DE19731433A1 - Drehmomentsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Drehmo­ mentsensoren, die an einer Drehwelle erzeugte Drehmomente erfassen, und insbesondere einen derartigen Drehmoment­ sensor, der Spulen enthält, deren Impedanz sich als Antwort auf ein erzeugtes Drehmoment verändert, der verhältnismäßig kostengünstig herzustellen ist und bei dem die erzeugte Wärmemenge reduziert ist.

Aus der JP 63-45528-A ist bereits ein Drehmomentsensor bekannt. In diesem herkömmlichen Drehmomentsensor sind zwei zylindrische Körper koaxial in der Weise angeordnet, daß sie sich relativ zueinander drehen, wenn an einer Welle ein Drehmoment erzeugt wird, wobei in der äußeren zylindrischen Oberfläche des inneren zylindrischen Kör­ pers abwechselnd axial verlaufende Nuten und axial ver­ laufende Zähne gebildet sind, während im äußeren zylin­ drischen Körper ein Ausschnitt vorgesehen ist, so daß sich der Überlappungsgrad zwischen dem Ausschnitt und den Nuten bzw. Zähnen in Abhängigkeit von der relativen Drehung zwischen den zylindrischen Körpern verändert; ferner ist eine Spule vorgesehen, die den äußeren zylin­ drischen Körper umgibt. Das an der Welle erzeugte Drehmo­ ment kann durch Messen der Impedanz der Spüle erfaßt werden, da sich die Impedanz der Spule verändert, wenn der Überlappungsgrad zwischen den Nuten und dem Aus­ schnitt durch Verändern der relativen Drehposition der beiden zylindrischen Körper verändert wird.

Der obenbeschriebene herkömmliche Drehmomentsensor kann sicherlich das auf die Welle übertragene Drehmoment als Antwort auf die Veränderung der Spulenimpedanz erfassen. Wenn dieser Drehmomentsensor jedoch sehr genau arbeiten soll, ist ein Oszillator erforderlich, der einen genauen Sinuswellenwechselstrom erzeugen kann, da die Spule durch einen hochfrequenten Wechselstrom angesteuert wird. Dadurch werden die Produktionskosten erhöht, da für eine hohe Genauigkeit des Sensors eine große Anzahl elektroni­ scher Bauteile erforderlich ist.

Ein weiteres Problem besteht bei diesem Sensor darin, daß, da die Spule durch einen Sinuswellenwechselstrom angesteuert wird, obwohl sie tatsächlich durch Anlegen von Offset-Spannungen angesteuert wird, um die momentane Richtung des Stroms (einseitige Speisestromansteuerung) gleichmäßig zu machen, die Anordnung unwirtschaftlich ist, da sie einen äußerst hohen Stromverbrauch zur Folge hat, der seinerseits zur Erzeugung einer großen Wärmemen­ ge führt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die erwähnten ungelö­ sten Probleme des Standes der Technik zu beseitigen und einen Drehmomentsensor zu schaffen, der kostengünstig herzustellen ist und bei dem die erzeugte Wärmemenge gering ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehmomentsensor, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Das nichtmagnetische Material des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors umfaßt paramagnetische Substanzen und einige diamagnetische Substanzen, während das magnetische Material ferromagnetische Substanzen umfaßt. Die magneti­ sche Permeabilität des nichtmagnetischen Materials ist derjenigen der Atmosphärenluft ähnlich, welche kleiner als die magnetische Permeabilität des magnetischen Mate­ rials ist.

Die Übergangsspannung ist eine Endspannung, die sich durch Anlegen einer Rechteckspannung verändert.

Da die Spule durch die Spannung angesteuert wird, die sich gemäß einer Rechteckwelle verändert, müssen die Intervalle, in denen die Rechteckspannung angelegt wird, lediglich mit einem Abtasttakt auf seiten einer Steuer­ einrichtung synchronisiert sein, in die das Ausgangs­ signal des Drehmomentsensors eingegeben wird. Folglich wird die Dauer des tatsächlich durch die Spule fließenden elektrischen Stroms erheblich reduziert, so daß die erzeugte Wärmemenge aufgrund der Reduzierung des Strom­ verbrauchs reduziert wird. Eine hochgenaue Rechteckwelle kann einfacher, d. h. mit einer kleineren Anzahl elektro­ nischer Bauteile, als eine Sinuswelle erzeugt werden.

Wenn zum Halten der Übergangsspannung, die zwischen der Spule und dem Widerstand erzeugt wird, eine Abtast/Halte-Schaltung vorgesehen ist, ist die Erfassung des Drehmo­ ments selbst dann möglich, wenn die Übergangsspannung in äußerst kurzer Zeit auf Null abfällt.

Zusätzlich zu der obenbeschriebenen Struktur ist es wünschenswert, eine Einheit vorzusehen, die Anomalien überwacht. Eine solche Anomalieüberwachungseinheit kann eine Schaltung sein, die beispielsweise eine weitere Abtast/Halte-Schaltung zum Halten der Übergangsspannung sowie eine Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestimmungs­ einrichtung enthält, die feststellt, ob das Ausgangs­ signal der Abtast/Halte-Schaltung innerhalb oder außer­ halb eines geeigneten Bereichs liegt, wobei das Ausgangs­ signal der Abtast/Halte-Schaltung für die Drehmomenter­ fassung zwangsläufig auf Null gesetzt wird, wenn die Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestimmungseinrichtung feststellt, daß der Wert außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.

In einer alternativen Anomalieüberwachungseinheit wird das Ausgangssignal von der Obergrenzen- und Untergrenzen-Be­ stimmungseinrichtung unverändert an die Steuereinrich­ tung geliefert, so daß das Vorliegen einer Anomalie durch die Steuereinrichtung bestimmt werden kann.

