DE10306029A1

DE10306029A1 - Drehmomentsensor und motorisch angetriebene Servolenkungsvorrichtung, für die dieser verwendet wird

Info

Publication number: DE10306029A1
Application number: DE10306029A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hitachi Matsumoto; Masamichi Hitachinaka Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-02-26
Also published as: US20040016305A1; US20040159488A1; JP2004061149A

Abstract

Ein Drehmomentsensor umfaßt eine Eingangs- und eine Ausgangsachse, die über einen Drehstab gekoppelt sind, an der Eingangs- und der Ausgangsachse angebrachte magnetische Medien mit in einem vorgegebenen Abstand magnetisierten Magnetspuren und gegenüber den magnetischen Medien zugeordnete magnetische Erfassungselemente, die empfindlich auf die Magnetspuren reagieren. Auf jedem der auf der Eingangs- und der Ausgangsachse angebrachten magnetischen Medien sind zur Erfassung des Drehmoments mindestens zwei Magnetspuren mit einer magnetischen Phasendifferenz ausgebildet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor zur Erfassung des auf eine Eingangsachse (erste Achse) und eine Ausgangsachse (zweite Achse), die durch einen Drehstab verbunden sind, einwirkenden Drehmoments und insbesondere einen zur Erfassung des beispielsweise Lenkdrehmoments bei einer Servolenkung geeigneten Drehmomentsensor.
Bisher sind als Drehmomentsensoren dieser Art in der JP-A-3-204374 eine Vorrichtung, bei der zur Erfassung des auf eine Eingangsachse (erste Achse) und eine Ausgangsachse (zweite Achse) einwirkenden Drehmoments ein magnetisches Codiersystem verwendet wird, und in der JP-A-2001-324394 eine Drehmomenterfassungsvorrichtung mit auf der Eingangs- und auf der Ausgangsachse angeordneten magnetischen Vorsprüngen offenbart, die das auf die Eingangs- und die Ausgangsachse einwirkende Drehmoment unter Verwendung einer Differenz zwischen den Ausgängen magnetischer Sensoren erfaßt, die auf die magnetischen Vorsprünge reagieren. Diese Drehmomenterfassungsvorrichtungen dienen der Erfassung des auf die Eingangs- und die Ausgangsachse einwirkenden Drehmoments auf der Grundlage eines in einem Drehstab erzeugten Drehwinkels.
Das Prinzip der Drehmomenterfassung unter Verwendung des in der JP-A-3-204374 und dergleichen offenbarten herkömmlichen magnetischen Codiersystems wird nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben.
Bei einer Drehmomenterfassungsvorrichtung dieser Art sind zwei Drehachsen mittels eines Drehstabs so gekoppelt, daß durch das auf die beiden Drehachsen einwirkende Drehmoment eine Verwindung in dem Drehstab erzeugt wird. Der Drehwinkel des Drehstabs kann durch Erfassen magnetischer Signale festgestellt werden, die auf durch die Drehachsen gehaltenen magnetischen Trommeln 25 (einem magnetischen Medium) aufgezeichnet werden, und das Drehmoment kann anhand des Drehwinkels berechnet werden.
Wie in 2 gezeigt, werden die äußeren Umfänge der magnetischen Trommeln 25 wiederholt mit N- und S-Polen in einem Magnetisierungsabstand λ magnetisiert. 2 zeigt nur eine der beiden magnetischen Trommeln. Den magnetischen Trommeln 25 gegenüber ist ein Substrat 22 angeordnet, und MR-Elemente (magnetfeldabhängige Widerstandselemente) 23 und 24 sind einem Abstand von λ/4 auf dem Substrat angeordnet. Wenn ein Drehmoment auf die beiden Drehachsen (die Eingangs- und die Ausgangsachse) einwirkt, werden die beiden Drehachsen gedreht, wodurch eine Verwindung des Drehstabs, über den die beiden Drehachsen gekoppelt sind, (eine Differenz zwischen den Drehwinkeln der Drehachsen) auftritt, die der Größe des zu diesem Zeitpunkt erzeugten Drehmoments entspricht.
Wie in 3 gezeigt, wird der Ausgang des MR-Elements 23 entsprechend dem Drehwinkel wie eine Sinuswelle verändert. Ferner wird auch der Ausgang des MR-Elements 24 mit einer Phasendifferenz von 90° (λ/4) in bezug auf den Ausgang des MR-Elements 23 wie eine Sinuswelle verändert. Die Drehwinkel der jeweiligen magnetischen Trommeln 25 können durch Berechnen des Arkustangens der Ausgangssignale der MR-Elemente 23 und 24 ermittelt werden. Überdies wird die Differenz zwischen den jeweiligen Drehwinkeln berechnet, um so den Betrag der Verwindung des Drehstabs zu ermit teln, so daß das Drehmoment anhand des Betrags der Verwindung berechnet werden kann.
Bei einem derartigen Drehmomentsensor muß der Magnetisierungsabstand λ größer als der maximale Drehwinkel des Drehstabs eingestellt werden. Dementsprechend wird der Magnetisierungsabstand λ im wesentlichen größer eingestellt. Dadurch wird der Magnetisierungsabschnitt stark von der Rundung (Krümmung) und der Ungleichmäßigkeit der Magnetisierung der magnetischen Trommeln 25 beeinflußt, wodurch die Ausgänge der in 3 gezeigten MR-Elemente 23 und 24 von der Sinuswelle abweichen und verdreht sind. Dementsprechend sind die berechneten Ergebnisse für die anhand der MR-Elemente 23 und 24 berechneten Drehwinkel, wie in 4 gezeigt, stark nicht linear. Ferner werden die Ausgänge der MR-Elemente aufgrund des Einflusses der Ungleichmäßigkeit der Magnetisierung der magnetischen Trommeln auch abhängig von der Drehstellung der magnetischen Trommeln 25 verändert. Da der Magnetisierungsabstand λ groß ist, ist überdies auch der Abstand zwischen den MR-Elementen 23 und 24 groß, wodurch auch das Substrat 22, auf dem die MR-Elemente 23 und 24 montiert sind, groß ist.
Andererseits ist es bei dem in der JP-A-2001-324394 offenbarten Drehmomentsensor erforderlich, wiederholt teilweise spiralförmige Vorsprünge auf dem Drehkörper zu erzeugen, da der Drehwinkel des Drehstabs magnetisch erfaßt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Drehmomentsensors, durch den die Genauigkeit der Erfassung des Drehmoments (die Genauigkeit der Erfassung des Drehwinkels) mittels eines im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich einfa cheren Aufbaus gesteigert werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Drehmomentsensor zu schaffen, der zusätzlich zu dem Drehwinkel auch die Drehstellung einer Drehachse erfassen kann.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgaben ist die vorliegende Erfindung wie folgt aufgebaut:

(1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Drehmomentsensor mit magnetischen Medien, die jeweils an einer Eingangsachse (ersten Achse) und an einer Ausgangsachse (zweiten Achse) angebracht sind, die durch einen Drehstab gekoppelt sind, und jeweils Magnetspuren aufweisen, die in einem vorgegebenen Abstand magnetisiert sind, und magnetischen Erfassungselementen, die den magnetischen Medien gegenüber angeordnet sind und empfindlich auf die Magnetspuren reagieren, wodurch das Drehmoment auf der Grundlage der Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente erfaßt wird, mindestens zwei Magnetspuren zur Erfassung des Drehmoments, die auf jedem der mit einer magnetischen Phasendifferenz an der Eingangs- und der Ausgangsachse angebrachten magnetischen Medien ausgebildet sind.
Vorzugsweise sind zusätzlich zu den mindestens zwei Magnetspuren mit der magnetischen Phasendifferenz Magnetspuren zur Identifikation jeder beliebigen Anzahl von Perioden eines magnetischen Musters auf den mindestens zwei Magnetspuren vorgesehen.
