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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Ein solcher Drehmomentsensor dient zum Beispiel zur
Verwendung bei einer Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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5 zeigt
eine Persektivansicht eines herkömmlichen
Drehmomentsensors des genannten Typs. Wie in der Zeichnung zu sehen
ist, ist eine Lenkwelle in eine Eingangswelle 1 und eine
Ausgangswelle 2 unterteilt. Die Eingangswelle 1 und
die Ausgangswelle 2 sind durch einen Torsionsstab 3 miteinander
verbunden, der aus einem Speziallegierungsstahl gebildet ist. Die
Enden des Torsionsstabes 3 sind in die Eingangswelle 1 bzw.
die Ausgangswelle 2 eingesetzt und mittels Stiften 4 bzw. 5 befestigt.
Ein erster Befestigungsrahmen 6 ist in integraler Weise
mit der Eingangswelle 1 ausgebildet. Ein prismenartiger
Betätigungsbereich 7 erstreckt
sich von dem vorderen Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 nach
unten. Eine Stellschraube 8, die mit einer Seitenfläche des
Betätigungsbereichs 7 in
Berührung
steht, ist in das vordere Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 eingeschraubt.
Ein zweiter Befestigungsrahmen 9 ist in integraler Weise
mit der Ausgangswelle 2 ausgebildet und besitzt an seinem
vorderen bzw. freien Ende ein äußeres Gehäuse 10c für eine daran
angebrachte Erfassungseinrichtung 10. Die Erfassungseinrichtung 10 umfaßt einen
variablen Schiebewiderstand zum Übertragen
eines Widerstandswerts, der der Position eines sich nach außen erstreckenden,
prismenartigen Hebels 10a entspricht, bei der Hin- und
Herbewegung des Hebels 10a in einer länglichen Öffnung 10b. Der Hebel 10a ist
durch eine in dem äußeren Gehäuse 10c vorgesehene
Rückführfeder
(nicht gezeigt) in eine Richtung vorgespannt, in der der Hebel 10a mit
einer weiteren Seitenfläche
des Betätigungsbereichs 7 in
Berührung gebracht
ist.
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Wenn
ein an dem vorderen bzw. oberen Ende der Eingangswelle 1 angebrachtes
Lenkrad (nicht gezeigt) im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn
gedreht wird, wird der Torsionsstab 3 verdreht, so daß ein Torsionswinkel
entsteht, bei dem es sich um die durch die Rotationsbewegung verursachte
Phasenveränderung
handelt. Der auf diese Weise entstandene Torsionswinkel wird von
der Erfassungseinrichtung 10 als rotationsmäßiges Drehmoment
detektiert. Wenn die Eingangswelle 1 zum Beispiel im Uhrzeigersinn
verdreht wird, werden auch der erste Befestigungsrahmen 6 und
der Betätigungsbereich 7 in
derselben Richtung gedreht. Der Betätigungsbereich 7 wird
also in einer Richtung rotationsmäßig bewegt, in der der Betätigungsbereich 7 gegen
den Hebel 10a der Erfassungseinrichtung 10 drückt, wodurch
der Hebel 10a in der länglichen Öffnung 10b bewegt
wird. Als Ergebnis hiervon überträgt die Erfassungseinrichtung 10 eine
dem Torsionswinkel entsprechende Spannungsänderung. Wenn dagegen die Eingangswelle 1 im
Gegenuhrzeigersinn verdreht wird, werden auch der erste Befestigungsrahmen 6 und
der Betätigungsbereich 7 in dieser
Richtung verdreht. Der Betätigungsbereich 7 wird
daher in einer Richtung rotationsmäßig bewegt, in der sich der
Betätigungsbereich 7 von
dem Hebel 10a der Erfassungseinrichtung 10 wegbewegt.
Da jedoch der Hebel 10a der Bewegung des Betätigungsbereichs 7 durch
die Elastizität
der Rückführfeder folgt, überträgt die Erfassungseinrichtung 10 gleichermaßen die
dem Torsionswinkel entsprechende Spannungsänderung. In Übereinstimmung
mit dem auf diese Weise detektierten rotationsmäßigen Drehmoment wird rotationsmäßige Servokraft
einem Servomechanismus (nicht gezeigt) zugeführt, der an dem vorderen Ende
der Ausgangswelle 2 angebracht ist.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Drehmomentsensor führt ein
Dimensionsfehler oder ein Anbringungsfehler der die Erfassungseinrichtung 10 beinhaltenden
Komponenten zu der Notwendigkeit, daß es sich bei der Positionseinstellung,
bei der sich der Betätigungsbereich 7 und der
Hebel 10a miteinander in Berührung befinden, um eine neutrale
Position handelt, d.h. es ist eine Nullpunkteinstellung erforderlich.