In einer weiteren alternativen Anomalieüberwachungsein­ heit wird neben der Übergangsspannung zwischen der Spule und dem Widerstand eine Normalzustandsspannung zwischen der Spule und dem Widerstand gehalten und an die Steuer­ einrichtung geliefert, so daß eine Anomalie auf der Grundlage der Differenz zwischen der Normalzustandsspan­ nung, die von der Steuereinrichtung gelesen wird, und einer geeigneten Spannung bestimmt wird.

In einer nochmals weiteren alternativen Anomalieüberwa­ chungseinheit werden neben der Übergangsspannung zwischen der Spule und dem Widerstand zwei Normalzustandsspannun­ gen vor bzw. nach der Übergangsspannung gehalten und zur Steuereinrichtung geliefert, so daß eine Anomalie auf der Grundlage der einzelnen Übergangsspannung und der beiden Normalzustandsspannungen bestimmt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines wesentli­ chen Teils des erfindungsgemäßen Drehmo­ mentsensors;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des wesentli­ chen Teils nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Stromlaufplan der Motorsteuerschal­ tung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4(a)-(b) Signalformen der von der Steuereinrichtung an eine Spule gelieferten Spannungen;

Fig. 5(1)-(12) die jeweiligen Signalformen der Spannungen in der Motorsteuerschaltung der ersten Ausführungsform;

Fig. 6 einen Stromlaufplan der Motorsteuerschal­ tung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7(1)-(10) die jeweiligen Signalformen der Spannungen in der Motorsteuerschaltung der zweiten Ausführungsform;

Fig. 8-10 Stromlaufpläne der Motorsteuerschaltung gemäß einer dritten, einer vierten bzw. einer fünften Ausführungsform;

Fig. 11(a)-(b) die jeweiligen Signalformen der Spannungen in der Motorsteuerschaltung der fünften Ausführungsform;

Fig. 12(a)-(d) die jeweiligen Signalformen der Spannungen in der Motorsteuerschaltung der sechsten Ausführungsform;

Fig. 13 einen Stromlaufplan der Motorsteuerschal­ tung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14(a)-(d) Signalformen der Spannungen in der Motor­ steuerschaltung der siebten Ausführungs­ form; und

Fig. 15(a)-(b) weitere Signalformen der Spannungen der Motorsteuerschaltung der siebten Ausfüh­ rungsform.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors in einer Anwendung auf eine elektrisch angetriebene Servolenkvorrichtung für Kraftfahrzeuge gezeigt.

In der in Fig. 1 im Längsschnitt gezeigten Servolenkvor­ richtung sind eine Eingangswelle 2 und eine Ausgangswelle 3, die über einen Torsionsstab 4 miteinander verbunden sind, in einem Gehäuse 1 durch Lager 5a und 5b in der Weise unterstützt, daß sie sich frei drehen können. Die Eingangswelle 2, die Ausgangswelle 3 und der Torsionsstab 4 sind koaxial angeordnet, wobei die Eingangswelle 2 und der Torsionsstab 4 über eine Hülse 2A miteinander verbun­ den sind, indem die jeweiligen Endabschnitte der Ein­ gangswelle 2 bzw. der Ausgangswelle 3 mit den beiden Enden der Hülse 2A über Keilnutverbindungen drehfest verbunden sind, während das andere Ende des Torsionsstabs 4 mit der Ausgangswelle 3 ebenfalls über eine Keilnutver­ bindung drehfest verbunden ist. Die Eingangswelle 2 und die Ausgangswelle 3 sind aus magnetischem Material wie etwa Eisen hergestellt.

An dem (in Fig. 1 nicht gezeigten) rechten Ende der Eingangswelle 2 ist ein Lenkrad drehfest angebracht, während an dem (in Fig. 1 ebenfalls nicht gezeigten) linken Ende der Ausgangswelle 3 eine allgemein bekannte Zahnstangenlenkvorrichtung angebracht ist. Daher wird eine Lenkkraft, die erzeugt wird, wenn ein Fahrer das Lenkrad dreht, über die Eingangswelle 2, den Torsionsstab 4, die Ausgangswelle 3 und die Zahnstangenlenkvorrichtung an die (in Fig. 1 ebenfalls nicht gezeigten) Fahrzeugrä­ der übertragen.

Die Buchse 2A, die am linken Endabschnitt der Eingangs­ welle 2 befestigt ist, ist lang genug, um die äußere Umfangsfläche des rechten Endabschnitts der Ausgangswelle 3 abzudecken. An der Innenfläche der Buchse 2A, die die äußere Umgangsfläche des Endabschnitts der Ausgangswelle 3 in axialer Richtung abdeckt, sind mehrere axiale Vor­ sprünge 2a ausgebildet, während an der äußeren Umfangs­ fläche der Ausgangswelle 3, die sich gegenüber den Vor­ sprüngen 2a befindet, mehrere axiale Nuten (in der glei­ chen Anzahl wie die Vorsprünge 2a) vorgesehen sind, wobei die Vorsprünge 2a und die Nuten 3a mit Spiel in Umfangs­ richtung ineinandergreifen, so daß eine relative Drehung zwischen der Eingangswelle 2 und der Ausgangswelle 3 über einen vorgegebenen Bereich hinaus, z. B. ungefähr ±5°, verhindert wird.