(2) Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt der Drehmomentsensor eine erste und eine zweite Achse, die durch einen Drehstab gekoppelt sind, wobei mindestens eine oder mehrere bewegliche Spulen zusammen mit der ersten bzw. der zweiten Achse rotieren, die der Erzeugung einer elektromagnetischen Induktion durch ein zur ersten oder zweiten Achse senkrechtes Magnetfeld dienen, und mindestens eine oder mehrere feste Spulen, die der Erzeugung einer elektromagnetischen Induktion durch ein zur ersten oder zweite Achse senkrechtes Magnetfeld dienen, in bezug auf die erste oder zweite Achse fest montiert sind.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das das Prinzip eines herkömmlichen Drehmomentsensors eines magnetischen Codiersystems erläutert;
3 ist eine Zeitübersicht, die die Ausgänge der gemäß 2 verwendeten MR-Elemente 23 und 24 zeigt;
4 ist ein Ausgangskennliniendiagramm des herkömmlichen Drehmomentsensors;
5 ist eine Schnittansicht des Drehmomentsensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt Magnetmuster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt die Anordnung der auf einem Substrat 16 vorgesehenen magnetischen Erfassungselemente gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt die Anordnung der auf einem Substrat 19 vorgesehenen magnetischen Erfassungselemente;
9 ist ein Diagramm, das die Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein schematisches Diagramm, das eine Signalverarbeitungsschaltung des Drehmomentsensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ist ein schematisches Diagramm, das einen Einstellmechanismus für den Spalt zwischen den Magnetspuren und den magnetischen Erfassungselementen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 zeigt die magnetischen Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 bei einem ersten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein schematisches Diagramm, das eine Signalverarbeitungsschaltung des modifizierten Beispiels gemäß 12 darstellt;
14 zeigt die magnetischen Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 bei einem zweiten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 zeigt die magnetischen Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 bei einem dritten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt die Anordnung der auf dem Substrat 16 vorgesehenen magnetischen Erfassungselemente bei dem dritten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ist ein Diagramm, das die Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32, 33, 66 und 67 gemäß dem dritten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 zeigt magnetische Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 gemäß einem vierten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 zeigt die Anordnung der auf dem Substrat 16 vorgesehenen magnetischen Erfassungselemente gemäß dem vierten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
20 ist ein Diagramm, das die Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 gemäß dem vierten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
21 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Drehmomentsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
22 zeigt die Anordnung einer beweglichen Spule 69 und fester Spulen 70 und 71 des Drehmomentsensors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
23 ist ein schematisches Diagramm, das eine Signalverarbeitungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
24 ist eine Zeitübersicht, die die Funktionsweise des Drehmomentsensors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
25 zeigt die Ausgänge der festen Spulen 70 und 71, die gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden; und
26 ist ein schematisches Diagramm, das ein motorisch angetriebenes Servolenkungssystem darstellt, für das der erfindungsgemäße Drehmomentsensor verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 1, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11 wird zunächst ein Drehmomentsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht des Drehmomentsensors gemäß der ersten Ausführungsform, und 5 ist eine Schnittansicht desselben. Als Drehmomentsensor gemäß der Ausführungsform ist beispielhaft ein Sensor des Magnetcodierungstyps gezeigt, der das auf eine Drehachse (Lenkachse) eines Lenkrads eines Fahrzeugs einwirkende Drehmoment erfaßt.
Die mit dem Lenkrad verbundene Drehachse (Eingangsachse oder erste Achse) 1 und die mit den Rädern verbundene Drehachse (Ausgangsachse oder zweite Achse) sind über einen Drehstab 7 verbunden. Der Drehstab 7 ist entsprechend dem durch das Lenkrad auf die Drehachsen 1 und 15 einwirkenden Drehmoment verwunden.
Von der Drehachse 1 wird ein zylindrisches, magnetisches Medium (eine magnetische Trommel) gehalten und zusammen mit der Drehachse 1 gedreht. Die Oberfläche der magnetischen Trommel 2 wird magnetisiert, um so Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 zu erzeugen.
Eine magnetische Trommel 8 wird von der Drehachse 15 gehalten und zusammen mit der Drehachse 15 gedreht. Die Oberfläche der magnetischen Trommel 8 wird magnetisiert, um so Magnetspuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 zu erzeugen.
Gegenüber der magnetischen Trommel 2 ist ein Substrat 16 angeordnet. Auf dem Substrat 16 sind in zwei Reihen mehrere den Magnetspuren 3 bis 6 entsprechende magnetische Erfassungselemente 30 bis 33 sowie magnetische Schreibköpfe 34 bis 37 für eine Magnetisierung zur Erzeugung der Magnetspuren 3 bis 6 angeordnet. Der Spalt zwischen dem Substrat 16 und der magnetischen Trommel 2 kann durch fest auf dem Substrat 16 montierte piezoelektrische Elemente 17 und 18 eingestellt werden.
Gegenüber der magnetischen Trommel 8 ist ein Substrat 9 angeordnet. Auf dem Substrat 19 sind in zwei Reihen mehrere den Magnetspuren 9 bis 14 entsprechende magnetische Erfassungselemente 38 bis 43 sowie magnetische Schreibköpfe 44 bis 49 für eine Magnetisierung zur Erzeugung der Magnetspuren 9 bis 14 angeordnet. Der Spalt zwischen dem Substrat 19 und der magnetischen Trommel 8 kann durch fest auf dem Substrat 19 montierte piezoelektrische Elemente 20 und 21 eingestellt werden.
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf 6 die magnetischen Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 auf der magnetischen Trommel 2 beschrieben. Die Magnetspur 3 weist ein magnetisches Muster auf, bei dem (der Pol) N und (der Pol) S in einem Magnetisierungsabstand λ magnetisiert werden. Die Magnetspur 4 weist ein magnetisches Muster auf, bei dem N und S mit einem Magnetisierungsabstand λ magnetisiert werden, das dem der Magnetspur 3 entspricht und in bezug auf die Magnetspur 3 eine Phasendifferenz von λ/4 (90°) aufweist.
Die Magnetspur 5 weist ein magnetisches Muster auf, bei dem N und S in einem Magnetisierungsabstand von 2λ magnetisiert sind. Die Magnetspur 6 weist ein magnetisches Muster auf, bei dem N und S in einem Magnetisierungsabstand von 4λ magnetisiert sind.
Die magnetischen Muster der Magnetspuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 auf der magnetischen Trommel 8 sind nicht dargestellt, sie sind jedoch wie folgt:
Die Magnetspur 9 weist das gleiche magnetische Muster wie die Magnetspur 3 auf. Die Magnetspur 10 weist das gleiche magnetische Muster wie die Magnetspur 4 auf. Die Magnetspur 11 weist das gleiche magnetische Muster wie die Magnetspur 5 auf. Die Magnetspur 12 weist das gleiche magnetische Muster wie die Magnetspur 6 auf. Die Magnetspur 13 weist ein magnetisches Muster auf, bei dem N und S in einem Magnetisierungsabstand von 8λ abwechselnd magnetisiert sind. Die Magnetspur 14 hat ein magnetisches Muster, bei dem N und S in einem Magnetisierungsabstand von 16λ abwechselnd magnetisiert sind.
7 zeigt den Aufbau der magnetischen Erfassungselemente 30 bis 33 und der magnetischen Schreibköpfe 34 bis 37, die auf dem Substrat 16 angeordnet sind.
Die magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 sind zur Erfassung des Magnetismus der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 den Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 gegenüber angeordnet. Als magnetische Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 können Hallelemente, MR-Elemente (magnetfeldabhängige Widerstandselemente), GMR-Elemente (magnetfeldabhängige Riesenwiderstandselemente) und dergleichen verwendet werden.
