenkrad 71 gedreht wird, wie in 4 gezeigt.
Insbesondere weist die Drehwelle 20 einen Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
einen Kerbverzahnungsabschnitt 25 auf zur Kupplung mit
dem Universalgelenk 73, das am Oberende (einem der Enden)
ausgebildet ist, wobei an ihrem Unterende (dem anderen Ende) ein
Ritzel 26 ausgebildet ist.
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Die
Zahnstangenführung 100 bewirkt,
dass ein Führungsabschnitt 101 die
Zahnstange 76 an der entgegengesetzten Seite der Verzahnung 76a abstützt und
auf den Führungsabschnitt 101 mit
einem Einstellbolzen 103 durch eine Druckfeder 102 drückt, um
hierdurch eine Vorlast an der Verzahnung 76a zu erzeugen
und die Verzahnung 76a gegen das Ritzel 26 zu
drücken.
Die Bezugszahl 104 bezeichnet eine Sperrmutter.
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Das
Untersetzergetriebe 84 ist ein Schneckengetriebe zur Übertragung
des im Elektromotor 82 erzeugten Hilfsdrehmoments auf die
Drehwelle 20, das ist ein Servomechanismus. Im Detail enthält das Untersetzergetriebe 84 eine
Schnecke 85, die an der Ausgangswelle 83 des Elektromotors 82 vorgesehen
ist, und ein Schneckenrad 86, das mit der Drehwelle 20 gekoppelt
ist und mit der Schnecke 85 in Eingriff steht. Das Schneckenrad 86 ist
durch Schrumpfpassung mit der Drehwelle 20 im Wesentlichen
integral gekoppelt.
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In
der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 111 eine Öldichtung, 112 bis 114 bezeichnen
einen Schnappring, 115 bezeichnet einen Abstandshaltler und 116 bezeichnet
einen O-Ring.
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Es
folgt nun eine Beschreibung einer anderen Ausführung der Drehmomenterfassungsvorrichtung
und der Servolenkvorrichtung, an der die Drehmomenterfassungsvorrichtung
angebracht ist. Gleiche Strukturen wie in der ersten Ausführung der 1 bis 6 sind mit
gleichen Bezugszahlen versehen und ihre Beschreibung ist weggelassen.
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Die 7A bis 7F sind
Ansichten, die die Struktur der Drehmomenterfassungsvorrichtung einer
zweiten Ausführung
und einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung
zeigen.
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Eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung 200 nach der in 7F gezeigten
zweiten Ausführung
ist ein Magnetostriktions-Drehmomentsensor. Ein Magnetostriktionsfilm 201 ist
auf der Oberfläche einer
Drehwelle 20 mit einer vorbestimmten Breite W über deren
Gesamtumfang angeordnet. Ein Erfassungsabschnitt 30 zum
elektrischen Erfassen eines in dem Magnetostriktionsfilm 201 erzeugten
magnetostriktiven Effekt umgibt den Magnetostriktionsfilm 201.
Ein Ausgabeabschnitt 40 verarbeitet das Erfassungssignal
des Erfassungsabschnitts 30 und gibt ihn als Drehmomenterfassungssignal
aus.
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Der
Magnetostriktionsfilm 201 umfasst eine plattierte Schicht
mit vorbestimmter Dicke, die zwischen einem Paar von Halteabschnitten 21 und 22 vorgesehen
ist. Die plattierte Schicht ist ein Film (oder eine Folie), in der
sich die Magnetostriktionscharakteristiken entsprechend dem angelegten Drehmoment ändert und
ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehen der Halteabschnitte 21 und 22 eine
mechanische Spannung angelegt wird.
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Der
Magnetostriktionsfilm 201 ist aus einem Material gebildet,
das eine starke Änderung
in der Magnetflussdichte entsprechend der mechanischen Spannungsänderung
erzeugt, z. B. ein Film auf Ni-Fe-Legierungsbasis, der auf der Außenumfangsfläche der
Drehwelle 20 durch ein Dampfplattierungsverfahren gebildet
ist. Der Legierungsfilm hat eine Dicke von z. B. angenähert 5 bis
20 μm.
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In
solchen Fällen,
in denen der Film auf Ni-Fi-Legierungsbasis zwischen angenähert 20 Gew.-%
Ni und angenähert
50 Gew.-% Ni enthält, steigt
die Magnetostriktionskonstante, sodass der Magnetostriktionseffekt
verbessert werden kann. Bevorzugt sollte ein Material verwendet
werden, das eine solche Ni-Gehaltsrate aufweist. Z. B. wird für den Film
auf Ni-Fe-Legierungsbasis
ein Material verwendet, das 50 bis 60 Gew.-% Ni und Fe als Rest
enthält.
Der Magnetostriktionsfilm 201 kann ein ferromagnetischer
Film oder ein Permalloy sein (angenähert 78 Gew.-% Ni, Rest Fe)
oder Supermalloy (78 Gew.-% Ni, 5 Gew.-% Mo, Rest Fe). Ni repräsentiert Nickel,
Fe repräsentiert
Eisen und Mo repräsentiert Molybdän.
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Wie
oben beschrieben, ist die Drehwelle 20 mit dem Magnetostriktionsfilm 201 versehen,
auf den eine mechanische Spannung ausgeübt wird. Wenn daher bei Betrieb
ein Drehmoment auf den Magnetostriktionsfilm 201 durch
die Drehwelle 20 ausgeübt wird, ändert sich
die Permeabilität
des Magnetostriktionsfilms 201 entsprechend dem Drehmoment. Dann
wird die Impedanzänderung
in der in 2 erzeugten Wicklung 32,
die zu dieser Zeit erzeugt wird, von dem Ausgabeschaltungsabschnitt 40 erfasst,
sodass die Richtung und der Wert des Drehmoments erfasst werden
können.
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Nun
wird anhand der 7A bis 7F ein Prozess
beschrieben, um den Magnetostriktionsfilm 201 mit mechanischer
Spannung an der Drehwelle 20 herzustellen, der die oben
erwähnte
Struktur hat, um den Erfassungsabschnitt 30 zusammenzubauen. 7B ist
eine Schnittansicht entlang Linie b-b von 7A.
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Da
der in den 7A bis 7C gezeigte Prozess
der gleiche wie der in den 1A bis 1C gezeigte
Prozess ist, wird die Beschreibung weggelassen. Jedoch sind ein
Drehmoment, das beim Verdrehen der Drehwelle 20 angelegt
wird, und eine Drehmomentanlagezeit kleiner als jene der ersten
Ausführung
und sind so, dass in der Drehwelle 20 selbst keine Dauerspannung
verbleibt. Insbesondere wird die Drehwelle 20 im elastischen
Bereich lose bzw. geringfügig
verdreht. Das Drehmoment beträgt z.
B. angenähert
3 bis 6 kgf·m.