An der Ausgangswelle 3 ist koaxial und drehfest ein Schneckenrad 6 angebracht, wobei Harzeingriffteile 6a des Schneckenrades 6 mit einer Schnecke 7b in Eingriff sind, die an der äußeren Umfangsfläche der Abtriebswelle 7a eines Elektromotors 7 ausgebildet ist. Die Drehkraft des Elektromotors 7 wird somit an die Ausgangswelle 3 über die Abtriebswelle 7a, die Schnecke 7b und das Schnecken­ rad 6 übertragen, so daß ein Hilfslenkdrehmoment in der gewünschten Richtung an die Ausgangswelle 3 über eine geeignete Umschaltung zwischen den Drehrichtungen des Elektromotors 7 übertragen wird.

Mit der Hülse 2A, die in Baueinheit mit der Eingangswelle 2 ausgebildet ist, ist ein zylindrisches Element 8 gerin­ ger Dicke, das die äußere Umfangsfläche der Ausgangswelle 3 im Bereich der Hülse 2A bedeckt, drehfest verbunden.

Das zylindrische Element 8 ist aus einem elektrisch leitenden und nichtmagnetischen Material (wie etwa Alumi­ nium) hergestellt. Wie in Fig. 2, einer perspektivischen Ansicht des zylindrischen Elements 8 und dessen Umgebung, gezeigt ist, sind in demjenigen Abschnitt des zylindri­ schen Elements 8, der die Ausgangswelle 3 bedeckt, mehre­ re rechtwinklige Fenster 8a (neun in der vorliegenden Ausführungsform) in regelmäßigen Abständen in Umfangs­ richtung auf der an die Hülse 2A angrenzenden Seite ausgebildet, während auf der von der Hülse 2A entfernten Seite des zylindrischen Elements 8 mehrere rechtwinklige Fenster 8b (neun in der vorliegenden Ausführungsform) mit im wesentlichen gleicher Form wie die Fenster 8a in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 180° zu den Fenstern 8a, ausgebildet sind.

An der äußeren Umfangsfläche der Ausgangswelle 3, die vom zylindrischen Element 8 bedeckt ist, sind mehrere axiale Nuten 3A mit rechtwinkligem Querschnitt (in der gleichen Anzahl wie die Fenster 8a oder 8b, d. h. neun in der vorliegenden Ausführungsform) ausgebildet.

Ein "zyklischer Winkel" θ ist definiert als der Winkel, der sich ergibt, wenn die gesamte Umfangsfläche des zylindrischen Elements 8 durch die Anzahl der Fenster 8a bzw. 8b dividiert wird (im vorliegenden Fall: θ = 360°/9 = 40°). Daher sind in dem an die Eingangswelle 2 angrenzenden Ende des zylindrischen Elements 8 die Vorderkanten der Fenster 8a um den Winkel θ beabstandet, ebenso sind die Vorderkanten der in der Nähe der Aus­ gangswelle 3 befindlichen Fenster 8b des zylindrischen Elements 8 um den zyklischen Winkel θ beabstandet, jedoch gegenüber der entsprechenden Vorderkante des entsprechen­ den Fensters 8a um den halben zyklischen Winkel (θ/2) versetzt.

Wenn auf den Torsionsstab 4 keine Torsionskraft ausgeübt wird (wenn das Lenkdrehmoment null ist), überlappt die der Mittelabschnitt in Breitenrichtung der Fenster 8a in Umfangsrichtung jeweils mit einem Endabschnitt in Um­ fangsrichtung einer der Nuten 3A, während jeder Mittelab­ schnitt in Breitenrichtung der Fenster 8b in Umfangsrich­ tung mit dem anderen Endabschnitt der jeweiligen Nut 3A in Umfangsrichtung überlappt. Daher ist der Überlappungs­ zustand der Fenster 8a und der Nuten 3A zum Überlappungs­ zustand der Fenster 8b mit den Nuten 3A in Umfangsrich­ tung entgegengesetzt, wobei die Mitten der Fenster 8a und der Fenster 8b in Umfangsrichtung von den Mitten der Nuten 3A in Umfangsrichtung jeweils um θ/4 versetzt sind.

Das zylindrische Element 8 ist von einem Joch bedeckt, das von Spulen 10 und 11 der gleichen Bauart umwickelt ist. Die Spulen 10 und 11 sind zum zylindrischen Element 8 koaxial, wobei die Spule 10 um das Joch 9 in der Weise gewickelt ist, daß sie denjenigen Abschnitt bedeckt, in dem die Fenster 8a ausgebildet sind, während die Spule 11 um das Joch 9 in der Weise gewickelt ist, daß sie denje­ nigen Teil bedeckt, in dem die Fenster 8b ausgebildet sind. Das Joch 9 ist am Gehäuse 1 befestigt. Im Gehäuse 1 ist ein Raum, in dem das Schneckenrad 6 vorgesehen ist, von einem Raum, in dem das Joch 9 vorgesehen ist, durch eine Öldichtung 12 getrennt, wodurch verhindert wird, daß Schmiermittel, das in den Eingriffabschnitten des Schnec­ kenrades 6 und der Schnecke 7b vorhanden ist, in den Raum eindringt, in dem sich das Joch 9 befindet.

Die Spulen 10 und 11 sind mit einer Motorsteuerschaltung verbunden, die auf einer Leiterplatte 14 in einem Sensor­ gehäuse 13 angebracht ist.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, enthält die Motorsteuerschal­ tung zwei Widerstände R₀ mit im wesentlichen dem gleichen elektrischen Widerstand, die mit den Spulen 10 bzw. 11 in Serie geschaltet sind. Durch die Spulen 10 und 11 und die Widerstände R₀ wird eine Brückenschaltung gebildet. In der Brückenschaltung ist ein Verbindungsknoten zwischen den Spulen 10 und 11 mit der Stromquelle V_DD über eine Spulentreibereinheit 20 verbunden, die einen pnp-Transistor Tr enthält, während ein Verbindungsknoten zwischen den Widerständen R₀ mit Masse verbunden ist. Der Verbindungsknoten zwischen den Spulen 10 und 11 ist außerdem über eine Diode 21 (eine Freilaufdiode), die einen Stromfluß nur zuläßt, wenn in den Spulen 10 und 11 eine entgegengesetzte elektromotorische Kraft erzeugt wird, mit Masse verbunden.