Wenn magnetische Erfassungselemente eines Typs verwendet werden, der nicht empfindlich auf den magnetischen Pol reagiert und einen nur entsprechend der Größe des Magnetismus veränderten Ausgang erzeugt, sind die Phasen der Magnetspuren 4 und 10 in Bezug auf die Magnetspuren 3 und 9 auf λ/8 eingestellt.
Bei der Ausführungsform sind die magnetischen Schreibköpfe 34, 35, 36 und 37 parallel zu den magnetischen Erfassungselementen 30 bis 33 angeordnet, und die Magnetspuren 3, 4, 5, und 6 werden jeweils von den magnetischen Schreibköpfen 34, 35, 36 und 37 auf die magnetische Trommel 2 geschrieben. Auf diese Weise kann die Phasenverschiebung zwischen den Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 und den magnetischen Erfassungselementen 30, 31, 32 und 33 eliminiert werden.
Wenn die magnetischen Schreibköpfe 34, 35, 36 und 37 und die magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 voneinander getrennt montiert bzw. angeordnet sind, kann eine Phasenverschiebung zwischen den Magnetspuren 3, 4, 5, und 6 und den magnetischen Erfassungselementen 30, 31, 32 und 33 auftreten, und ein Erfassungsfehler kann auftreten, wenn die magnetischen Schreibköpfe 34, 35, 36 und 37 zur Magnetisierung der Magnetspuren 3, 4, 5, und 6 nach rechts geneigt sind und die magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 beispielsweise schräg nah links gerichtet montiert sind. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 und die magnetischen Schreibköpfe 34, 35, 36 und 37 auf dem gleichen Substrat montiert werden. 8 zeigt die Anordnung auf dem gleichen Substrat angeordneter magnetischer Erfassungselemente 38 bis 43 und magnetischer Schreibköpfe 44 bis 49.
Die magnetischen Erfassungselemente 38, 39, 40, 41, 42 und 43 zur Erfassung des Magnetismus der Magnetspuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 sind gegenüber den Magnetspuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 angeordnet. Ähnlich wie bei dem Substrat 16 sind die magnetischen Schreibköpfe 44, 45, 46, 47, 48 und 49 zur Magnetisierung der Magnetspuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 auf der magnetischen Trommel 8 so auf dem Substrat 19 angeordnet, daß die Magnetspuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 auf der magnetischen Trommel 8 von den magnetischen Schreibköpfen 44, 45, 46, 47, 48 und 49 beschrieben werden. Auf diese Weise wird die Phasenverschiebung zwischen den Magnetspuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 und den magnetischen Erfassungselementen 38, 39, 40, 41, 42 und 43 eliminiert. Ferner kann das Schreiben auf den magnetischen Spuren 3, 4, 5 und 6 gleichzeitig mit dem Schreiben auf den magnetischen Spuren 9, 10, 11, 12, 13 und 14 erfolgen, so daß die Anordnung der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32, und 33 in Bezug auf die Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 verhältnismäßig identisch zur Anordnung der magnetischen Erfassungselemente 38, 39, 40, 41, 42 und 43 in Bezug auf die Magnetspuren 9, 10, 11, 12 13 und 14 eingestellt werden kann. Dies trägt, wie später beschrieben, zu einer Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit des Drehmoments bei.
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf 9 die Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 beschrieben.
Wenn die magnetische Trommel 2 gedreht wird, wird der Ausgang des magnetischen Erfassungselements 30, wie in 9 gezeigt, wie eine Sinuswelle verändert. Der Ausgang des magnetischen Erfassungselements 31 wird mit einer Phasendifferenz von 90° bei einem elektrischen Winkel in Bezug auf den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 31 wie eine Sinuswelle verändert.
Der Ausgang des magnetischen Erfassungselements 32 hat eine Periode, die dem Doppelten des Ausgangs des magnetischen Erfassungselements 30 entspricht, und wird wie eine Quadratwelle verändert. Die ausgegebene Quadratwelle wird durch Steigern des Schreibmagnetfelds der Magnetspur 5 oder Steigern der Empfindlichkeit des magnetischen Erfassungselements 32 bis zu dem Grad erhalten, daß die Empfindlichkeit des magnetischen Erfassungselements gesättigt ist.
Das magnetische Erfassungselement 33 hat eine Periode, die dem Vierfachen des Ausgangs des magnetischen Erfassungselements 30 entspricht, und seine Ausgangsschwingungsform ist ähnlich quadratisch.
Andererseits erzeugt das magnetische Erfassungselement 38, obwohl es nicht dargestellt ist, entsprechend der Drehung der magnetischen Trommel 8 einen Ausgang mit der gleichen Schwingungsform wie das magnetische Erfassungselement 30. Das magnetische Erfassungselement 39 erzeugt die gleiche Schwingungsform wie das magnetische Erfassungselement 31, das magnetische Erfassungselement 40 erzeugt die gleiche Schwingungsform wie das magnetische Erfassungselement 32, das magnetische Erfassungselement 41 erzeugt die gleiche Schwingungsform wie das magnetische Erfassungselement 33, das magnetische Erfassungselement 42 erzeugt eine Quadratwelle mit einer Periode, die dem Achtfachen des magnetischen Erfassungselements 38 entspricht, und das magnetische Erfassungselement 43 erzeugt eine Quadratwelle mit einer Periode, die dem sechzehnfachen des magnetischen Erfassungselements 38 entspricht.
Die Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente 32 und 33 sind binäre Signale zur Identifikation von vier Perioden der Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente 30 und 31. Genauer können die binären Signale „1, 1", „0, 1", „1, 0" und „0, 0" der magnetischen Erfassungselemente 32 und 33 vier Perioden der Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente 30 und 31 identifizieren. Anders ausgedrückt dienen die in 6 gezeigten magnetischen Muster der Magnetspuren 5 und 6 der Identifikation von vier Abständen (4λ) des Magnetisierungsabstands λ der Magnetspuren 3 und 4. Ferner sind die Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente 40 und 41 binäre Signale zur Identifikation von vier Perioden der magnetischen Erfassungselemente 38 und 39. Das bedeutet, daß die magnetischen Muster der Magnetspuren 11 und 12 der Identifikation von vier Abständen (4λ) des Magnetisierungsabstands λ der Magnetspuren 9 und 10 dienen. Der Drehwinkel kann anhand der Differenz zwischen dem (durch Berechnen der Perioden der Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente 30 und 31 und deren Arkustangens ermittelten) Drehwinkel der magnetischen Trommel 2 und dem (durch Berechnen der Perioden der Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente 38 und 39 und deren Arkustangens ermittelten) Drehwinkel der magnetischen Trommel 8 berechnet werden.
Wie vorstehend beschrieben, können die Ausgangsschwingungsformen der der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 38 und 39, die entsprechend der Drehung der magnetischen Trommeln 2 und 8 wie eine Sinuswelle verändert werden, durch vier Perioden erfaßt werden. Das bedeutet, daß eine Veränderung des Winkels in vier Perioden erfaßt werden kann und der maximale Drehwinkel in vier Perioden der Ausgangssignale (vier Magnetisierungsabständen) ermittelt werden kann.
Dagegen bedeutet dies, daß der Magnetisierungsabstand im Vergleich zum Magnetisierungsabstand der Magnetspur des in 2 gezeigten herkömmlichen Drehmomentsensors auf ein Viertel eingestellt werden kann. Da die Krümmung für einen Abstand der magnetischen Trommel im Vergleich zum Stand der Technik ein Viertel beträgt, kann dementsprechend der Einfluß der Rundung der magnetischen Trommel 2 auf das Ausgangssignal des magnetischen Erfassungselements 30 verhältnismäßig reduziert werden (die Rundung verursacht eine Abweichung von der Sinuswelle und eine Verzerrung der Schwingungsform des magnetischen Erfassungselements). Anders ausgedrückt kann der Magnetisierungsabstand reduziert werden, wodurch die Abweichung und die Verzerrung der Sinusschwingungsform des Ausgangssignals des magnetischen Erfassungselements 30 reduziert werden.