Die Nullpunkteinstellung wird derart durchgeführt, daß die Stellschraube 8 zum
Verformen des Betätigungsbereichs 7 verdreht
wird. Bei der Konstruktion, bei der der Betätigungsbereich 7 und
dem Hebel 10a jeweils prismenförmig ausgebildet sind, findet
der Kontakt zwischen dem Betätigungsbereich 7 und
der Hebel 10a jedoch entlang einer Fläche oder einer Linie statt. Selbst
wenn die Nullpunkteinstellung exakt durchgeführt worden ist, entsteht daher
ein Problem dahingehend, daß eine
im Betrieb entstehende, übermäßige Veränderung
der zwischen dem Betätigungsbereich 7 und
dem Hebel 10a erzeugten Reibungskraft den Hebel 10a beim
Folgen der Bewegung des Betätigungsbereichs 7 hemmt,
und somit tritt in einer Ausgangskurve der Erfassungseinrichtung 10 leicht
eine Hysterese auf. Wenn die in der Erfassungseinrichtung 10 vorgesehene
Rückführfeder
von dem Hebel 10a getrennt wird oder die Feder bricht, kann
der Hebel 10a der Bewegung des Betätigungsbereichs 7 nicht
folgen. Bei der Detektion des rotationsmäßigen Drehmoments tritt daher
ein Problem auf.
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Ein
Drehmomentsensor gemäß Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus der DE-PS 886 536 bekannt. Der die Eingangswelle
mit der Ausgangswelle verbindende Torsionsstab wird durch einen
Bereich einer durchgehenden Welle gebildet, an welchem auf der Welle
zwei Scheiben mit dazwischen angeordneter Sensoreinrichtung definiert
sind. An der einen Scheibe ist eine veränderliche Drossel (Induktivität) mit einem
durch eine Feder vorgespannten und entsprechend der Torsion des
einen Wellenteils gegenüber dem
anderen Wellenteil verlagerten Kern angebracht (Erfassungseinrichtung),
wobei die Stirnfläche
des Kerns in Punktkontakt mit einem an der anderen Scheibe angeordneten
Stab mit kugelförmiger
Spitze (Betätigungsbereich)
steht. Je nach Ausmaß der
Torsion bzw. des Drehmoments zwischen den beiden Wellenabschnitten ändert sich
der Wert der Drossel, die Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises ist,
und dementsprechend ändert
sich dessen Resonanzfrequenz. Der Kontaktbereich zwischen der Stirnfläche des
Drosselkerns einerseits und dem halbkugelförmigen Abschnitt des Betätigungsbereichs
andererseits ist in der genannten Druckschrift nicht näher dargestellt.
Dadurch, daß der
eine Partner des Punktkontakts flächig ist, kann es zu Meßfehlern
kommen.
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Aus
der
US 3 229 514 ist
eine Drehmomentmeßvorrichtung
bekannt, bei dem ein Maßglied
mit zwei Taststiften an flächigen
Wandabschnitten anliegt. Auch hier ist der Punktkontakt nur unvollkommen.
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Aus
der
EP 0 403 236 A2 ist
ein Drehmomentsensor bekannt, bei dem ein Teil der gegeneinander
tordierten Teile mit einer U-förmigen
Klaue ausgestattet ist, in die ein Kugelzapfen des anderen Teils
eingreift. Auch hier ist der Punktkontakt nur unvollkommen.
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Eine
aus der
DE 35 00 134
A1 bekannte Drehmomentmeßvorrichtung besitzt einen
Weggeber mit einem Taststift, dessen abgerundete Spitze an einer
durch Torsion bewegten Fläche
anliegt. Aus der
US 4 800 764 ist
eine Meßvorrichtung
zum Messen der Relativverdrehung zweier gegeneinander bewegter Teile
bekannt. Hierbei ist ebenfalls eine U-förmige Klaue vorgesehen, in
die eine Tastku gel eingreift, ähnlich
wie bei der Vorrichtung in der oben besprochenen EP'236.