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7D zeigt
einen Zustand, in dem die Drehwelle 20 verdreht ist. Da
die Drehwelle 20 in diesem Zustand verdreht ist, ist eine
Referenzlinie SL spiralig. In dem verdrehten Zustand wird dann auf
der Außenumfangsfläche der
Drehwelle 20 und in einer vorbestimmten Position zwischen
den Halteabschnitten 21 und 22 eine Plattierung
ausgeführt,
sodass der Magnetostriktionsfilm 201 gebildet wird, der
eine plattierte Schicht aufweist.
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Zum
leichteren Verständnis
von "Verdrehzustand" des Magnetostriktionsfilms 201 ist
auf der Oberfläche
des Magnetostriktionsfilms 201 eine Referenzlinie SL1 angegeben,
die sich in der axialen Längsrichtung
erstreckt. Da in 7D der Magnetostriktionsfilm 201 nicht
verdreht ist, ist die Referenzlinie SL1 in der axialen Längsrichtung
eine gerade Linie.
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Dann
wird das Drehmoment aufgehoben, um den Verdrehzustand der Drehwelle 20 wieder
herzustellen und die Werkzeuge 51 und 52 werden von den
oberen und unteren Halteabschnitten 21 und 22 entfernt.
Da die Drehwelle 20 in diesem Zustand nicht verdreht ist,
kehrt die Referenzlinie SL zu der in axialer Längsrichtung geraden Linie zurück, wie
in 7E gezeigt. Da ferner der Magnetostriktionsfilm 201 verdreht
ist, wird die Referenzlinie SL1 spiralig.
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Durch
Dauerverformung des Magnetostriktionsfilms 201, wie in 7E gezeigt,
unterliegt somit der Magnetostriktionsfilm 201 einer permanenten mechanischen
Spannung. Anders gesagt, die mechanische Spannung bleibt in dem
Magnetostriktionsfilm 201 dauerhaft, indem lediglich die
verdrehte Drehwelle 20 in ihren nicht verdrehten Zustand
zurückversetzt
wird.
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Dann
lässt sich
die Drehmomenterfassungsvorrichtung 200 erhalten, indem
man den Erfassungsabschnitt 30 an die mit dem Magnetostriktionsfilm 201 versehene
Drehwelle 20 montiert, wie in 7F gezeigt.
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Bei
der zweiten Ausführung
kann das die Drehwelle 20 Verdrehmoment so klein sein,
dass im Ergebnis auf den Magnetostriktionsfilm 201 eine
mechanische Spannung ausgeübt
wird. Das Drehmoment ist so, dass die Drehwelle 20 im elastischen
Bereich geringfügig
verdreht wird. Da es nicht notwendig ist, an die Halteabschnitte 21 und 22 ein Überdrehmomenet
anzulegen, kann daher, wie in der ersten Ausführung, das Drehmoment leichter
gehandhabt werden. Da ferner die Drehwelle 20 im elastischen
Bereich lose verdreht wird, kann das Gerät zum Anlegen eines Drehmoments
an die Halteabschnitte 21 und 22 eine einfache
und leichte Struktur haben.
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Da
ferner das Eingangsdrehmoment klein ist, können die Abmessungen der Halteabschnitte 21 und 22 der
Drehwelle 20 reduziert werden. Insbesondere ist es möglich, die
Abflachungen für
die Halteabschnitte 21 und 22 weniger tief zu
machen, wie in 7B gezeigt. Demzufolge kann der
Durchmesser der Drehwelle 20 vergrößert werden, sodass die Torsionssteifigkeit
der Drehwelle 20 noch weiter erhöht werden kann.
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Bei
dem Prozess der 7A bis 7F kann
die Dauerspannung an den Magnetostriktionsfilm 201 derart
angelegt werden, dass (1) die Halteabschnitte 21 und 22 der
Drehwelle 20 bzw. der dazwischenliegende Bereich der Plattierung
unterzogen werden bzw. wird, um den Magnetostriktionsfilm 201 zu
bilden, (2) dann die Werkzeuge 51 und 52 an die
Halteabschnitte 21 und 22 gehängt werden, um die Drehwelle 20 zu
verdrehen, und (3) der Magnetostriktionsfilm 201 plastisch
verformt wird, um eine vorbestimmte Dauerspannung auszuüben.
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Es
folgt nun eine Beschreibung eines Beispiels, in dem die Drehmomenterfassungsvorrichtung 200 mit
der oben beschriebenen Struktur und Funktion an einer elektrischen
Servolenkvorrichtung angebracht ist.
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8 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung nach der zweiten Ausführung entsprechend 6.
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Eine
elektrische Servolenkvorrichtung 260 der zweiten Ausführung ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetostriktionsfilm 201,
an den eine mechanische Spannung angelegt wird, in der Drehwelle 20 vorgesehen
ist. Die anderen Strukturen sind die gleichen wie die in den 4 bis 6 und
ihre Beschreibung wird weggelassen.
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9 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung einer dritten Ausführung entsprechend 6.
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Eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung 300 und eine elektrische
Servolenkvorrichtung 360, an der die Drehmomenterfassungsvorrichtung
nach der dritten Ausführung
angebracht ist, sind dadurch gekennzeichnet, dass (1) das Paar von
Halteabschnitten 21 und 22 nicht vorgesehen ist,
(2) ein Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
ein Kerbverzahnungskupplungsabschnitt 25 einer Drehwelle 20 auch
für den
Halteabschnitt 21 verwendet wird und (3) ein Ritzel 26 der
Drehwelle 20 auch für den
Halteabschnitt 22 verwendet wird, im Vergleich zur Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 und
der elektrischen Servolenkvorrichtung 60 nach der in den 1 bis 6 gezeigten
ersten Ausführung.
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Wie
oben beschrieben, ist die Drehwelle 20 an ihrem axialen
Längsmittelabschnitt
im Wesentlichen integral mit einem Schneckenrad 86 gekoppelt. Im
Ergebnis ist die Steifigkeit in dem Abschnitt der Drehwelle 20,
mit dem das Schneckenrad 86 gekoppelt ist, sehr groß.
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Ein
Werkzeug wird an den Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
den Kerbverzahnungsabschnitt 25 angehängt, und ein weiteres Werkzeug
wird an das Ritzel 26 angehängt. Wenn diese Werkzeuge gedreht
werden, um die Drehwelle 20 zu verdrehen, wird die Drehwelle 20 in
der axialen Längsrichtung
insgesamt nicht plastisch gleichmäßig verformt. Die Drehwelle 20 wird
plastisch verformt zwischen dem Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
dem Kerbverzahnungskupplungsabschnitt 25 und dem Kupplungsabschnitt
des Schneckenrads 86, das in einem Abschnitt, in dem die Querschnittsfläche in der
radialen Richtung angenähert
gleich ist. Demzufolge kann auch bei der dritten Ausführung der
Dauerspannungsabschnitt 23 die gleiche Magnetostriktionscharakteristik
erhalten wie in der in 6 gezeigten ersten Ausführung.
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Darüber hinaus
ist es nicht erforderlich, gesondert einen Halteabschnitt zum Anhängen eines Werkzeugs
oder eines Spanners an der zu verdrehenden Drehwelle 20 vorzusehen.