Ferner wird bei dem System zur Erfassung der Drehwinkel der magnetischen Trommeln anstelle des Verfahrens, bei dem der Raum zwischen den beiden magnetischen Erfassungselementen um λ/4 des Magnetisierungsabstands verschoben wird, wie gemäß dem Stand der Technik, das Verfahren verwendet, bei dem die mehreren Magnetspuren um λ/4 verschoben werden.
Da der Raum zwischen den beiden magnetischen Erfassungselementen beim Stand der Technik mindestens λ/4 betragen muß, ist daher die Größe des Substrats durch λ/4 begrenzt, obwohl die Ausführungsform nicht durch λ/4 begrenzt ist. Dementsprechend kann das Substrat 16 kleiner als beim Stand der Technik sein.
Unter Bezugnahme auf 10 wird nun eine Signalverarbeitungsschaltung des Drehmomentsensors gemäß der Ausführungsform beschrieben.
In der Signalverarbeitungsschaltung berechnet eine Operationseinheit 50 das Verhältnis der Signale der magnetischen Erfassungselemente 30 und 31 und seinen Arkustangens. Eine Multiplikationseinrichtung 51 verdoppelt den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 32. Eine Multiplikationseinheit 52 multipliziert den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 33 mit vier. Die Multiplikationseinheiten 51 und 52 gewichten die Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 32 und 33.
Der Drehwinkel der magnetischen Trommel 2 wird durch Berechnen der Gesamtsumme des Ausgangs der Operationseinheit 50 und der Ausgänge der Multiplikationseinheiten 51 und 52 durch eine Additionseinheit 53 ermittelt.
Andererseits berechnet eine Operationseinheit 54 das Verhältnis der Signale der magnetischen Erfassungselemente 38 und 39 und seinen Arkustangens. Eine Multiplikationseinheit 55 verdoppelt den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 40. Eine Multiplikationseinheit 56 vervierfacht den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 41. Der Drehwinkel der magnetischen Trommel 8 wird durch Berechnen der Ge samtsumme des Ausgangs der Operationseinheit 54 und der Ausgänge der Multiplikationseinheiten 55 und 56 durch eine Additionseinheit 59 ermittelt.
Eine Subtraktionseinheit 60 berechnet die Differenz zwischen den Ausgängen der Additionseinheiten 53 und 59, um eine Differenz zwischen den Drehwinkeln der magnetischen Trommeln 2 und 8, d.h. den (vom Drehmoment abhängenden) Drehwinkel des Drehstabs 7 zu erzeugen.
Eine Multiplikationseinheit 57 multipliziert den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 42 mit 8, und eine Multiplikationseinheit 58 multipliziert den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 43 mit 16.
Eine Additionseinheit 61 berechnet die Gesamtsumme des Ausgangs der Additionseinheit 59 und der Ausgänge der Multiplikationseinheiten 57 und 57, um den Drehwinkel der magnetischen Trommel 8 zu ermitteln.
Mit der oben beschriebenen Konfiguration können nicht nur der Drehmomentausgang, sondern auch der Lenkwinkel des Lenkrads ermittelt werden. Ferner kann durch Hinzufügen der auf der magnetischen Trommel 8 angeordneten Magnetspuren und der magnetischen Erfassungselemente gegenüber den Magnetspuren der Erfassungsbereich für den Lenkwinkel des Lenkrads leicht 360° umfassen.
Nachstehend wird ein Einstellmechanismus für den Spalt zwischen der magnetischen Trommel 2 und dem Substrat 16 des Drehmomentssensors gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Wie in 11 gezeigt, berechnet der Spalteinstellmechanismus in einer Spaltberechnungseinheit 62 das Quadrat der Summe der Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 30 und 31 und erfaßt anhand der Summe den Spalt zwischen der magnetischen Trommel 2 und dem Substrat 16. Eine Einheit 63 zur Steuerung piezoelektrischer Elemente steuert die an die piezoelektrischen Elemente 17 und 18 angelegte Spannung so, daß der erfaßte Wert des Spalts festgelegt wird, um so den festzulegenden Spalt zwischen der magnetischen Trommel 2 und dem Substrat 16 zu steuern. Auf diese Weise kann der Spalt zwischen der magnetischen Trommel 2 und dem Substrat 16 festgelegt werden, wodurch die Signale der magnetischen Erfassungselemente stabilisiert werden. Ferner kann durch Steuern der piezoelektrischen Elemente 17 und 18 die Neigung des Substrats 16 gesteuert werden.
Der Einstellmechanismus für den Spalt zwischen der magnetischen Trommel 8 und dem Substrat 19 ist ebenfalls genau wie der gemäß 11 aufgebaut.
Bei der Ausführungsform sind die getrennt ausgebildeten Substrate 16 und 19 jeweils gegenüber den magnetischen Trommeln 2 und 8 in der Nähe der der magnetischen Trommeln 2 und 8 angeordnet. Beim Stand der Technik sind dagegen die gegenüber den magnetischen Trommeln 2 und 8 angeordneten magnetischen Erfassungselemente auf einem Substrat angeordnet.
Bei einem herkömmlichen Substratsystem ist es erforderlich, die magnetischen Trommeln 2 und 8 sehr nahe bei dem Substrat anzuordnen, um das Substrat klein zu halten, und dementsprechend ist zum Verhindern einer Verzerrung des Drehstabs ein komplizierter Aufbau erforderlich. Ferner tritt das Problem auf, daß der Drehstab 7 kürzer wird und der Betrag der Drehung durch das Drehmoment verringert wird, da die magnetischen Trommeln 2 und 8 sehr nahe bei ihm liegen. Überdies besteht selbst dann eine Einschränkung, wenn die magnetischen Trommeln 2 und 8 sehr nahe bei ihm angeordnet sind und das Substrat, auf dem die magnetischen Erfassungselemente montiert sind, sehr groß wird.
Bei dem Drehmomentsensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können dagegen, wie in 5 gezeigt, leicht Lager 26, 27, 28 und 29 zum Halten der Drehachsen 1 und 15 und des Drehstabs 7 angeordnet werden. Dementsprechend kann der Drehstab 7 verlängert werden, so daß die durch das Drehmoment erzeugte Verwindung leicht vergrößert werden kann. Ferner kann die mechanische Verformung des Drehstabs 7 durch die Haltestruktur der Lager unterdrückt werden, und die durch die mechanische Verformung verursachte Veränderung des Spalts zwischen den magnetischen Trommeln 2 und 8 und den Substraten 16 und 19 kann so unterdrückt werden, daß sie sehr klein wird.
Nachstehend wird ein modifiziertes Beispiel des Drehmomentsensors gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
12 zeigt magnetische Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 bei dem ersten modifizierten Beispiel, und 13 ist ein schematisches Diagramm, das seine Signalverarbeitungsschaltung zeigt.
Bei diesem Beispiel entsprechen die Magnetisierungsmuster der Magnetspuren 3 und 4, wie in 12 gezeigt, denen des Drehmomentsensors gemäß der vorstehend beschriebenen Aus führungsform, wogegen für die Magnetspuren 5 und 6 ein zyklisch vertauschter Binärcode oder Gray-Code verwendet wird, um so den Einfluß der Gefährdung zu eliminieren.
Dementsprechend umfaßt die in 13 gezeigte Signalverarbeitungsschaltung eine Decodiereinrichtung 64 zur Umwandlung des Gray-Codes in den binären Code. Ferner wird ähnlich als Gegenmaßnahme gegen eine Gefährdung in Bezug auf die Magnetspuren 11, 12, 13 und 14 der Gray-Code verwendet, und die Signalverarbeitungsschaltung enthält eine Decodiereinrichtung 65 zum Umwandeln des Gray-Codes in den binären Code.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 14 ein zweites modifiziertes Beispiel der ersten Ausführungsform beschrieben.