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Die
US 4 922 761 zeigt einen
Drehmomentsensor ähnlich
demjenigen, der in
5 der
Erfindungsbeschreibung erläutert
ist. Als Erfassungseinrichtung dient ein Potentiometer in Ringform,
welches auf der einen Welle sitzt, während an der anderen Welle
ein Schleiferarm angeordnet ist. Die Relativbewegung bei einer Torsion
zwischen den beiden Teilen erfolgt durch mechanischen Kontakt zwischen einem
radial verlaufenden Stift und einer flächigen Nutenwand.
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Aus
der
DE 23 34 491 A ist
ein veränderlicher
Widerstand bekannt, bei dem von einer Feder eine Federkraft auf
ein Kontaktstück
ausgeübt
wird, welches mit einer Widerstandsbahn in Gleitberührung steht.
Die Feder stützt
sich an der Unterseite einer Klammer-ähnlichen Anordnung ab, welche
den Träger
für die
Widerstandsbahn von unten her umgreift. Dabei herrscht im Bereich
der gesamten Anordnung flächige
Gleitberührung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentsensor anzugeben,
bei dem eine sehr präzise
Messung des Drehmoments möglich
ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Drehmomentsensor
ist die Erfassungseinrichtung im Gegensatz zu dem Drehmomentsensor
nach der DE-PS 886 536 nicht als Schwingkreis, sondern als variabler
Widerstand ausgebildet. Zum sicheren Verstellen des variablen Widerstands
ist ein sauberer Punktkontakt zwischen der Erfassungseinrichtung
und dem Betätigungsbereich
dadurch gebildet, daß sowohl
der Betätigungsbereich
als auch der Antriebsbereich der Erfassungseinrichtung mit gekrümmter Oberfläche ausgestattet
sind. Durch die nur geringe Reibung des Punktkontakts wird stets
eine präzise
Bewegung der relativ zueinander bewegten Teile erfaßt.
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Vorzugsweise
wird bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion ein variabler
Schiebewiderstand als Erfassungseinrichtung verwendet und ist der
Betätigungsbereich
mit einem Anschlag versehen, der den Kontaktbereichen über den
Antriebsbereich der Erfassungseinrichtung hinweg zugewandt gegenüberliegt.
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Da
der Antriebsbereich der Erfassungseinrichtung, die entweder der
Eingangswelle oder der Ausgangswelle zugeordnet ist, sowie der Betätigungsbereich,
der der der Erfassungseinrichtung nicht zugeordneten Welle zugeordnet
ist, Kontaktbereiche mit gekrümmten
Oberflächen
besitzen, werden die Erfassungseinrichtung und der Betätigungsbereich
mit der Federkraft der Rückführfeder
beaufschlagt, so daß sie
sich bei ihrer Bewegung in Punktkontakt miteinander befinden. Es
kann also nicht leicht eine Hysterese in der Ausgangskurve bzw. Ausgabekurve
der Erfassungseinrichtung entstehen. Selbst wenn die in der Erfassungseinrichtung
vorgesehene Rückführfeder
von dem Antriebsbereich getrennt wird oder bricht, befindet sich
die Antriebsposition zwischen dem Betätigungsbereich und dem Anschlag,
die in integraler Weise bewegt werden, so daß eine übermäßige Trennung des Antriebsbereichs
verhindert ist. Abnormalitäten
bei der Detektion des rotationsmäßigen Drehmoments
können
somit verhindert werden.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden
anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels noch
näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels
eines Drehmomentsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Perspektivansicht unter Darstellung einer für den Drehmomentsensor vorgesehenen Erfassungseinrichtung;
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3 eine
Frontansicht eines für
den Drehmomentsensor vorgesehenen Nullpunkt-Einstellmechanismus;
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4 eine
Bodenansicht des Nullpunkt-Einstellmechanismus; und
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5 eine
Perspektivansicht eines herkömmlichen
Drehmomentsensors.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Dabei sind diejenigen Elemente, die den in 5 gezeigten
Elementen des herkömmlichen
Drehmomentsensors entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Wie
in den Zeichnungen zu sehen ist, ist die Lenkwelle in eine Eingangswelle 1 und
eine Ausgangswelle 2 unterteilt. Die Eingangswelle 1 und
die Ausgangswelle 2 sind durch einen Torsionsstab 3 miteinander
verbunden, der aus einem Speziallegierungsstahl gebildet ist. Die
beiden Enden des Torsionsstabes 3 sind in die Eingangswelle 1 bzw.
die Ausgangswelle 2 eingesetzt, wobei sie durch Stifte 4 bzw. 5 festgelegt
sind. Ein erster Befestigungsrahmen 6 ist in integraler
Weise mit der Eingangswelle 1 ausgebildet. Ein Betätigungsbereich 11 mit
einer halbkreisförmigen
Querschnittsgestalt erstreckt sich nach unten von dem vorderen Ende
des ersten Befestigungsrahmens 6 weg. Ferner ist eine Stellschraube 8,
die mit einem flachen Bereich des Betätigungsbereichs 11 in
Berührung
gebracht ist, in das vordere Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 eingeschraubt.