Demzufolge kann die Steifigkeit der Drehwelle 20 noch weiter
verbessert werden.
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10 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung einer vierten Ausführung entsprechend 8.
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Eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung 400 und eine elektrische
Servolenkvorrichtung 460, an der die Drehmomenterfassungsvorrichtung 400 angebracht
ist, nach der vierten Ausführung
sind dadurch gekennzeichnet, dass (1) ein Paar von Halteabschnitten 21 und 22 nicht
vorgesehen ist, (2) ein Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
ein Kerbverzahnungskupplungsabschnitt 25 einer Drehwelle 20 auch
für den
Halteabschnitt 21 benutzt wird und (3) ein Ritzel 26 der
Drehwelle 20 auch für
den Halteabschnitt 22 benutzt wird, im Vergleich zur Drehmomenterfassungsvorrichtung 200 und
der elektrischen Servolenkvorrichtung 260 nach der in den 7A bis 8 gezeigten
zweiten Ausführung.
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Auch
bei der vierten Ausführung
ist es, genauso wie in der dritten Ausführung, nicht notwendig, gesondert
einen Halteabschnitt zum Anhängen
eines Werkzeugs oder eines Spanners an der zu verdrehenden Drehwelle 20 vorzusehen.
Demzufolge kann die Steifigkeit der Drehwelle 20 noch weiter
verbessert werden.
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Die 11A bis 11E zeigen
die Struktur einer Drehmomenterfassungsvorrichtung einer fünften Ausführung und
einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung.
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Die
in 11E gezeigte Drehmomenterfassungsvorrichtung 500 der
fünften
Ausführung
ist ein Magnetostriktions-Drehmomentsensor. Eine Drehwelle 20 ist
mit einem ersten Dauerspannungsabschnitt 524 und einem
zweiten Dauerspannungsabschnitt 525 versehen, auf die eine
Dauerspannung ausgeübt
wird, und bei denen sich die Magnetostriktionscharakteristiken entsprechend
einem angelegten Drehmoment ändern.
Ein Erfassungsabschnitt 530 zum elektrischen Erfassen magnetostriktiver
Effekte, die in den ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitten 524 und 525 erzeugt
werden, umgibt die ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525.
Ein Ausgabeschaltungsabschnitt 540 verarbeitet das Erfassungssignal
der Erfassungsabschnitts 530 und gibt es als ein Drehmomenterfassungssignal
aus.
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Die
fünfte
Ausführung
ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Halteabschnitt 521,
ein zweiter Halteabschnitt 522 und ein dritter Halteabschnitt 523 aufeinanderfolgend
an der Drehwelle 20 mit vorbestimmtem Abstand in axialer
Längsrichtung angeordnet
sind, der erste Dauerspannungsabschnitt 524, auf den eine
Dauerspannung durch Verdrehen der ersten und zweiten Befestigungsabschnitte 521 und 522 anliegt
und der eine Magnetostrsiktionscharakteristik entsprechend einem
angelegten Drehmoment ändert,
zwischen den ersten und zweiten Halteabschnitten 521 und 522 vorgesehen ist,
und ein zweiter Dauerspannungsabschnitt 525, auf den eine
Dauerspannung durch Verdrehen der zweiten und dritten Halteabschnitte 522 und 523 in entgegengesetzte
Richtungen zu den ersten und zweiten Halteabschnitten 521 und 522 anliegt
und der die Magnetostriktionscharakteristik entsprechend einem angelegten
Drehmoment ändert,
zwischen den zweiten und dritten Halteabschnitten 522 und 523 vorgesehen
ist.
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Die
Richtung der Dauerspannung des zweiten Dauerspannungsabschnitts 525 ist
entgegengesetzt zur Richtung der Dauerspannung des ersten Dauerspannungsabschnitts 524.
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Der
Erfassungsabschnitt 530 umgibt die ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525 der
Drehwelle 20. Im Detail enthält der Erfassungsabschnitt 530 eine
zylindrische Wicklungsspule 531, in die die Drehwelle 20 eingesetzt
ist, eine erste mehrlagige Solenoidwicklung 532A und eine
zweite mehrlagige Solenoidwicklung 532B, die auf die Wicklungsspule 531 gewickelt
sind, und ein Gegenjoch 533 zur magnetischen Abschirmung,
das die ersten und zweiten mehrlagigen Solenoidwicklungen 532A und 532B umgibt.
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Nachfolgend
wird die erste mehrlagige Solenoidwicklung 532 als "erste Wicklung 532A" bezeichnet und die
zweite mehrlagige Solenoidwicklung 532B wird als "zweite Wicklung 532B" bezeichnet.
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Die
erste Wicklung 532A ist in dem Magnetkreis der Drehwelle 20 mit
einem sehr kleinen Spalt von der Außenumfangsfläche der
Drehwelle 20 vorgesehen, sodass eine Impedanz entsprechend
der Permeabilitätsänderung
variiert wird, die beim Anlegen eines Drehmoments an den ersten
Dauerspannungsabschnitt 524 entsteht.
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Die
zweite Wicklung 532B ist in dem Magnetkreis der Drehwelle 20 mit
einem sehr kleinen Spalt von der Außenumfangsfläche der
Drehwelle 20 vorgesehen, sodass eine Impedanz entsprechend
der Permeabilitätsänderung
geändert
wird, die beim Anlegen eines Drehmoments an den zweiten Dauerspannungsabschnitt 525 entsteht.
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Nun
wird der Prozess zur Herstellung der ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525 an
der Drehwelle 20 zur Montage des Erfassungsabschnitts 530 anhand
der 11A bis 11E beschrieben.
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11B ist eine Schnittansicht entlang Linie b-b
von 11A. Wie in den 11A und 11B gezeigt,
sind ein Paar erster, zweiter und dritter Befestigungsabschnitte 521 bis 523 an
zumindest einem Paar von zumindest drei oder vier Abflachungen vorgesehen,
die durch Abflachen von Außenumfangsflächen der
Drehwelle 20 gebildet sind. Um die ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525 an
der Drehwelle 20 vorzusehen, werden Werkzeuge 551 und 553 an
die oberen und unteren ersten, zweiten und dritten Halteabschnitte 521 bis 523 gehängt, um
die Drehwelle 20 um einen vorbestimmten Winkel zu verdrehen,
um hierdurch eine vorbestimmte Dauerspannung bzw. Dauerverspannung
anzulegen.
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In 11A werden z. B. zweigeteilte (Halb-)Werkzeuge 551 bis 553 zuerst
an die oberen und unteren Halteabschnitte 521 bis 523 angelegt und
daran mit Bolzen 554 zusammengebaut. Das Werkzeug 551 ist
ein scheibenförmiges
Element, das durch Kombination linker und rechter Werkzeughälften 551A und 551B erhalten
ist. Das Werkzeug 552 ist ein scheibenförmiges Element, das durch Kombination
linker und rechter Werkzeughälften 552A und 552B erhalte
ist. Das Werkzeug 553 ist ein scheibenförmiges Element, das durch Kombination
linker und rechter Werkzeughälften 553A und 553B erhalten
ist.