14 zeigt die magnetischen Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 bei dem zweiten modifizierten Beispiel.
Bei diesem Beispiel sind zwei oder mehr Magnetspuren auf den magnetischen Trommeln 2 und 8 ausgebildet, wobei sich die Magnetisierungsrichtungen der nebeneinander liegenden Spuren voneinander unterscheiden. Die den Magnetspuren entsprechenden magnetischen Erfassungselemente verwenden magnetische Erfassungselemente, die empfindlich auf die jeweilige Magnetisierungsrichtung reagieren.
Genauer sind auf der Magnetspur 3 wiederholt und abwechselnd nebeneinander liegende Magnetisierungsabschnitte mit einander in Horizontalrichtung entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung ausgebildet. Die Magnetspur 4 weist ein magnetisches Muster auf, das mit dem der Magnetspur 3 identisch aber in Bezug auf die Magnetspur 3 um eine Phase von λ/4 des Magnetisierungsabschnitts λ verschoben ist. Die Magnetspur 5 ist vertikal zu den Magnetspuren 3 und 4 magnetisiert und hat einen Magnetisierungsabstand von 2λ. Die Magnetspur 6 ist vertikal zu den Magnetspuren 3 und 4 magnetisiert und hat einen Magnetisierungsabstand von 4λ. Ferner werden bei der Ausführungsform magnetische Erfassungselemente, wie anisotrope MR-Elemente, als magnetische Erfassungselemente 30 und 31 verwendet, und die MR-Elemente sind in der Magnetisierungsrichtung, in der die Magnetspur magnetisiert ist, in der Richtung angeordnet, in der die MR-Elemente auf den Magnetismus reagieren. Überdies werden als magnetische Erfassungselemente 32 und 33 ebenfalls magnetische Erfassungselemente, wie anisotrope MR-Elemente, verwendet, und die MR-Elemente sind in der Magnetisierungsrichtung, in der die Magnetspur 5 magnetisiert ist, in der Richtung angeordnet, in der die MR-Elemente auf den Magnetismus reagieren. Dadurch wird der Einfluß der Magnetkraft der Magnetspuren 5 und 6 auf die magnetischen Erfassungselemente 32 und 33 minimiert. Dies wird durch Verschieben der Richtung, in der die magnetischen Erfassungselemente 32 und 33 den Magnetismus erfassen, und der Richtung der Magnetisierung der Magnetspuren 5 und 6 um 90° erreicht.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 15, 16 und 17 ein drittes modifiziertes Beispiel der ersten Ausführungsform beschrieben.
15 zeigt die magnetischen Muster der Magnetspuren 3, 4, 5 und 6 gemäß diesem Beispiel, 16 zeigt die Anordnung der auf dem Substrat 16 angeordneten magnetischen Erfassungselemente gemäß diesem Beispiel, und 17 zeigt die Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32, 33, 66 und 67 gemäß diesem Beispiel.
Die Magnetspuren 3 und 4 gemäß diesem Beispiel entsprechen denen des in 15 gezeigten Drehmomentsensors gemäß der ersten Ausführungsform. Für das Magnetisierungsmuster der Magnetspuren 5 und 6 wird der Gray-Code verwendet, und die Magnetisierung erfolgt so, daß der „Zustand „1" mit der Polarität N-S und der Zustand „0" nicht magnetisiert ist.
Durch die vorstehend beschriebene Konstruktion kann der höherrangige Code selbst bei magnetischen Erfassungselementen erzeugt werden, die, wie die MR-Elemente, sehr empfindlich auf ein Magnetfeld reagieren, das parallel zum Substrat 16 ist.
Die Magnetspuren 5 und 6 werden hinsichtlich des elektrischen Winkels intermittierend in Intervallen von 720° mit dem Magnetisierungsmuster „N-S-N-S" magnetisiert, und die Phasendifferenz der Magnetisierung der Magnetspuren 5 und 6 beträgt 360°.
Wie in 16 gezeigt, sind die magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 und die magnetischen Schreibköpfe 34, 35, 36 und 37 wie bei der ersten Ausführungsform auf dem Substrat 16 angeordnet. Ferner sind die magnetischen Erfassungselemente 66 und 67 auf dem Substrat 16 angeordnet. Das magnetische Erfassungselement 66 ist hinsichtlich des elektrischen Winkels in Bezug auf das magnetische Erfassungselement 32 um 90° verschoben oder bewegt angeordnet. Das magnetische Erfassungselement 67 ist ebenfalls hinsichtlich des elektrischen Winkels in Bezug auf das magnetische Erfassungselement 33 um 90° verschoben bzw. bewegt angeordnet.
Wie in 17 gezeigt, stimmen die Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 30 und 31 mit denen der ersten Ausführungsform überein.
Das magnetische Erfassungselement 32 erzeugt an den Abschnitten, an denen die Magnetspur 5 magnetisiert ist, ein alternierendes Signal, und der Ausgang des Elements 32 beträgt an den Abschnitten, an denen die Spur 5 nicht magnetisiert ist, null. Der Ausgang des magnetischen Erfassungselements 66 ist hinsichtlich des elektrischen Winkels in Bezug auf den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 32 um 90° phasenverschoben.
Die Signalverarbeitungseinheit berechnet die Summe des vollständig schwingungsformrektifizierten Signals des Ausgangs des magnetischen Erfassungselements 32 und des vollständig schwingungsformrektifizierten Signals des Ausgangs des magnetischen Erfassungselements 66, um so einen kombinierten Ausgang zu ermitteln, wie in 17 gezeigt.
Das magnetische Erfassungselement 33 erzeugt auf die gleiche Weise wie das magnetische Erfassungselement 32 an den Abschnitten, an denen die Magnetspur magnetisiert ist, ein alternierendes Signal, und an den Abschnitten, an denen die Spur 6 nicht magnetisiert ist, ist der Ausgang des Elements 33 null. Der Ausgang des magnetischen Erfassungselements 67 ist hinsichtlich des elektrischen Winkels in Bezug auf den Ausgang des magnetischen Erfassungselements 33 um 90° phasenverschoben. Die Signalverarbeitungseinheit berechnet die Summe des vollständig schwingungsformrektifizierten Signals des Ausgangs des magnetischen Erfassungselements 33 und des vollständig schwingungsformrektifizierten Signals des Ausgangs des magnetischen Erfassungselements 67, um so einen kombinierten Ausgang zu ermitteln, wie in 17 gezeigt.
Bei diesem Beispiel können der kombinierte Ausgang der magnetischen Erfassungselemente 32 und 66 und der kombinierte Ausgang der magnetischen Erfassungselemente 33 und 67 zur Erkennung der Signale in vier Perioden (4λ) des magnetischen Erfassungselements 30 verwendet werden. Anders ausgedrückt kann das Maximum des Drehwinkels auf die gleiche Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch 4λ dargestellt werden, um die Genauigkeit der Erfassung des Drehmoments zu steigern.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 18, 19 und 20 ein viertes modifiziertes Beispiel der ersten Ausführungsform beschrieben.
18 zeigt die magnetischen Muster der Magnetspuren 3, 4, 5, und 6 bei dieser Ausführungsform, 19 zeigt eine Anordnung auf dem Substrat 16 angeordneter magnetischer Erfassungselemente gemäß diesem Beispiel, und 20 zeigt die Ausgänge der magnetischen Erfassungselemente 30, 31, 32 und 33 gemäß diesem Beispiel.
Bei diesem Beispiel ist die Magnetspur 3, wie in 18 gezeigt, schräg magnetisiert. In diesem Fall ist der magnetische Schreibkopf zur schrägen Magnetisierung der Spur 3, wie in 19 gezeigt, schräg angeordnet. Der Magnetisierungsabstand der Magnetspuren 3 und 4 beträgt λ, der Magnetisierungsabstand der Magnetspur 5 beträgt 2λ, und der Magnetisierungsabstand der Magnetspur 6 beträgt 4λ.