Ein Anschlag 12 ist in integraler Weise mit dem vorderen
Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 ausgebildet, wobei
der Anschlag 12 einem gekrümmten Bereich des Betätigungsbereichs 11 derart
zugewandt gegenüberliegt,
daß ein
vorbestimmter Abstand beibehalten wird. Ein zweiter Befestigungsrahmen 9 ist
in integraler Weise mit der Ausgangswelle 2 ausgebildet.
An dem zweiten Befestigungsrahmen 9 ist eine Erfassungseinrichtung 13 angebracht,
bei der es sich um einen variablen Schiebewiderstand handelt. Wie
in 2 gezeigt ist, besitzt die Erfassungseinrichtung 13 ein äußeres Gehäuse 13c mit
einer länglichen Öffnung 13b,
einen über
die längliche Öffnung 13b hinaus
nach außen ragenden
Hebel 13a mit kreisförmigem
Querschnitt sowie eine Rückführfeder 14,
die in dem äußeren Gehäuse 13c vorgesehen
und dazu ausgelegt ist, den Hebel 13a in Richtung auf ein
Ende der länglichen Öffnung 13b zu
drücken.
Wenn sich der Hebel 13a entlang der länglichen Öffnung 13b hin und
her bewegt, wird ein der Position des Hebels 13a entsprechender
Widerstandswert als Veränderung
der Spannung übertragen.
Der Hebel 13a ist zwischen dem Betätigungsbereich 11 und
dem Anschlag 12 angeordnet, wobei der Hebel 13a mit
der elastischen Kraft der Rückführfeder 14 beaufschlagt
ist, so daß er
in eine Richtung gedrückt
ist, in der der Hebel 13a sich stets mit der gekrümmten Fläche des
Betätigungsbereichs 11 in
Berührung
befindet.
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Der
auf diese Weise ausgebildete Drehmomentsensor wird derart verwendet,
daß der
Betätigungsbereich 11 und
der Hebel 13a zu Beginn in eine neutrale Position eingestellt
werden, d.h. sie werden zu Beginn einer Nullpunkteinstellung unterzogen.
Die Nullpunkteinstellung erfolgt durch Verdrehen der Stellschraube 8 zum
Verformen des Betätigungsbereichs 11.
Da die Berührungsfläche zwischen
dem Betätigungsbereich 11 und
dem Hebel 13a als gekrümmte
Fläche
ausgebildet ist, wie dies in den 3 und 4 gezeigt
ist, befinden sich der Betätigungsbereich 11 und
der Hebel 13a in Punktkontakt miteinander, wonach sie der
Nullpunkteinstellung unterzogen sind.
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Bei
Verwendung des Drehmomentsensors gemäß der vorliegenden Erfindung
verursacht eine Drehung des an dem vorderen bzw. oberen Ende der Eingangswelle 1 angebrachten
Lenkrads (nicht gezeigt) im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn eine Verdrehung
des Torsionsstabes 3. Als Ergebnis hiervon entsteht ein
Torsionswinkel, bei dem es sich um die durch die Rotationsbewegung
bedingte Phasendifferenz handelt, zwischen der Eingangswelle 1 und der
Ausgangswelle 2. Der auf diese Weise entstandene Torsionswinkel
wird als rotationsmäßiges Drehmoment
von der Erfassungseinrichtung 13 detektiert. Wenn die Eingangswelle 1 zum
Beispiel im Uhrzeigersinn gedreht wird, werden auch der erste Befestigungsrahmen 6 und
der Betätigungsbereich 11 im Uhrzeigersinn
verdreht, so daß der
Betätigungsbereich 11 rotationsmäßig in eine
Richtung bewegt wird, in der der Betätigungsbereich 11 entgegen
der Federkraft der Rückführfeder 14 gegen
den Hebel 13a der Erfassungs einrichtung 13 drückt. Als
Ergebnis hiervon wird der Hebel 13a in der länglichen Öffnung 13b bewegt,
so daß eine
dem vorstehend genannten Torsionswinkel entsprechende Veränderung
der Spannung übertragen
wird. Wenn dagegen die Eingangswelle 1 im Gegenuhrzeigersinn
gedreht wird, werden auch der erste Befestigungsrahmen 6 und der
Betätigungsbereich 11 im
Gegenuhrzeigersinn verdreht. Der Betätigungsbereich 11 wird
somit in einer Richtung rotationsmäßig bewegt, in der der Betätigungsbereich 11 von