Von einer Steuereinrichtung 25, die einen Mikroprozessor und eine Schnittstellenschaltung enthält, welche ihrer­ seits einen A/D-Umsetzer und einen D/A-Umsetzer, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, enthält, wird eine Steuerspannung V₁ an die Basis des Transistors Tr in der Spulentreiberschaltung 20 geliefert. Wie in Fig. 4(a) gezeigt ist, ist die Steuerspannung V₁ eine Spannung, die sich gemäß einer Rechteckwelle verändert, wobei die Ausgangsintervalle der Rechteckwelle mit einem Abtasttakt in der Steuereinrichtung 25 synchronisiert sind. Da der Transistor Tr in der Spulentreibereinheit 20 vom pnp-Typ ist, ist die Steuerspannung V₁ eine Spannung in negativer Logik, die zu dem Zeitpunkt, zu dem der Transistor Tr auf Durchlaß geschaltet wird, vom logischen Wert "1" auf den logischen Wert "0" fällt und zum Zeitpunkt, zu dem der Transistor Tr gesperrt wird, vom logischen Pegel "0" zum logischen Pegel "1" ansteigt. Eine Spannung V₂, die von der Spulentreibereinheit 20 an die Spulen 10 und 11 geliefert wird, verändert sich ebenfalls gemäß einer Rechteckwelle, die in Fig. 4(b) gezeigt ist und die mit dem Ein- und Ausschalten des Transistors Tr synchroni­ siert ist. Das heißt, die Spannung V₂ besitzt eine Si­ gnalform, die sich entgegengesetzt zu der Steuerspannung V₁ verändert.

Eine Ausgangsspannung V₃ der Brückenschaltung, die die Spannung zwischen der Spule 10 und dem Widerstand R₀ bildet, und die weitere Ausgangsspannung V₄ der Brücken­ schaltung, die die Spannung zwischen der Spule 11 und dem Widerstand R₀ bildet, werden in einen Differenzverstärker 22 eingegeben. Von der Steuereinrichtung 25 wird außerdem eine Referenzspannung V_R ausgegeben, die über zwei in Serie geschaltete Widerstände R₁ und R₂ geteilt wird, wovon eine vorgegebene Neutralspannung V_r ebenfalls an den Differenzverstärker 22 angelegt wird. Der Differenz­ verstärker ist so beschaffen, daß er eine Ausgangsspan­ nung V₅ ausgibt, die sich anhand der folgenden Formel (1) ergibt. In dieser Formel hat G die Bedeutung des Verstär­ kungsfaktors:

V₅ = G · (V₃ - V₄) + V_r (1).

Wenn die Referenzspannung V_R beispielsweise 5 V beträgt und wenn die Widerstände R₁ und R₂ den gleichen Wert besitzen, so daß V_r = 2,5 V ist, ändert sich die Aus­ gangsspannung V₅ um 2,5 V in bezug auf die Mitte des Bereichs, der der Differenz zwischen den Ausgangsspannun­ gen V₃ und V₄ entspricht.

Die Ausgangsspannung V₅ des Differenzverstärkers 22 wird von der Abtast/Halte-Schaltung 23 gehalten und an die Steuereinrichtung 25 als Ausgangsspannung V in einer vorgegebenen Abtastperiode geliefert. Die Steuereinrich­ tung 25 liefert ein Haltesignal V_S, das aus einer kurzen Impulsspannung besteht, die in Fig. 5(7) gezeigt ist und die gleichzeitig mit der Abstiegsflanke der Steuerspan­ nung V₁ ansteigt und nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeitperiode abfällt, an die Abtast/Halte-Schaltung 23, die die Ausgangsspannung V₅ zum Zeitpunkt des Abfalls des Haltesignals V_S als Ausgangsspannung V hält.

Die Abstiegszeit des Haltesignals V_S (d. h. die Impuls­ breite des Haltesignals V_S) liegt innerhalb der Periode, in der die Ausgangsspannungen V₃ und V₄ im Übergangszu­ stand (oder Veränderungszustand) an den Differenzverstär­ ker 22 geliefert werden. Genauer ist die Abstiegszeit des Haltesignals V_S die Zeitpunkt, zu der die einer Zeitkon­ stante τ entsprechende Dauer seit der Abstiegszeit der Steuerspannung V₁ verstrichen ist, wobei τ durch die Induktivitäten der Spulen 10 und 11 und der elektrischen Widerstände R₀ bestimmt ist und zum Halten der Ausgangs­ spannung V₅ zu dem Zeitpunkt, zu dem die Differenz am größten ist, wenn zwischen den Ausgangsspannungen V₃ und V₄ irgendeine Differenz vorhanden ist, verwendet wird.

Die Steuereinrichtung 25 berechnet die Richtung und den Betrag der relativen Drehbewegung der Eingangswelle 2 und des zylindrischen Elements 8 auf der Grundlage der Aus­ gangsspannung V, die von der Abtast/Malte-Schaltung 23 geliefert wird, und multipliziert das Ergebnis mit einer vorgegebenen Proportionalitätskonstante, um das erzeugte Lenkdrehmoment zu erhalten, und steuert eine Motortrei­ bereinheit 26, die aus einem Leistungstransistor und anderen in der Zeichnung nicht dargestellten Bauelementen gebildet ist, um auf der Grundlage des Rechenergebnisses an den Motor einen Treiberstrom I zu liefern, mit dem ein Hilfsdrehmoment erzeugt wird, das das vom Fahrer aufzu­ bringende Lenkdrehmoment reduziert.