Der Ausgang des magnetischen Erfassungselements 30 ändert sich, wie die in 20 gezeigte Dreieckswelle. Ferner erzeugen die magnetischen Erfassungselemente 31, 32 und 33 einen Code, der die Anzahl der Perioden der Dreieckswellen des magnetischen Erfassungselements repräsentiert. Durch eine derartige Erzeugung der Dreieckswelle kann der Winkel im Vergleich zu dem Fall der Erzeugung einer Sinuswelle, wie bei der ersten Ausführungsform, leicht berechnet werden.
Unter Bezugnahme auf die 21, 22, 23, 24 und 25 wird nun ein Drehmomentsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die den Drehmomentsensor gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, 22 zeigt eine Anordnung, die die Positionsbeziehung zwischen einer beweglichen Spule 69 und festen Spulen 70 und 71 darstellt, die für den Drehmomentsensor verwendet werden, 23 ist ein schematisches Diagramm, das die Signalverarbeitungsschaltung des Drehmomentsensors gemäß der Ausführungsform darstellt, 24 ist eine Zeitübersicht für diese, und 25 zeigt die Ausgänge der festen Spulen 70 und 71.
Bei der Ausführungsform werden die Drehwinkel der Drehachsen grundsätzlich durch den elektromagnetischen Induktionsvorgang erfaßt, und das Drehmoment wird durch einen in der Drehachse vorgesehenen Verwindungssensor erfaßt. Ferner wird der Verwindungssensor unter Verwendung des durch den elektromagnetischen Induktionsvorgang erzeugten elektrischen Stroms betrieben.
Wie in 21 gezeigt, sind eine Drehachse 8 mit dem Lenkrad und eine Drehachse 74 mit den Rädern verbunden. Die Drehachsen 68 und 74 sind über eine Drehplatte 83 verbunden. Die festen Spulen 70 und 71 sind in einem Abstand von 90° zueinander in der Nähe der Drehplatte 83 angeordnet. Ein Behälter 73, in dem die bewegliche Spule 69, die zusammen mit den Drehachsen 68 und 74 rotiert, und die Signalverarbeitungsschaltung enthalten sind, ist in der Drehplatte 83 angeordnet.
In der Drehachse 68 ist ein Verwindungssensor 72 vorgesehen, der die durch das Drehmoment der Drehachse 68 erzeugte mechanische Verwindung erfaßt.
Die Positionsbeziehung zwischen den festen Spulen 70 und 71 und der beweglichen Spule 69 ist, wie in 22 gezeigt, wenn die Drehachse von oben betrachtet wird, und die festen Spulen 70 und 71 sind im rechten Winkel zueinander angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 23 wird nun die Signalverarbeitungsschaltung gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Gemäß 23 erzeugt ein Oszillator 75 ein Signal zur Bestimmung eines Betriebsmodus (eines Wiederholungsmodus mit den in 24 gezeigten Perioden 1 und 2). Ein Oszillator 76 erzeugt ein Signal zum Antreiben der festen Spulen 70 und 71 während der Periode 1 und zu ihrem Abschalten während der Periode 2. Ferner werden während der Periode 2 durch das über eine Antriebseinheit 82 an die bewegliche Spule 69 angelegte Signal induzierte Spannungen in den festen Spulen 70 und 71 erzeugt, und die induzierten Signale werden einer Frequenzerfassungsschaltung 77 und einer Amplitudenverhältniserfassungsschaltung 78 zugeführt.
Der Ausgang des Verwindungssensors 72 wird von einer Einstellschaltung hinsichtlich des Nullpunkts und der Zeitspanne eingestellt, worauf der Ausgang der Einstellschaltung 80 von einer Frequenzumwandlungseinheit 81 entsprechend dem Ausgang des Verwindungssensors in eine Frequenz umgewandelt wird. Das Frequenzsignal (das Verwindungserfassungssi gnal) wird über die Antriebseinheit 82 der beweglichen Spule 69 zugeführt. Eine Stromzufuhrschaltung 79 nutzt die (wie später beschrieben) während der Periode 1 erzeugte induzierte Spannung der beweglichen Spule 69 als seine Energiequelle.
Die Stromzufuhrschaltung 79 führt dem Verwindungssensor 72, der Einstellschaltung 80, der Frequenzumwandlungseinheit 81 und der Antriebseinheit 82 elektrischen Strom zu. Die Stromzufuhrschaltung 79, die Einstellschaltung 80, die Frequenzumwandlungseinheit 81 und die Antriebseinheit 82 sind in dem Behälter 73 enthalten.
Unter Bezugnahme auf die Zeitübersicht gemäß 24 wird nun die Funktionsweise des Drehmomentsensors gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Der Drehmomentsensor wird betrieben, während die Perioden 1 und 2 wiederholt werden. Die Auswahl der Perioden 1 und 2 erfolgt durch das Ausgangssignal des Oszillators 75.
Zunächst werden in der Periode 1 die festen Spulen 70 und 71 durch das Ausgangssignal des Oszillators 76 so angetrieben, daß die bewegliche Spule 69 mittels der elektromagnetischen Induktion der festen Spulen 70 und 71 eine Spannung erzeugt. Da die festen Spulen 70 und 71 orthogonaler zueinander angeordnet sind, kann ferner selbst dann eine stabile Spannung in der beweglichen Spule 69 induziert werden, wenn die Drehachse 68 ohnehin gedreht wird.
Die in der beweglichen Spule 69 induzierte Spannung wird in der Stromzufuhrschaltung 79 gleichgerichtet, um sie aufzuladen, und die Stromzufuhrschaltung 79 führt dem Verwindungssensor 72, der Einstellschaltung, der Frequenzumwandlungs einheit 81 und der Antriebseinheit 82 elektrischen Strom zu, um sie zu betreiben.
Das auf die Drehachse 68 einwirkende Drehmoment wird von dem Verwindungssensor 72 erfaßt. Das so erfaßte Signal wird von der Einstellschaltung 80 hinsichtlich des Nullpunkts und der Zeitspanne eingestellt und von der Frequenzumwandlungseinheit 81 in ein Frequenzsignal umgewandelt. Die Antriebseinheit 82 wartet, bis die induzierte Spannung der beweglichen Spule 69 verschwindet, und treibt dann die bewegliche Spule 69 entsprechend der Ausgangsfrequenz der Frequenzumwandlungseinheit 81 an.
Dementsprechend wartet die Antriebseinheit 82, bis der Betrieb des Drehmomentsensors in die Periode 2 übergeht und die Ansteuersignale für die festen Spulen 70 und 71 unterbrochen werden, und anschließend treibt die Antriebseinheit 82 die bewegliche Spule 69 an. Wenn die bewegliche Spule 69 angetrieben wird, werden in den festen Spulen 70 und 71 durch die elektromagnetische Induktion induzierte Spannungen erzeugt. Die Frequenz dieses Signals stimmt mit der des Signals überein, das die bewegliche Spule 69 antreibt. Dies bedeutet, daß es sich um das dem Signal des Verwindungssensors 72 entsprechende Signal handelt. Dementsprechend können die Frequenzen der induzierten Spannungen der festen Spulen 70 und 71 von der Frequenzerfassungsschaltung 77 erfaßt werden, um so das dem Drehmoment entsprechende Signal zu erzeugten. Da die festen Spulen 70 und 71 orthogonal zueinander angeordnet sind, werden die induzierten Spannungen der festen Spulen 70 und 71 ferner, wie in 25 gezeigt, entsprechend dem Lenkwinkel wie Sinuswellen verändert und haben in Bezug auf den Lenkwinkel eine Phasendifferenz von 90°. Dementsprechend kann das Verhältnis der Amplituden der induzierten Spannungen der festen Spulen 70 und 71 von der Amplitudenverhältniserfassungsschaltung 78 erfaßt werden, wodurch ein dem Lenkwinkel entsprechender Ausgang erzeugt werden kann.