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Dann
werden in 11C die oberen und unteren Werkzeuge 551 und 553 befestigt,
und das mittlere Werkzeug 552 wird verdreht, oder die oberen und
unteren Werkzeuge 551 und 553 und das mittlere
Werkzeug 552 werden in einander entgegengesetzte Richtungen
verdreht, um hierdurch ein Überdrehmoment
für eine
vorbestimmte Zeit anzulegen und die Drehwelle 20 plastisch
zu verformen, um eine Dauerspannung anzulegen. Hierbei beträgt ein an das
mittlere Werkzeug 552 anzulegendes Drehmoment z. B. angenähert 60
bis 80 kgf·m.
Ein Drehmoment, das an die oberen und unteren Werkzeuge 551 und 553 anzulegen
ist, beträgt
z. B. angenähert
30 bis 40 kgf·m.
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Dann
wird das Drehmoment aufgehoben und die Werkzeuge 551 bis 553 werden
von den Halteabschnitten 521 bis 523 entfernt.
Somit kann eine Dauerspannung zwischen den ersten und zweiten Halteabschnitten 521 und 522 und
zwischen den zweiten und dritten Halteabschnitten 522 und 523 in
der Drehwelle 20 angelegt werden, wie in 11D gezeigt. Ein Abschnitt der Drehwelle 20,
auf den die Dauerspannung ausgeübt
wird, wirkt als der erste Dauerspannungsabschnitt 524 und
der zweite Dauerspannungsabschnitt 525.
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In
diesem Zustand sind Verdrehungen in entgegengesetzte Richtungen
zur axialen Längsrichtung
der Drehwelle 20 vorhanden, indem der zweite Halteabschnitt 522 als
Grenze gesetzt wird. Daher ist eine Referenzlinie SL in vertikaler
Gegenrichtung spiralig.
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Danach
wird der Erfassungsabschnitt 530 an der Drehwelle 20 montiert,
die mit den ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitten 524 und 525 versehen
ist, wie in 11E gezeigt. Somit lässt sich die
Drehmomenterfassungsvorrichtung 500 erhalten.
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12 ist
ein Schaltdiagramm, das die Drehmomenterfassungsvorrichtung nach
der fünften Ausführung zeigt.
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Der
Ausgabeschaltungsabschnitt 540 der Drehmomenterfassungsvorrichtung
der fünften
Ausführung
wird durch Kombination der zwei Sätze von Schaltungsabschnitten
(erster Schaltungsbschnitt 540A und zweiter Schaltungsabschnitt 540B)
und einem Verstärker 546 erhalten.
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In
dem ersten Schaltungsabschnitt 540A wird eine AC-Spannung
von einer Wechselstromversorgungsquelle 543A an eine serielle
Schaltung 542A angelegt, in der die erste Wicklung 532A und ein
Widerstand 541A mit konstantem Widerstandswert seriell
geschaltet sind. Dann wird die Impedanzänderung der ersten Wicklung 532A in
eine AC-Spannung umgewandelt, die als das erste Erfassungssignal
des Erfassungsabschnitts 530 abgenommen wird. Das abgenommene
Erfassungssignal mit der AC-Spannung
wird dann durch eine Diode 544A gleichgerichtet und wird
dann durch einen Tiefpassfilter 545A in ein Erfassungssignal
mit weniger Rauschen und einer DC-Spannung umgewandelt. Das umgewandelte Erfassungssignal
mit der DC-Spannung wird an einen Verstärker 546 ausgegeben.
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Der
zweite Schaltungsabschnitt 540B hat die gleiche Struktur
wie die des ersten Schaltungsabschnitts 540A. Eine AC-Spannung
wird von einer Wechselstromversorgungsquelle 543B einer
seriellen Schaltung 542B zugeführt, in der die zweite Wicklung 532B und
ein Widerstand 541B mit konstantem Widerstandswert in Serie
geschaltet sind, wobei die Impedanzänderung der zweiten Wicklung 532B in eine
AC-Spannung umgewandelt wird, die als das zweite Erfassungssignal
des Erfassungsabschnitts 530 abgenommen wird. Das abgenommene
Erfassungssignal mit der AC-Spannung wird durch eine Diode 544B gleichgerichtet
und wird dann durch einen Tiefpassfilter 5454B in ein Erfassungssignal
mit weniger Rauschen und DC-Spannung umgewandelt. Das umgewandelte
Erfassungssignal mit DC-Spannung wird dann an den Verstärker 546 ausgegeben.
-
Der
Verstärker 546 dient
zum Verstärken
(differenziellen Verstärken)
einer Differenz zwischen den Erfassungssignalen, die von dem ersten
Schaltungsabschnitt 540A und dem zweiten Schaltungsabschnitt 540B abgegeben
werden, um von einem Ausgangsanschluss 547 ein Drehmomenterfassungssignal
auszugeben.
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Die
Dioden 544A und 544B sind mit den seriellen Schaltungen 542A und 542B verbunden,
um eine Gleichrichterschaltung zu erhalten. Die Tiefpassfilter 545A und 545B sind
Glättungsschaltungen,
die einen Widerstand 548 und einen Kondensator 549 enthalten.
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Die 13A bis C sind Magnetostriktionskenndiagramme
der Drehmomenterfassungsvorrichtung der fünften Ausführung, worin die Abszissenachse
eine Änderung
des an die Drehwelle angelegten Drehmoments T angibt und die Ordinatenachse die
Impedanzänderung
der Wicklung entsprechend 3 angibt.
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13A ist ein Magnetostriktionskenndiagramm, das
eine erste Magnetostriktionskennlinie SP1 zeigt, 13B ist ein Magnetostriktionskenndiagramm, das
eine zweite Magnetostriktionskennlinie SP2 zeigt und 13C ist ein Magnetostriktionskenndiagramm, das
durch Synthese der 13A und 13B erhalten
ist.
-
Die
erste Magnetostriktionskennlinie SP1 entspricht der ersten Wicklung 532A und
ist mit der in 3 gezeigten Magnetostriktionskennlinie
SP identisch.
-
Ein
Drehmomentursprung T1 der Drehwelle 20, die für die Drehmomenterfassungsvorrichtung
zu verwenden ist, wird von einem Drehmomentursprung –T2 (Drehmoment
T ≠ 0) verschoben,
indem die Drehwelle 20 zum Anlegen einer Dauerspannung verdreht
wird. Im Ergebnis hat die erste Magnetostriktionskennlinie SP1 linke
und rechte Charakteristiken, die zu einer vertikalen Linie, die
durch den Drehmomentursprung –T2
hindurchgeht, asymmetrisch sind. Anders gesagt, der Drehmomentanlagestartpunkt
ist verschoben.