Von einem in der Zeichnung nicht gezeigten Fahrgeschwin­ digkeitssensor wird ein Fahrgeschwindigkeit-Erfassungs­ signal an die Steuereinrichtung 25 geliefert, auf dessen Grundlage die Steuereinrichtung 25 die Fahrgeschwindig­ keit des Fahrzeugs ermittelt. Da das Hilfslenkdrehmoment bei hoher Fahrgeschwindigkeit nicht erforderlich ist, wird die Steuerung der Motortreibereinheit 26 in diesem Fall gesperrt. Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, wird an die Steuereinrichtung 25 außerdem ein Stromerfas­ sungssignal für eine Rückkopplungssteuerung des in den Elektromotor 7 fließenden Stroms geliefert.

Nun wird die Funktionsweise der ersten Ausführungsform des Drehmomentsensors der Erfindung beschrieben.

Wenn sich das Lenksystem im Neutralzustand befindet und das Lenkdrehmoment null ist, ist zwischen der Eingangs­ welle 2 und der Ausgangswelle 3 keine relative Drehung vorhanden. Daher wird auch zwischen der Ausgangswelle 3 und dem zylindrischen Element 8 keine relative Drehung erzeugt.

Wenn die Eingangswelle aufgrund einer Betätigung des Lenkrades gedreht wird, wird die Drehkraft über den Torsionsstab 4 an die Ausgangswelle 3 übertragen. Da zu diesem Zeitpunkt an der Ausgangswelle 3 eine der Dreh­ kraft entgegenwirkende Widerstandskraft erzeugt wird, die einer Reibungskraft zwischen den eingeschlagenen Fahr­ zeugrädern und der Fahrbahnoberfläche und/oder einer Reibungskraft, die durch den Eingriff zwischen den Zahn­ rädern der Zahnstangenlenkvorrichtung an der Ausgangswel­ le 3 gegeben ist, entspricht, wird zwischen der Eingangs­ welle 2 und der Ausgangswelle 3 eine relative Drehung erzeugt, da die Ausgangswelle 3 wegen des Torsionsstabs 4 mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber der Eingangs­ welle 2 gedreht wird. Dadurch wird auch zwischen der Ausgangswelle 3 und dem zylindrischen Element 8 eine relative Drehung erzeugt.

Wenn im zylindrischen Element 8 keine Fenster vorhanden wären, würde in der äußeren Umfangsfläche des zylindri­ schen Elements in einer zum Spulenstrom entgegengesetzten Richtung ein Wirbelstrom erzeugt, wenn aufgrund des durch die Spulen fließenden Wechselstroms ein Wechselmagnetfeld erzeugt wird, da das zylindrische Element 8 aus einem elektrisch leitenden und nichtmagnetischen Material hergestellt ist.

Wenn das von dem Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld und das von den Spulen erzeugte Magnetfeld überlagert würden, würde das Magnetfeld innerhalb des zylindrischen Elements 8 verschwinden.

Aufgrund der Fenster 8a und 8b im zylindrischen Element 8 wird der Fluß in Umfangsrichtung unterbrochen, so daß der in der Umfangsfläche des zylindrischen Elements 8 erzeug­ te Wirbelstrom eine Schleife bildet und längs der Ränder der Fenster 8a und 8b zur inneren Umfangsfläche des zylindrischen Elements 8 und dann längs der inneren Umfangsfläche in einer zur Richtung des Spulenstroms entgegengesetzten Richtung fließt und schließlich zur äußeren Umfangsfläche längs der Kanten der Fenster 8a und 8b zurückkehrt.

In diesem Zustand wird in Umfangsrichtung innerhalb der Spulen periodisch (θ = 360°/N) eine Wirbelstromschleife erzeugt.

Die vom Spulenstrom und vom Wirbelstrom erzeugten Magnet­ felder werden überlagert, wobei die Magnetfelder, deren Stärke sich periodisch verändert und proportional zum Abstand von der Mitte abnimmt, in Umfangsrichtung sowohl innerhalb als auch außerhalb des zylindrischen Elements 8 erzeugt werden. Die Magnetfelder in Umfangsrichtung sind in der Mitte der Fenster 8a und 8b, in denen sich ein starker Einfluß der angrenzenden Wirbelströme bemerkbar macht, stark und in Bereichen, die von den Zentren um einen halben zyklischen Winkel (θ/2) beabstandet sind, schwach.

Die Welle 3 aus magnetischem Material ist koaxial zum zylindrischen Element 8 vorgesehen, wobei an der Welle 3 in gleichen Zyklen wie die Fenster 8a und 8b Nuten 3A und Vorsprünge 3B ausgebildet sind.

Eine in einem Magnetfeld angeordnete magnetische Substanz wird magnetisiert und erzeugt eine spontane Magnetisie­ rung (Magnetfluß), deren Betrag entsprechend der Stärke des Magnetfeldes bis zur Sättigung anwächst.

Die spontane Magnetisierung in der Welle 3 verändert sich durch das Magnetfeld, das im zylindrischen Element 8 erzeugt wird und dessen Stärke sich in Umfangsrichtung periodisch und in radialer Richtung umgekehrt proportio­ nal entsprechend der Phase relativ zum zylindrischen Element 8 verändert.