Unter Bezugnahme auf 26 wird nun die Struktur eines motorisch angetriebenen Servolenkungssystems beschrieben, für das der erfindungsgemäße Drehmomentsensor verwendet wird. 26 ist ein schematisches Diagramm, das das motorisch angetriebene Servolenkungssystem darstellt, für das der erfindungsgemäße Drehmomentsensor verwendet wird.
Das motorisch angetriebene Servolenkungssystem umfaßt ein Lenkrad 83, eine Drehachse (Lenkachse) 84 zur Übertragung der Drehung des Lenkrads, den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor 85, einen Motor 87 zur Unterstützung der Drehung der Drehachse 84, eine Steuerschaltung 86, die entsprechend dem Drehmoment- und Lenkwinkelsignal von dem Drehmomentsensor 85 ein Signal zur Steuerung des Motors 87 erzeugt, sowie ein Rad 88.
Da bei dem motorisch angetriebenen Servolenkungssystem der erfindungsgemäße Drehmomentsensor 85 verwendet wird, können das Drehmoment und der Lenkwinkel kontaktlos erfaßt werden, und dementsprechend kann ein hoch zuverlässiges, motorisch angetriebenes Servolenkungssystem ohne Verlust aufgrund einer Kontaktreibung konstruiert werden.
Da erfindungsgemäß ein stationäres Drehmoment, wie ein Lenkdrehmoment des Lenkrads, mit hoher Genauigkeit kontaktlos erfaßt werden kann, kann ein hoch genauer und hoch zuverlässiger Drehmomentsensor geschaffen werden.
Für Fachleute sollte ferner ersichtlich sein, daß die Erfindung, obwohl vorstehend eine Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung erfolgte, nicht auf diese beschränkt ist und daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist der Erfindung und dem Rahmen der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Drehmomentsensor mit magnetischen Medien (2, 8), die jeweils an einer Eingangs- und an einer Ausgangsachse (1, 15) angebracht sind, die über einen Drehstab (7) gekoppelt sind, und jeweils Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) aufweisen, die in einem vorgegebenen Abstand magnetisiert sind, und magnetischen Erfassungselementen (30 – 33, 38 – 43), die gegenüber jedem der magnetischen Medien (2, 8) angeordnet sind und empfindlich auf die Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) reagieren, wodurch das Drehmoment auf der Grundlage der Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) erfaßt wird, sowie mindestens zwei auf jedem der an der Eingangs- und der Ausgangsachse (1, 15) angebrachten magnetischen Medien (2, 8) ausgebildeten Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit einer magnetischen Phasendifferenz zur Erfassung eines Drehmoments.
Drehmomentsensor mit einer ersten und einer zweiten Achse (1, 15), die über einen Drehstab (7) gekoppelt sind, einem ersten magnetischen Medium (2), das zusammen mit der erste Achse (1) rotiert und in einem vorgegebenen Abstand magnetisierte Magnetspuren (3 – 6) aufweist, einem zweiten magnetischen Medium (8), das zusammen mit der zweiten Achse (15) rotiert und in einem vorgegebenen Abstand magnetisierte Magnetspuren (9 – 14) aufweist, ersten magnetischen Erfassungselementen (30 – 33), die so angeordnet sind, daß sie empfindlich auf die ersten magnetischen Erfassungselemente (3 – 6) des ersten magnetischen Mediums (2) reagieren, und zweiten magneti schen Erfassungselementen (38 – 43), die so angeordnet sind, daß sie empfindlich auf die Magnetspuren (9 – 14) des zweiten magnetischen Mediums (8) reagieren, wodurch das Drehmoment auf der Grundalge der Ausgangssignale der ersten und zweiten magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) erfaßt wird, sowie mindestens zwei in übereinstimmenden Magnetisierungsabständen sowohl auf dem ersten als auch auf dem zweiten magnetischen Medium (2, 8) ausgebildeten Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit einer magnetischen Phasendifferenz.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem die magnetische Phasendifferenz der beiden Magnetspuren (3, 4, 9, 10) jedes der magnetischen Medien (2, 8) ein Viertel des Magnetisierungsabstands beträgt.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, bei dem die magnetische Phasendifferenz der beiden Magnetspuren (3, 4, 9, 10) jedes der magnetischen Medien (2, 8) ein Viertel des Magnetisierungsabstands beträgt.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem jedes der magnetischen Medien (2, 8) nicht nur zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit einer magnetischen Phasendifferenz von einem Viertel des Magnetisierungsabstands, sondern auch Magnetspuren (5, 6, 11, 12) mit Magnetisierungsabständen aufweist, die doppelt und viermal so groß wie bei den beiden Magnetspuren (3, 4, 9, 10) sind.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, bei dem jedes der magnetischen Medien (2, 8) nicht nur zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit einer magnetischen Phasendifferenz von einem Viertel des Magnetisierungsabstands, sondern auch Magnetspuren (5, 6, 11, 12) mit Magnetisierungsabständen aufweist, die doppelt und viermal so groß wie bei den beiden Magnetspuren sind.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem jedes der magnetischen Medien (2, 8) nicht nur mindestens zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit der magnetischen Phasendifferenz, sondern auch Magnetspuren (5, 6, 11, 12) zur Identifikation der Anzahl von mindestens vier oder mehr Perioden eines Magnetisierungsmusters der mindestens zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) aufweist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, bei dem jedes der magnetischen Medien (2, 8) nicht nur mindestens zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit der magnetischen Phasendifferenz, sondern auch Magnetspuren (5, 6, 11, 12) zur Identifikation der Anzahl von mindestens vier oder mehr Perioden eines Magnetisierungsmusters der mindestens zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) aufweist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem jedes der magnetischen Medien (2, 8) mindestens zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit der magnetischen Phasendifferenz und mehrere Ma gnetspuren (5, 6, 11 – 14) aufweist, die einen Gray-Code repräsentieren.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem jedes der magnetischen Medien (2, 8) mindestens zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit der magnetischen Phasendifferenz und mehrere Magnetspuren (5, 6, 11 – 14) aufweist, die den Gray-Code repräsentieren.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem die den Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) jedes der magnetischen Medien (2, 8) entsprechenden magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) auf Substraten (16, 19) angeordnet sind, die für jedes der magnetischen Medien (2, 8) getrennt ausgebildet sind.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, bei dem die den Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) jedes der magnetischen Medien (2, 8) entsprechenden magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) auf Substraten (16, 19) angeordnet sind, die für jedes der magnetischen Medien (2, 8) getrennt ausgebildet sind.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem die den Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) jedes der magnetischen Medien (2, 8) entsprechenden magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) auf einem Substrat (16, 19) ausgebildet sind, das für jedes der magnetischen Medien (2, 8) getrennt ausgebildet ist, und jedes der Substrate (16, 19) eine Einrichtung (17, 18, 20, 21) zum automatischen Einstellen des Spalts zwischen den magne tischen Erfassungselementen (30 – 33, 38 – 43) und den Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) aufweist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, bei dem die den Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) jedes der magnetischen Medien (2, 8) entsprechenden magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) auf einem Substrat (16, 19) ausgebildet sind, das für jedes der magnetischen Medien (2, 8) getrennt ausgebildet ist, und jedes der Substrate (16, 19) eine Einrichtung (17, 18, 20, 21) zum automatischen Einstellen des Spalts zwischen den magnetischen Erfassungselementen (30 – 33, 38 – 43) und den Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) aufweist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem ein Substrat (16, 19) zum Halten der magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) auf dem Substrat (16, 19) angeordnete magnetische Schreibköpfe (34 – 37, 44 – 49) zum Magnetisieren der von den magnetischen Erfassungselementen (30 – 33, 38 – 43) zu lesenden Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) auf dem magnetischen Medium (2, 8) aufweist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, bei dem ein Substrat (16, 19) zum Halten der magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) auf dem Substrat (16, 19) angeordnete magnetische Schreibköpfe (34 – 37, 44 – 49) zum Magnetisieren der von den magnetischen Erfassungselementen (30 – 33, 38 – 43) zu lesenden Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) auf dem magnetischen Medium (2, 8) aufweist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, bei dem zwei oder mehr auf jedem der magnetischen Medien (2, 8) ausgebildete Magnetspuren (3, 4, 9, 10) Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit Magnetisierungsrichtungen umfassen, die sich von denen der Magnetspuren (3, 4, 9, 10) unterscheiden, und als den Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit den unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen entsprechende magnetische Erfassungselemente (30, 31, 38, 39) magnetische Erfassungselemente (30, 31, 38, 39) verwendet werden, die jeweils empfindlich auf eine bestimmte Magnetisierungsrichtung reagieren.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, bei dem zwei oder mehr auf jedem der magnetischen Medien (2, 8) ausgebildete Magnetspuren (3, 4, 9, 10) Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit Magnetisierungsrichtungen umfassen, die sich von denen der Magnetspuren (3, 4, 9, 10) unterscheiden, und als den Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit den unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen entsprechende magnetische Erfassungselemente (30, 31, 38, 39) magnetische Erfassungselemente (30, 31, 38, 39) verwendet werden, die jeweils empfindlich auf eine bestimmte Magnetisierungsrichtung reagieren.