dem Hebel 13a der Erfassungseinrichtung 13 wegbewegt
wird. Da jedoch der Hebel 13a aufgrund der Elastizität der Rückführfeder 14 der
Bewegung des Betätigungsbereichs 11 folgt, läßt sich
gleichermaßen
eine dem Torsionswinkel entsprechende Spannungsänderung übertragen. Bei dem Kontakt
zwischen dem Betätigungsbereich 11 und
dem Hebel 13a handelt es sich um einen Punktkontakt, wie
dies vorstehend bereits erwähnt
wurde, wodurch eine nur sehr geringfügige Reibungskraft zwischen
dem Betätigungsbereich 11 und
dem Hebel 13a erzeugt wird. Der Hebel 13a folgt
daher akkurat der Bewegung des Betätigungsbereichs 11,
und somit kann in der von der Erfassungseinrichtung 13 gebildeten
Ausgangskurve nicht so leicht eine Hysterese erzeugt werden. Selbst
wenn aufgrund einer Trennung der Rückführfeder 14 von dem
Hebel 13a oder eines Brechens der Rückführfeder 14 der Hebel 13a keiner
elastischen Kraft ausgesetzt ist, wird der Hebel 13a entweder
mit dem Betätigungsbereich 11 oder
mit dem Anschlagbereich 12, die in integraler Weise bewegt
werden, dennoch in Berührung
gebracht. Die Bewegung des Hebels 13a in eine Richtung,
in der der Hebel 13a von dem Betätigungsbereich 11 wegbewegt
wird, ist somit begrenzt, so daß eine übermäßige Wegbewegung
von dem Betätigungsbereich 11 verhindert
ist.
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Das
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
verwendet zwar einen variablen Schiebewiderstand als Erfassungseinrichtung 13,
jedoch kann auch ein Schiebe-Codierer oder ein variabler Drehwiderstand
oder variabler Dreh-Codierer anstatt des variablen Schiebewiderstands
verwendet werden.
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Bei
dem vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispiel
ist der Betätigungsbereich 11 zwar
der Eingangswelle zugeordnet und die Erfassungseinrichtung 13 ist
der Ausgangswelle 2 zugeordnet, jedoch kann auch eine umgekehrte
Konstruktion verwendet werden, bei der der Betätigungsbereich 11 der
Ausgangswelle 2 zugeordnet ist und die Erfassungseinrichtung 13 der
Eingangswelle 1 zugeordnet ist.
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Bei
dem erläuterten
Ausführungsbeispiel
befinden sich der eine halbkreisförmige Querschnittsgestalt aufweisende
Betätigungsbereich 11 und
der eine kreisförmige
Querschnittsgestalt aufweisende Hebel 13 in Punktkontakt
miteinander, jedoch sind die Formgebungen des Betätigungsbereichs 11 und des
Hebels 13a nicht auf die vorstehend genannten Formen begrenzt.
Es ist lediglich notwendig, daß die Kontaktfläche zwischen
dem Betätigungsbereich 11 und
dem Hebel 13a eine projektive Krümmung aufweist.
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Wie
vorstehend erläutert
worden ist, ist die vorliegende Erfindung derart ausgebildet, daß der Antriebsbereich
der Erfassungseinrichtung und der Betätigungsbereich derart ausgebildet
sind, daß ihre Kontaktbereiche
jeweils als gekrümmte
bzw. gerundete Flächen
ausgebildet sind. Die beiden Elemente werden bei ihrer Bewegung
somit mit der Elastizität der
Rückführfeder
beaufschlagt, wodurch in der Ausgangskurve der Erfassungseinrichtung
nicht so leicht Hysterese entstehen kann. Selbst wenn die in der
Erfassungseinrichtung vorgesehene Rückführfeder von dem Antriebsbereich
getrennt werden oder brechen sollte, folgt der Antriebsbereich dennoch
dem Anschlag und dem Betätigungsbereich,
die sich in integraler Weise bewegen. Abnormalitäten bei der Erfassung des roationsmäßigen Drehmoments
lassen sich somit verhindern, und es wird ein Drehmomentsensor mit
ausgezeichneter Detektionsgenauigkeit geschaffen.