Die Phase einer maximalen spontanen Magnetisierung liegt in einem Zustand vor, in dem die Mitten der Fenster 8a und 8b auf die Mitten der Vorsprünge ausgerichtet sind, wobei sich die Induktivität der Spule entsprechend der Veränderung der spontanen Magnetisierung verändert. Diese Veränderung erfolgt angenähert sinusförmig.

In einem Zustand, in dem kein Drehmoment wirkt, weicht die Phase um einen Viertelzyklus (θ/4) von der Phase ab, bei der die spontane Magnetisierung (Induktivität) am größten ist, wobei die Phasendifferenz zwischen einer Fensterreihe in der Nähe der Hülse 2A und der anderen Fensterreihe wie oben beschrieben gleich dem halben Zykluswinkel (θ/2) ist.

Falls daher durch das Drehmoment zwischen dem zylindri­ schen Element 8 und der Welle 3 irgendeine Phasendiffe­ renz erzeugt wird, wird eine der Induktivitäten der Spulen 10 bzw. 11 erhöht, während die andere im gleichen Maß erniedrigt wird.

Falls das Lenkdrehmoment null ist und das Lenksystem sich in der Neutralstellung befindet, sind die Induktivitäten der Spulen 10 und 11 gleich, so daß die selbstinduzierten elektromotorischen Kräfte der Spulen 10 und 11 gleich sind und zwischen den Impedanzen der Spulen 10 und 11 kein Unterschied vorhanden ist.

Wenn in diesem Zustand von der Steuereinrichtung 25 die Steuerspannung V₁, die in Fig. 4(a) gezeigt ist, an die Spulentreibereinheit 20 angelegt worden ist, wird die Spannung V₂, die hierzu entgegengesetzt ist, wie in Fig. 4(b) gezeigt ist, an die Spulen 10 und 11 angelegt, wobei die Werte der Ausgangsspannungen V₃ und V₄ der Brückenschaltung im Übergangszustand einander gleich werden, wie in Fig. 5(1) gezeigt ist. Dann wird die Ausgangsspannung V₅ des Differenzverstärkers 22 auf der Neutralspannung V_r gehalten, wie in Fig. 5(4) gezeigt ist, so daß die Ausgangsspannung V der Abtast/Halte- Schaltung 23 auf der Neutralspannung V_r gehalten wird, wie in Fig. 5(10) gezeigt ist, selbst wenn ein Haltesi­ gnal V_S ausgegeben wird, das in Fig. 5(7) gezeigt ist.

Daher stellt die Steuereinrichtung 25 fest, daß das Lenkdrehmoment des Lenksystems null ist, so daß die Motortreibereinheit 26 keinen Treiberstrom I ausgibt und das Hilfslenkdrehmoment, das zu diesem Zeitpunkt im Lenksystem nicht erforderlich ist, nicht erzeugt wird.

Wenn hingegen ein Lenkdrehmoment nach rechts erzeugt wird, nimmt die Induktivität der Spule 10 im Vergleich zu dem Fall, in dem das Lenkdrehmoment Null ist, proportio­ nal zur Erhöhung des Lenkdrehmoments nach rechts zu, während die Induktivität der Spule 11 abnimmt. Die Induk­ tivität der Spule 10 nimmt jedoch proportional zum An­ stieg eines Lenkdrehmoments nach links ab, während in diesem Fall die Induktivität der Spule 11 ansteigt.

Wenn sich die Induktivitäten der Spulen 10 und 11 wie oben beschrieben verändern, verändern sich auch die Impedanzen der Spulen 10 und 11 in der gleichen Richtung, ferner verändern sich auch die selbstinduzierten elektro­ motorischen Kräfte der Spulen 10 und 11 in der gleichen Richtung.

Wenn das Lenkdrehmoment nach rechts erzeugt wird, ent­ steht zwischen der Ausgangsspannung V₃ und der Ausgangs­ spannung V₄ zum Übergangszeitpunkt eine Differenz, die mit zunehmendem Lenkdrehmoment ansteigt, da die Ausgangs­ spannung V₃ schneller als die Ausgangsspannung V₄ an­ steigt, wie in Fig. 5(2) gezeigt ist. Wenn hingegen das Lenkdrehmoment nach links erzeugt wird, entsteht zwischen den Ausgangsspannungen V₃ und V₄ zum Übergangszeitpunkt eine Differenz, die bei zunehmendem Lenkdrehmoment an­ steigt, da in diesem Fall die Ausgangsspannung V₄ schnel­ ler als die Ausgangsspannung V₃ ansteigt, wie in Fig. 5(3) gezeigt ist.

Daher verändert sich die Ausgangsspannung V₅ des Diffe­ renzverstärkers 22 wie in den Fig. 5(5) und 5(6) gezeigt in der Weise, daß sie von der Neutralspannung V_r entspre­ chend der Richtung und der Stärke des erzeugten Lenk­ drehmoments stark abweicht. Die Veränderungen der Selbst­ induktivität, die durch Temperaturschwankungen oder dergleichen hervorgerufen werden, werden im Differenzver­ stärker kompensiert.

Wenn die Ausgangsspannung V₅ zum Übergangszeitpunkt bei Anlegen des Haltesignals V_S, das in den Fig. 5(8) und 5(9) gezeigt ist, gehalten wird, wird bei Erzeugung eines Lenkdrehmoments nach rechts eine Ausgangsspannung V erzeugt, die höher als die Neutralspannung V_r ist, wie in Fig. 5(11) gezeigt ist, während bei Erzeugung eines Lenkdrehmoments nach links eine Ausgangsspannung V er­ zeugt wird, die niedriger als die Neutralspannung V_r ist, wie in Fig. 5(12) gezeigt ist.