-
Ferner
entspricht die zweite Magnetostriktionskennlinie SP2 der zweiten
Wicklung 532B und hat eine Charakteristik, die seitlich
symmetrisch zu jener der ersten Magnetostriktionskennlinie SP1 in Bezug
auf eine vertikale Linie ist, die durch einen Drehmomentursprung
T2 hindurchgeht, d. h. eine umgekehrte Charakteristik, wie in 13C gezeigt.
-
Der
Drehmomentursprung T1 der Drehwelle 20, die für die Drehmomenterfassungsvorrichtung
zu verwenden ist, ist von dem Drehmomentursprung T2 (Drehmoment
T ≠ 0) gemäß 13B verschoben, indem die Drehwelle 20 in
Rückwärtsrichtung
zum Anlegen einer Dauerspannung verdreht wird. Im Ergebnis hat die
zweite Magnetostriktionskennlinie SP2 linke und rechte Charakteristiken,
die zu einer veritkalen Linie, die durch den Drehmomentursprung
T2 hindurchgeht, asymmetrisch sind. Anders gesagt, ein Drehmomentanlage-Ausgangspunkt
ist verschoben.
-
Wie
in 13C gezeigt, lässt
sich die Richtung und die Höhe
des Drehmoments aus dem Absolutwert der Impedanz herausfinden, indem
man linke und rechte konstante Bereiche A1 und A2 in den ersten
und zweiten Magnetostriktionskennlinien SP1 und SP2 verwendet, wobei
die Drehmomentursprünge –T2 und
T2 als Referenzen gesetzt sind.
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Darüber hinaus
wird in der fünften
Ausführung
eine Permeabilitätsänderung,
die in jedem der ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525 mit
zueinander entgegengesetzten Magnetostriktionscharakteristiken erzeugt
wird, durch jede der ersten und zweiten Wicklungen 532A und 532B erfasst,
und die Erfassungssignale werden durch den Verstärker 546 differenziell
verstärkt
und werden als Drehmomenterfassungssignale ausgegeben.
-
Bei
einer Temperaturänderung
der Außenumgebung ändert sich
die erste Magnetostriktionskennlinie SP1 in der gleichen Weise wie
die zweite Magnetostriktionskennlinie SP2. Im Falle eines Temperaturanstiegs ändern sie
sich z. B. so, wie mit der unterbrochenen Linie gezeigt. Wenn daher
jedes der Erfassungssignale entsprechend der ersten und zweiten
Magnetostriktionskennlinien SP1 und SP2 durch den Verstärker 536 differenziell
verstärkt
und eine Ausgabe abgenommen wird, ändert sich der Wert einer Differenz
bei einem bestimmten Drehmoment T auch dann nicht, wenn die Temperatur schwankt.
-
Damit
ist es möglich,
den Temperatureinfluss zu beseitigen und eine stabile Signalcharakteristik und
ein noch besseres Drehmomenterfassungssignal zu erhalten, das sich
auch dann nicht ändert, wenn
die Umgebungstemperatur schwankt.
-
Ferner
haben in der fünften
Ausführung
die ersten und zweiten Magnetostriktionskennlinien SP1 und SP2 Charakteristiken,
die seitlich symmetrisch zu vertikalen Linien sind, die durch die
Drehmomentursprünge –T2 und
T2 als Erfassungsreferenzen hindurchgehen. Daher ist es möglich, die
Fehlerdiagnose der Drehmomeneterfassungsvorrichtung 500 auszuführen, indem
man die zwei Magnetostriktionskennungen vergleicht. Z. b. ist 1/2
eines Werts, der durch Addieren von Erfassungswerten entsprechend der
ersten und zweiten Magnetostriktionskennlinien SP1 und SP2 erhalten
ist, konstant. Wenn daher ein Wert, der sich von dem oben erwähnten Wert
stark unterscheidet, erhalten wird, kann bestimmt werden, dass die
Drehmomenterfassungsvorrichtung 500 fehlerhaft ist.
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Zurück zu 12.
Unter Verwendung der Drehwelle 20, an der, wie oben beschrieben,
die Dauerspannung anliegt, wird der im ersten Dauerspannungsabschnitt 224 erzeugte
Magnetostriktionseffekt durch die erste Wicklung 532A erfasst,
und der in dem zweiten Dauerspannungsabschnitt 525 erzeugte
Magnetostriktionseffekt wird durch die zweite Wicklung 532B erfasst.
Demzufolge ist es möglich, die
Richtung und die Höhe
des bei Betrieb an die Drehwelle 20 angelegten Drehmoments
zu erfassen.
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Insbesondere
wird die Permeabilität
jedes der ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525 entsprechend
dem an die Drehwelle 20 angelegten Drehmoment geändert und
eine Impedanzänderung
in jeder der ersten und zweiten Wicklungen 532A und 532B,
die zu dieser Zeit erzeugt wird, wird durch den Ausgabeschaltungsabschnitt 540 erfasst.
Demzufolge ist es möglich,
die Richtung und den Wert des Drehmoments zu erfassen.
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14 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung nach der fünften Ausführung entsprechend 6.
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Eine
elektrische Servolenkvorrichtung 560 nach der fünften Ausführung ist
dadurch gekennzeichnet, dass an ihr die in den 11 bis 13 gezeigte Drehmomenterfassungsvorrichtung 500 angebracht
ist. Die anderen Strukturen sind die gleichen wie in den 4 bis 6 und
ihre Beschreibung wird weggelassen.
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Die 15A bis 15F sind
Ansichten, die die Struktur einer Drehmomenterfassungsvorrichtung
nach einer sechsten Ausführung
und einen Prozess zur Herstellung der Drehmomenterfassungsvorrichtung
zeigen.
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Eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung 600 der sechsten Ausführung, wie
in 15F gezeigt, ist ein Magnetostriktions-Drehmomentsensor. Ein
erster Magnetostriktionsfilm 601 und ein zweiter Magnetostriktionsfilm 602 sind
an der Oberfläche
einer Drehwelle 20 mit vorbestimmter Breite W über einen
Gesamtumfang vorgesehen. Ein Erfassungsabschnitt 530 zur
elektrischen Erfassung von in den ersten und zweiten Magnetostriktionsfilmen 601 und 602 erzeugter
magnetostriktiver Effekt umgibt die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602.
Ein Ausgabeschaltungsabschnitt 540 verarbeitet das Erfassungssignal
des Erfassungsabschnitts 530 und gibt es als ein Drehmomenterfassungssignal
aus.
-
Die
sechste Ausführung
ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Halteabschnitt 521,
ein zweiter Halteabschnitt 522 und ein dritter Halteabschnitt 523 aufeinanderfolgend
an der Drehwelle 20 mit vorbestimmtem Abstand in axialer
Längsrichtung vorgesehen
sind, wobei der erste Magnetostriktionsfilm 601 zwischen
dem ersten und dem zweiten Halteabschnitt 521 und 522 vorgesehen
ist und der zweite Magnetostriktionsfilm 602 zwischen dem
zweiten und dritten Halteabschnitt 522 und 523 vorgesehen ist.