Drehmomentsensor mit magnetischen Medien (2, 8), die jeweils an einer Eingangs- und einer Ausgangsachse (1, 15) angebracht sind, die über einen Drehstab (7) gekoppelt sind, und jeweils in einem vorgegebenen Abstand magnetisierte Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) aufweisen, und gegenüber jedem der magnetischen Medien (2, 8) angeordneten magnetischen Erfassungselementen (30 – 33, 38 – 43), die empfindlich auf die Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) reagieren, wodurch das Drehmoment auf der Grundlage der Ausgangssignale der magnetischen Erfassungselemente (30 – 33, 38 – 43) der erfaßt wird, sowie: mindestens zwei auf jedem der magnetischen Medien (2, 8) angeordneten Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit einer magnetischen Phasendifferenz; auf jedem der magnetischen Medien (2, 8) angeordneten Magnetspuren (5, 6, 11 – 14), die zur Identifikation der Anzahl von mindestens vier oder mehr Perioden des Magnetisierungsmusters der mindestens zwei Magnetspuren (3, 4, 9, 10) geeignet sind, und einer Operationseinheit (50 – 61) zum Berechnen des auf die Eingangs- und die Ausgangsachse (1, 15) einwirkenden Drehmoments anhand der Erfassungssignale der Magnetspuren (3, 4, 9, 10) mit der magnetischen Phasendifferenz und des Erfassungssignals der Magnetspuren (5, 6, 11 – 14), die zur Identifikation der Anzahl von mindestens vier oder mehr Perioden geeignet ist.
Drehmomentsensor mit einer Drehachse (68), deren Drehwinkel durch einen elektromagnetischen Induktionsvorgang erfaßt wird, und einem in der Drehachse angeordneten Verwindungssensor (72) zur Erfassung des auf die Drehachse (68) einwirkenden Drehmoments, der unter Verwendung des durch den elektromagnetischen Induktionsvorgang erzeugten elektrischen Stroms betrieben wird.
Drehmomentsensor zur Erfassung des zwischen der ersten und der zweiten Achse (1, 15, 68, 74), die durch einen Drehstab (7) gekoppelt sind, einwirkenden Drehmoments auf der Grundlage des in dem Drehstab erzeugten Drehwinkels mit: mindestens einer oder mehreren beweglichen Spulen (69), die zusammen mit der ersten oder der zweiten Achse (1, 15, 68, 74) rotieren und der Erzeugung einer elektromagnetischen Induktion durch ein zu der ersten oder der zweiten Achse (1, 15, 68, 74) senkrechtes Magnetfeld dienen, und mindestens einer oder mehreren festen Spulen (70, 71), die in bezug auf die erste bzw. die zweite Achse (1, 15, 68, 74) fest montiert sind und der Erzeugung einer elektromagnetischen Induktion durch ein zu der ersten bzw. der zweiten Achse (1, 15, 68, 74) senkrechtes Magnetfeld dienen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 21 mit mindestens einer oder mehreren festen Spulen (70, 71) als feste Spule, die der Erzeugung einer elektromagnetischen Induktion durch Magnetfelder mit unterschiedlichen Richtungen dienen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 21 mit einem Verwindungssensor (72) zur Erfassung des auf die erste und auf die zweite Achse (1, 15, 68, 74) einwirkenden Drehmoments, einer Ansteuereinrichtung (76) zum Ansteuern der festen Spule zum Anlegen einer Wechselspannung an die feste Spule im Modus einer Periode 1, einer Speichereinrichtung zum Induzieren einer Wechselspannung in der beweglichen Spule (69) durch Anlegen der Spannung an die feste Spule (70, 71) und zum Umwandeln der Wechselspannung in eine Gleichspannung zum Speichern dieser und einer Einrichtung (82) zum Antreiben der beweglichen Spule zum Anlegen des Ausgangs des Verwindungssensors (72) in Form einer Gleichspannung mittels des in der Speichereinrichtung gespeicherten elektrischen Stroms an die bewegliche Spule (69), wodurch die Wechselspannung zur Entnahme eines Drehmomentausgangssignals durch Anlegen der Wechselspannung an die bewegliche Spule (69) induziert wird.
Drehmomentsensor nach Anspruch 21 mit einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung des Drehwinkels des Drehstabs (7), einer Frequenzumwandlungseinrichtung (81) zum Umwandeln des Ausgangs der Erfassungseinrichtung in eine Frequenz, einer Einrichtung (82) zum Anlegen einer Spannung mit der Ausgangsfrequenz der Frequenzumwandlungseinrichtung (81) an die bewegliche Spule (69) und einer Einrichtung zur Erzeugung einer induzierten Spannung in der festen Spule (70, 71) durch das Anlegen der Spannung an die bewegliche Spule (69) und zum Messen der Frequenz der induzierten Spannung.
Drehmomentsensor nach Anspruch 21 mit einer Einrichtung zum Messen des Verhältnisses der in den mindestens zwei oder mehr festen Spulen (70, 71) induzierten Spannungen.
Motorisch angetriebene Servolenkungsvorrichtung, die die Drehung eines Lenkrads (83) über eine Drehachse (84) an Räder (88) überträgt und zumindest das Drehmoment der Drehachse (84) erfaßt, so daß ein Motor (87) zur Unterstützung der Betäti gung des Lenkrads (83) auf der Grundlage des erfaßten Signals gesteuert wird, wobei die Erfassung des Drehmoments durch Bereitstellen mehrerer Magnetspuren (3 – 6, 9 – 14) mit einer jeweiligen Phasendifferenz auf mehreren in zwei durch einen Drehstab (7) gekoppelten Drehachsen (1, 15) vorgesehenen magnetischen Trommeln (2, 15) und mittels eines kontaktfreien magnetischen Codiersystems erfolgt.
Motorisch angetriebene Servolenkungsvorrichtung, die die Drehung eines Lenkrads (83) über eine Drehachse (84) an Räder (88) überträgt und zumindest das Drehmoment der Drehachse (84) erfaßt, so daß ein Motor (87) zur Unterstützung der Betätigung des Lenkrads (83) auf der Grundlage des erfaßten Signals gesteuert wird, wobei die Erfassung des Drehmoments durch Erfassen der Verwindung der Drehachse (84) und Entnahme des erfaßten Signals mittels der elektromagnetischen Induktion einer in der Drehachse (68) beweglichen Spule (69) für mindestens zwei um die Drehachse angeordnete feste Spulen (70, 71) erfolgt.