Die Steuereinrichtung 25 erhält das Lenkdrehmoment durch Multiplikation der Differenz zwischen der gelieferten Ausgangsspannung V und der Neutralspannung V_r mit einer Proportionalitätskonstante und liefert das Ergebnis an die Motortreibereinheit 26, die ihrerseits den Treiber­ strom I, der der Richtung und der Stärke des Lenkdrehmo­ ments entspricht, an den Elektromotor 7 liefert.

Da eine der Richtung und der Stärke des erzeugten Lenk­ drehmoments entsprechende Drehkraft im Elektromotor 7 erzeugt und an die Ausgangswelle 3 über das Schneckenrad und dergleichen übertragen wird, wird das erzeugte Hilfs­ lenkdrehmoment auf die Ausgangswelle 3 übertragen, so daß das vom Fahrer auf zubringende Lenkdrehmoment reduziert wird.

Da selbst in der Struktur der ersten Ausführungsform, in der die Spannung V₂, die sich gemäß einer Rechteckwelle verändert, an die Spulen 10 und 11 geliefert wird, die Differenz zwischen den Übergangsspannungen der Ausgangs­ spannungen V₃ und V₄ gehalten und an die Steuereinrich­ tung 25 vom Differenzverstärker 22 und von der Ab­ tast/Halte-Schaltung 23 als Ausgangsspannung V₀ geliefert wird, kann anhand der Richtung und der Stärke des im Lenksystem erzeugten Lenkdrehmoments das entsprechende Hilfsdrehmoment erzeugt werden.

In der Anordnung, in der die Spulen 10 und 11 durch die Spannung V₂ angesteuert werden, die sich gemäß einer Rechteckwelle verändert, fließt der Strom durch die Spulen 10 und 11 nur während der Zeit, in der die Span­ nung V₂ hoch ist; somit kann der Stromverbrauch erheblich verringert werden, falls das Tastverhältnis der Signal­ form der Spannung V₂ ausreichend gering ist. Für die Lenkdrehmomenterfassung ist in der Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform zu dem Zeitpunkt, zu dem die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen V₃ und V₄ in der Übergangsperiode ausreichend groß ist, nur die Aus­ gangsspannung V₀ erforderlich, so daß die Spannung V₂ nur zwischen dem Abstieg der Ausgangsspannung V₁ und dem Zeitpunkt, zu dem die der Zeitkonstante τ entsprechende Dauer verstrichen ist, ansteigen muß. Daher muß der Transistor Tr bei Einbeziehung eines Sicherheitsfaktors nur während der Zeitperiode auf Durchlaß geschaltet werden, die etwas länger als die Zeitkonstante τ ist, so daß das Tastverhältnis der Spannung V₂ auf einen äußerst kleinen Wert (z. B. auf ungefähr 5%) reduziert werden kann. Da die Zeitdauer, während der ein Strom durch die Spulen 10 und 11 fließt, äußerst kurz wird, kann im Ergebnis der Stromverbrauch reduziert werden, so daß auch die erzeugte Wärmemenge reduziert werden kann. Aufgrund einer Reduzierung der erzeugten Wärmemenge kann die Wahrscheinlichkeit von zu erwartenden Fehlfunktionen abgesenkt werden.

Da die Spulen 10 und 11 mit der Spannung V₂, die sich gemäß einer Rechteckwelle verändert, nur bei Anlegen der Steuerspannung V₁ an den Transistor Tr, d. h. durch eine Ein/Aus-Steuerung durch die Steuereinrichtung 25, ange­ steuert werden können, ist die Anzahl der erforderlichen Bauteile geringer als im Fall einer Sinuswellenansteue­ rung, außerdem ist die für die einzelnen elektronischen Bauteile erforderliche Genauigkeit niedriger. Daher ist eine Kostenreduzierung zu erwarten.

In der ersten Ausführungsform entspricht die Ausgangswel­ le 2 der zweiten Drehwelle und die Ausgangswelle 3 der ersten Drehwelle, während der Vorsprung 3B dem Abschnitt entspricht, der keine Nut aufweist, und der Abschnitt der Ausgangswelle 3, die vom zylindrischen Element 8 bedeckt ist, dem bedeckten Abschnitt entspricht.

Fig. 6 ist ein Stromlaufplan zur Erläuterung der Motor­ steuerschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Da der gesamte Aufbau wie etwa die Servolenk­ vorrichtung gleich wie in der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform ist, werden Erläuterungen und Beschrei­ bungen hiervon weggelassen. Für die gleichen Konstituen­ ten wie in der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, außerdem wird eine nochmalige Beschreibung dieser Konstituenten weggelassen.

In der zweiten Ausführungsform sind vor dem Differenzver­ stärker 22 zwei Abtast/Halte-Schaltungen 23A und 23B vorgesehen, wobei die Ausgangsspannung V₃ an die Ab­ tast/Halte-Schaltung 23A angelegt wird, während die Ausgangsspannung V₄ an die Abtast/Halte-Schaltung 23B angelegt wird. Die Ausgangsspannungen V₃′ und V₄′ der Abtast/Halte-Schaltungen 23A bzw. 23B werden an den Differenzverstärker 22 angelegt, dessen Ausgang in die Steuereinrichtung 25 eingegeben wird.

In der obenbeschriebenen Anordnung werden die Ausgangs­ spannungen V₃ und V₄ während der Übergangsperiode vor der differentiellen Verstärkung der Ausgangsspannungen V₃ und V₄ wie in den Fig. 7(1) bis 7(3) gezeigt gehalten, ferner wird die Differenz zwischen den gehaltenen Ausgangsspan­ nungen V₃′ und V₄′ vom Differenzverstärker 22 verstärkt, um die Ausgangsspannung V zu erzeugen, die in den Fig. 7(8) bis 7(10) gezeigt ist. Da die Abtast/Halte- Schaltungen 23A und 23B in einer Vorstufe vor dem Diffe­ renzverstärker vorgesehen sind, besitzt diese Anordnung den Vorteil, daß der Einfluß einer Zeitabweichung des Haltesignals V_S gesenkt wird.