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Der
erste Magnetostriktionsfilm 601 ändert die Magnetostriktionscharakteristiken
entsprechend dem angelegten Drehmoment, und durch Verdrehen der
ersten und zweiten Halteabschnitte 521 und 522 wird
auf ihn eine Spannung ausgeübt.
-
Der
zweite Magnetostriktionsfilm 602 ändert die Magnetostriktionscharakteristiken
entsprechend einem angelegten Drehmoment, und durch Verdrehen der
zweiten und dritten Halteabschnitte 522 und 523 in
einer zu den ersten und zweiten Halteabschnitten 521 und 522 entgegengesetzten
Richtung wird auf ihn eine Spannung ausgeübt.
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Die
ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 sind
aus einem Material gebildet, das eine starke Änderung der Magnetflussdichte
entsprechend einer Änderung
in der mechanischen Spannung zeigt, und sie weisen plattierte Schichten auf,
die aus dem gleichen Material wie der Magnetostriktionsfilm 201 der
ersten Ausführung
von 7 gebildet ist, und die vorbestimmte
Dicken aufweisen.
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Wie
oben beschrieben, ist die Drehwelle 20 mit ersten und zweiten
Magnetostriktionsfilmen 601 und 602 versehen,
auf die eine mechanische Spannung ausgeübt wird. Wenn daher durch die
Drehwelle 20 ein Drehmoment an die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 angelegt
wird, ändert
sich die Permeabilität
jedes der ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 entsprechend
dem Drehmoment, und die Impedanzänderung
jeder der ersten und zweiten Wicklungen 532A und 532B von 12,
die zu dieser Zeit erzeugt wird, wird von dem Ausgabeschaltungsabschnitt 540 erfasst,
sodass die Richtung und der Wert des Drehmoments erfasst werden
können.
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Nachfolgend
wird anhand der 15A bis 15F ein
Prozess beschrieben, um die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 mit
einer Spannung an der Drehwelle 20 vorzusehen, die wie oben
beschrieben aufgebaut ist, um den Erfassungsabschnitt 530 zusammenzubauen. 15B ist eine Schnittansicht entlang Linie b-b
von 15A.
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Da
der in den 15A bis 15C gezeigte Prozess
der gleiche ist wie der in den 11A bis 11C gezeigte Prozess, wird die Beschreibung weggelassen.
Ein Drehmoment, das beim Verdrehen der Drehwelle 20 ausgeübt wird,
und die Drehmomentanlage zeigt, sind kleiner als jene der fünften Ausführung, sodass
keine Dauerspannung an der Drehwelle 20 selbst verbleibt.
Hierbei beträgt
ein Drehmoment, das an das mittlere Werkzeug 552 anzulegen
ist, z. B. angenähert
6 bis 12 kgf·m.
Ein Drehmoment, das an die oberen und unteren Werkzeuge 551 und 552 anzulegen
ist, beträgt
z. B. angenähert
3 bis 6 kgf·m.
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15D zeigt einen Zustand, in dem die Drehwelle 20 verdreht
ist. In diesem Zustand sind Verdrehungen in entgegengesetzte Richtungen
zur axialen Längsrichtung
der Drehwelle 20 vorhanden, wobei der zweite Halteabschnitt 522 als
Grenze gesetzt ist. Daher ist eine Referenzlinie SL in vertikaler Gegenrichtung
spiralig.
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In
dem Verdrehzustand erfolgt dann eine Plattierung über die
Außenumfangsfläche der
Drehwelle 20 und an vorbestimmten Positionen zwischen den
ersten und zweiten Halteabschnitten 521 und 522 und
zwischen den zweiten und dritten Halteabschnitten 522 und 523,
sodass die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 gebildet
werden, die plattierte Schichten aufweisen.
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Zum
leichteren Verständnis
des "Verdrehzustands" der ersten und zweiten
Magnetostriktionsfilme 601 und 602 sind auf den
Oberflächen
der ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 Referenzlinien
SL01 und SL02 angegeben, die sich in der axialen Längsrichtung
erstrecken. Da die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 in 15D nicht verdreht sind, sind die Referenzlinien SL01
und SL02 in der axialen Längsrichtung
geradlinig.
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Dann
wird das Drehmoment aufgehoben, um den Verdrehzustand der Drehwelle 20 wieder
herzustellen, und die Werkzeuge 551 bis 553 werden
von den oberen und unteren Halteabschnitten 521 bis 523 entfernt.
Da die Drehwelle 20 in diesem Zustand nicht verdreht ist,
kehrt die Referenzlinie SL zu einer in axialer Längsrichtung geraden Linie zurück, wie
in 15E gezeigt. Da ferner die ersten und zweiten Magnetstriktionsfilme 601 und 602 verdreht
sind, werden die Referenzlinien SL01 und SL02 spiralig.
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Durch
permanente Verformung der ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602,
wie in 15E gezeigt, kann somit eine
mechanische Spannung dauerhaft an den ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 anliegt.
Anders gesagt, die mechanische Spannung verbleibt dauerhaft in den
ersten und zweiten Magnetostriktionsfilmen 601 und 602,
indem lediglich die verdrehte Drehwelle in ihren Ausgangszustand
zurückversetzt
wird.
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Dann
lässt sich
die Drehmomenterfassungsvorrichtung 600 erhalten, indem
man den Erfassungsabschnitt 530 an der Drehwelle 20 anbringt,
der mit den ersten und zweiten Magnetostriktionsfilmen 601 und 602 versehen
ist, wie in 15F gezeigt.
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Bei
dem Prozess der 15A bis 15F erfolgt
(1) die Plattierung zwischen den ersten und zweiten Halteabschnitten 521 und 522 und
zwischen den zweiten und dritten Halteabschnitten 522 und 523 in
der Drehwelle 20 zur Bildung der ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602,
und dann werden (2) die Werkzeuge 551 bis 553 an
die Halteabschnitte 521 bis 523 angehängt, um
die Drehwelle 20 zu verdrehen, und werden (3) die ersten
und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 plastisch
verformt, um eine vorbestimmte Dauerspannung anzulegen. Im Ergebnis
kann an die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 eine Dauerspannung
angelegt werden.
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Es
folgt nun eine Beschreibung eines Beispiels, in dem die Drehmomenterfassungsvorrichtung 600 mit
der oben beschriebenen Struktur und Funktion an einer elektrischen
Servolenkvorrichtung angebracht ist.
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16 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung der sechsten Ausführung entsprechend 6.
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Eine
elektrische Servolenkvorrichtung 660 nch der sechsten Ausführung ist
gekennzeichnet durch die Verwendung einer Drehwelle 20,
die mit den ersten und zweiten Magnetostriktionsfilmen 601 und 602 versehen
ist, auf die eine mechanische Spannung ausgeübt wird. Die anderen Strukturen sind
die gleichen wie in 14 und ihre Beschreibung wird
weggelassen.
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17 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung nach einer siebten Ausführung entsprechend 14.
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Eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung 700 und eine elektrische
Servolenkvorrichtung 760, an der die Drehmomenterfassungsvorrichtung 700 nach
der siebten Ausführung
angebracht ist, sind dadurch gekennzeichnet, dass (1) der erste
Halteabschnitt 621 und der dritte Halteabschnitt 523 nicht vorgesehen
sind, (2) ein Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
ein Kerbverzahnungskupplungsabschnitt 25 einer Drehwelle 20 als
erster Halteabschnitt 521 dient und (3) ein Ritzel 26 der
Drehwelle 20 als dritter Halteabschnitt 523 dient,
im Vergleich zur Drehmomenterfassungsvorrichtung 500 und
der elektrischen Servolenkvorrichtung 560 der fünften Ausführung, wie
in den 11A bis 14 gezeigt.
-
Wie
oben beschrieben, ist die Drehwelle 20 in ihrem axialen
Längsmittelabschnitt
im Wesentlichen integral mit einem Schneckenrad 86 gekoppelt. Im
Ergebnis ist die Steifigkeit in dem Abschnitt der Drehwelle 20,
an dem das Schneckenrad 86 angebracht ist, sehr groß.
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Ein
Werkzeug wird an den Längsverzahnungsabschnitt 25 oder
den Kerbverzahnungsabschnitt 25 angehängt und ein Werkzeug wird an
das Ritzel 26 und den zweiten Halteabschnitt 522 angehängt. Wenn
diese Werkzeuge gedreht werden, um die Drehwelle 20 zu
verdrehen, wird die Drehwelle 20 in der axialen Längsrichtung
insgesamt nicht plastisch gleichmäßig verformt.
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Insbesondere
wird die Drehwelle 20 zwischen dem Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
dem Kerbverzahnungskupplungsabschnitt 25 und dem zweiten
Halteabschnitt 522 sowie zwischen dem zweiten Halteabschnitt 522 und
dem Schneckenrad 86-Kupplungsabschnitt plastisch verformt,
d. h. in einem Abschnitt, in dem die Querschnittsfläche in radialer
Richtung angenähert
gleich ist. Demzufolge können
auch die ersten und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525 nach
der siebten Ausführung
die gleichen Magnetostriktionscharakteristiken erhalten wie jene
der in 14 gezeigten fünften Ausführung.
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Darüber hinaus
genügt
nur ein Halteabschnitt zum Anhängen
eines Werkzeugs oder eines Spanners an der zu verdrehenden Drehwelle 20.
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Demzufolge
kann die Steifigkeit der Drehwelle 20 noch weiter verbessert
werden.
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18 ist
eine Längsschnittansicht
einer elektrischen Servolenkvorrichtung einer achten Ausführung entsprechend 16.
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Eine
Drehmomenterfassungsvorrichtung 800 und eine elektrische
Servolenkvorrichtung 860, an der die Drehmomenterfassungsvorrichtung 800 der
achten Ausführung
angebracht ist, sind dadurch gekennzeichnet, dass (1) der erste
Halteabschnitt 521 und der dritte Halteabschnitt 623 nicht
vorgesehen sind, (2) ein Längsverzahnungskupplungsabschnitt 25 oder
ein Kerbverzahnungskupplungsabschnitt 25 einer Drehwelle 20 als
erster Halteabschnitt 521 dient und (3) ein Ritzel 26 der
Drehwelle 20 auch als der dritte Halteabschnitt 623 dient,
im Vergleich zur Drehmomenterfassungsvorrichtung 600 und
der elektrischen Servolenkvorrichtung 660 nach der sechsten
Ausführung
der 15A bis 16.
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Auch
in der achten Ausführung
genügt,
genauso wie in der siebten Ausführung,
nur ein Halteabschnitt zum Anhängen
eines Werkzeugs oder eines Spanners an die zu verdrehende Drehwelle 20. Demzufolge
kann die Steifigkeit der Drehwelle 20 noch weiter verbessert
werden.
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In
Bezug auf die fünfte
Ausführung
der 11A bis 14 und
die siebte Ausführung
der 17 kann (1) die Richtung der Dauerspannung des
zweiten Dauerspannungsabschnitts 525 mit der Richtung der
Dauerspannung des ersten Dauerspannungsabschnitts 524 in Übereinstimmung
gebracht werden und kann (2) der Betrag der Spannung des zweiten
Dauerspannungsabschnitts 525 unterschiedlich gemacht werden
von dem Betrag der Spannung des ersten Dauerspannungsabschnitts 524.
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In
Bezug auf die sechste Ausführung
der 15A bis 16 und
die achte Ausführung
von 18 kann (1) die Richtung der Spannung des zweiten
Magnetostriktionsfilms 602 mit der Richtung der Spannung
des ersten Magnetostriktionsfilms 601 in Übereinstimmung
gebracht werden und kann (2) der Betrag der Spannung des zweiten
Magnetostriktionsfilms 602 unterschiedlich gemacht werden
vom Betrag der Spannung des ersten Magnetostriktionsfilms 601.
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Anhand
der 11A bis 13 folgt
nun eine Beschreibung am Beispiel der fünften Ausführung, in der zwei Spannungen
in derselben Richtung anliegen.
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Z.
B. wird in 11C das obere Werkzeug 551 festgelegt,
und das mittlere Werkzeug 552 und das untere Werkzeug 553 werden
in der gleichen Richtung verdreht, um hierdurch ein Überdrehmoment
für eine
vorbestimmte Zeit anzulegen und die Drehwelle 20 plastisch
zu verformen, um eine Dauerspannung zu erzeugen. In diesem Fall
ist das Drehmoment, das an die zweiten und dritten Halteabschnitte 522 und 523 anzulegen
ist, unterschiedlich von dem Drehmoment, das an die ersten und zweiten Halteabschnitte 521 und 522 anzulegen
ist.
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Indem
man dann das Drehmoment aufhebt, kann in der in 11D gezeigten Drehwelle 20 (1) die Richtung
der Dauerspannung des zweiten Dauerspannungsabschnitts 525 mit
der Richtung der Dauerspannung des ersten Dauerspannungsabschnitts 524 in Übereinstimmung
gebracht werden und kann (2) der Betrag der Spannung des zweiten
Dauerspannungsabschnitts 525 unterschiedlich gemacht werden
vom Betrag der Spannung des ersten Dauerspannungsabschnitts 524 (z.
B kleiner als dieser).
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In
der axialen Längsrichtung
der Drehwelle 20 sind in diesem Zustand zwei Verdrehungen
in der gleichen Richtung vorhanden. Daher wird eine Referenzlinie
SL in derselben vertikalen Richtung spiralig.
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Bevorzugt
hat in diesem Fall das Schaltungsdiagramm nach der in 12 gezeigten
fünften
Ausführung
eine solche Struktur, dass nur das Erfassungssignal des ersten Schaltungsabschnitts 540A oder
das Erfassungssignal des zweiten Schaltungsabschnitts 540B in
den Verstärker 546 eingegeben wird
und durch den Verstärker 546 verstärkt wird,
und das so verstärkte
Signal als Drehmomenterfassungssignal ausgegeben wird.
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Die
Magnetostriktionscharakteristiken der ersten und zweiten Wicklungen 532A und 532B nach einer
Modifikation der fünften
Ausführung
sind in einem Magnetostriktionskenndiagramm der 19A bis 19C gezeigt,
anstatt des Magnetostriktionskenndiagramms von 13.
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Die 19A bis 19C sind
Magnetostriktionskenndiagramme einer Drehmomenterfassungsvorrichtung
nach einer Modifikation der fünften
Ausführung,
worin die Abszissenachse eine Änderung
im an eine Drehwelle angelegten Drehmoment T angibt und eine Ordinatenachse
eine Impedanzänderung der
Wicklung entsprechend 13 angibt.
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19A ist ein Magnetostriktionskenndiagramm, das
eine erste Magnetostriktionskennlinie SP1 zeigt, 19B ist ein Magnetostriktionskenndiagramm, das
eine zweite Magnetostriktionskennlinie SP2 zeigt und 19C ist ein Magnetostriktionskenndiagramm, das
durch Synthese der 19A und 19B erhalten
ist.
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Die
erste Magnetostriktionskennlinie SP1 entspricht der ersten Wicklung 532A und
ist mit der ersten Magnetostriktionskennlinie SP1 von 13 identisch, und der Drehmomentursprung
T1 ist zum Drehmomentursprung T2 verschoben.
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Ferner
entspricht die zweite Magnetostriktionskennlinie SP2 der zweiten
Wicklung 532B und hat die gleiche Form wie die erste Magnetostriktionskennlinie
SP1, und der Drehmomentursprung T1 ist zum Drehmomentursprung T3
verschoben (Drehmoment T ≠ 0).
Da der Betrag der Spannung des zweiten Dauerspannungsabschnitt 525 kleiner
festgelegt ist als der Betrag der Spannung des ersten Dauerspannungsabschnitts 524,
ist der Drehmomentursprung T3 zwischen dem Drehmomentursprung T1 und
dem Drehmomentursprung T2 angeordnet.
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Wie
in 19C gezeigt, lassen sich in den ersten und zweiten
Magnetostriktionskennlinien SP1 und SP2, mittels der linken und
rechten kontanten Bereiche A1 und A2 mit den Drehmomentursprüngen T2
und T3 als Referenz dementsprechend die Richtung und die Höhe des Drehmoments
aus dem Absolutwert der Impedanz herausfinden.
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Darüber hinaus
wird in der obigen Modifikation eine Permeabilitätsänderung, die in jeder der ersten
und zweiten Dauerspannungsabschnitte 524 und 525 erzeugt
wird, durch jede der ersten und zweiten Wicklungen 532A und 532B erfasst,
und eines der Erfassungssignale wird einem Verstärker 546 zugeführt und
wird durch den Verstärker 546 verstärkt und somit
als Drehmomenterfassungssignal ausgegeben.
-
In
der Modifikation ist es möglich,
die Fehlerdiagnose der Drehmomenterfassungsvorrichtung 500 auszuführen, indem
die Erfassungswerte entsprechend den zwei Magnetostriktionskennungen
in der gleichen Weise wie in der fünften Ausführung verglichen werden. Insbesondere
ist in der Modifikation eine Differenz zwischen den zwei Erfassungswerten entsprechend
den ersten und zweiten Magnetostriktionskennlinien SP1 und SP2 in
den linken und rechten konstanten Bereichen A1 und A2 konstant.
Wenn daher die zwei Erfassungswerte miteinander verglichen werden
und ein Wert erhalten wird, der sich von einer normalen Differenz
stark unterscheidet, lässt sich
bestimmen, dass die Drehmomenterfassungsvorrichtung 500 fehlerhaft
ist.
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In
der Ausführung
ist die Drehmomenterfassungsvorrichtung nicht auf die Anwendung
in der elektrischen Servolenkvorichtung beschränkt, sondern ist auch bei anderen
Vorrichtungen anwendbar.
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In
der Drehmomenterfassungsvorrichtung 600 der sechsten Ausführung der 15A bis 15F und
der Drehmomenterfassungsvorrichtung 800 der achten Ausführung von 18 können ferner Änderungen
(Zusammensetzungen) der Permeabilitäten der ersten und zweiten
Magnetostriktionsfilme 601 und 602 wechselweise
geändert
werden, um Magnetostriktionskennungen zu erhalten, deren Steigungen
voneinander verschieden sind. Beispielsweise erfolgt die Plattierung
mit einem vorbestimmten Drehmoment, das auf die Drehwelle 20 ausgeübt wird,
um hierdurch die ersten und zweiten Magnetostriktionsfilme 601 und 602 zu
bilden, die voneinander unterschiedliche Änderungen in den Permeabilitäten (Zusammensetzungen)
aufweisen.
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Als
Beispiel der voneinander unterschiedlichen Zusammensetzungen ist
der erste Magnetostriktionsfilm 601 ein Ni-Fe-Legierungsbasis-Film, der
50 Gewichts-% Ni enthält,
und der zweite Magnetostriktionsfilm 602 ist ein Ni-Fe-Legierungsbasisfilm, der
60 Gewichts-% Ni enthält.
-
Die
Magnetostriktionscharakteristiken, deren Steigungen in den ersten
und zweiten Magnetostriktionsfilmen 601 und 602 unterschiedlich
sind, können durch
die ersten und zweiten Erfassungswicklungen 532A und 532B erfasst
werden. Diese Erfassungssignale können durch den Verstärker 546 in 12 differenziell
verstärkt
werden, und die so verstärkten
Signale können
als Drehmomenterfassungssignale ausgegeben werden.
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Auch
in diesem Fall ist es möglich,
einen Temperatureinfluss zu beseitigen, um hierdurch eine stabile
Signalcharakteristik zu erhalten. Ferner ist es möglich, die
Fehlerdiagnose der Drehmomenterfassungsvorrichtungen 600 und 800 durch
Vergleich der zwei Magnetostriktionskennungen auszuführen.
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In
einer Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 ist an einer Drehwelle 20 ein
Paar von Halteabschnitten 21, 22 mit vorbestimmtem
Abstand in der axialen Längsrichtung
vorgesehen. Ein Dauerspannungsabschnitt 23, der zwischen
den Halteabschnitten 21, 22 vorgesehen ist, ändert seine
Magnetostriktionscharakteristik entsprechend einem angelegten Drehmoment.
Eine mehrlagige Solenoidwicklung 30 zum elektrischen Erfassen
eines magnetostriktiven Effekts, der in dem Dauerspannungsabschnitt
erzeugt wird, umgibt den Dauerspannungsabschnitt. Der Dauerspannungsabschnitt 23 ist
ein Abschnitt der Drehwelle 20, der durch Verdrehen der
Halteabschnitte 21, 22 dauerhaft verspannt ist.