Fig. 8 ist ein Stromlaufplan, der die Motorsteuerschal­ tung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Da der gesamte Aufbau wie etwa die Servolenkvor­ richtung der gleiche wie in der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform ist, werden Erläuterungen und Beschrei­ bungen hiervon weggelassen. Gleiche Konstituenten wie in der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird eine nochmalige Beschreibung dieser Konstituenten weggelassen.

In der dritten Ausführungsform besitzt die Motorsteuer­ schaltung mit Ausnahme der Tatsache, daß eine Anomalie­ überwachungseinheit 30 vorgesehen ist, den gleichen Aufbau wie in der ersten Ausführungsform. Die Anomalie­ überwachungseinheit 30 enthält eine Abtast/Halte-Schaltung 31, an die die Ausgangsspannung V₃ von der Brückenschaltung angelegt wird, eine Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestimmungseinrichtung 32, an die die Aus­ gangsspannung der Abtast/Halte-Schaltung 31 angelegt wird, und einen npn-Transistor 33, an dessen Basis der Ausgang der Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestimmungs­ einrichtung 32 angelegt wird. Von der Steuereinrichtung 25 wird an die Abtast/Halte-Schaltung 31 in der gleichen Weise wie an die Abtast/Halte-Schaltung 23 ein Haltesi­ gnal V_S angelegt. Die Obergrenzen- und Untergrenzen- Bestimmungseinrichtung 32 enthält einen Fensterkomparator und andere Komponenten und legt an die Basis des Transi­ stors 33 eine Spannung an, die den Transistor 33 auf Durchlaß schaltet, wenn der momentane Wert der Ausgangs­ spannung V₃, die den Ausgang der Abtast/Halte-Schaltung 31 bildet, außerhalb eines geeigneten Bereichs liegt. Der Emitter des Transistors 33 ist mit Masse verbunden, während der Kollektor des Transistors 33 mit dem Knoten verbunden ist, über den an den Differenzverstärker 22 die Neutralspannung V_r angelegt wird.

Wenn in der obenbeschriebenen Anordnung eine Anomalie wie etwa ein Kurzschluß oder ein Drahtbruch sowohl in der Spule 10 als auch in der Spule 11 auftritt, wird die Ausgangsspannung V₃ null oder V_DD (z. B. 5 V), wobei dieser Wert zunächst in der Abtast/Halte-Schaltung 31 gehalten und dann an die Obergrenzen- und Untergrenzen- Bestimmungseinrichtung 32 geliefert wird; somit stellt die Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestimmungseinrichtung 32 fest, daß die Ausgangsspannung V₃ außerhalb des geeig­ neten Bereichs liegt, so daß der Transistor 33 auf Durch­ laß geschaltet wird. Da dann die Neutralspannung V_r, die an den Differenzverstärker 22 angelegt wird, auf Null gezwungen wird, wird die Ausgangsspannung V₅ des Diffe­ renzverstärkers 22 unabhängig von den Spannungen V₃ und V₄ null, so daß auch die Ausgangsspannung V₀ null wird. Da folglich das Auftreten einer Anomalie anhand der Tatsache erkannt werden kann, daß die Ausgangsspannung V₀ nicht innerhalb des geeigneten Bereichs liegt, kann die Steuerung zur Erzeugung des Hilfslenkdrehmoments angehal­ ten werden, so daß die Erzeugung eines unnötigen Hilfs­ lenkdrehmoments bei Auftreten einer Anomalie angehalten werden kann.

Falls entweder in der Spule 10 oder in der Spule 11 ein Kurzschluß oder ein Drahtbruch auftritt, wird die Diffe­ renz zwischen den Ausgangsspannungen V₃ und V₄ äußerst groß (falls beispielsweise in der Spule 10 ein Kurzschluß aufgetreten ist, wird die Ausgangsspannung V₃ gleich V_DD, während bei Auftreten eines Drahtbruchs in der Spule 10 die Ausgangsspannung V₃ null wird); somit nimmt die Ausgangsspannung V₅ des Differenzverstärkers 22 einen Wert außerhalb des geeigneten Bereichs an, außerdem nimmt auch die Ausgangsspannung V der Abtast/Halte-Schaltung 23 einen Wert außerhalb des geeigneten Bereichs an. Da folglich das Auftreten einer Anomalie anhand der Tatsache erkannt werden kann, daß die Ausgangsspannung V₀ nicht innerhalb des geeigneten Bereichs liegt, kann die Steue­ rung für die Erzeugung des Hilfslenkdrehmoments angehal­ ten werden, ferner kann die Erzeugung eines nicht erfor­ derlichen Hilfslenkdrehmoments bei Auftreten der Anomalie beendet werden.

Wenn eine Anomalie auftritt, während durch die Spulen 10 und/oder 11 kein Strom fließt, z. B. bei Auftreten einer Anomalie in der Spulentreibereinheit 20, werden die Ausgangsspannung V₅ des Differenzverstärkers 22 und die Ausgangsspannung V₀ der Abtast/Halte-Schaltung 23 gleich der Neutralspannung V_r und erkennt die Steuereinrichtung 25, daß das Lenkdrehmoment den Wert Null besitzt, da die beiden Ausgangsspannungen V₃ und V₄ gleich null sind. Daher wird bei Auftreten einer derartigen Anomalie das Hilfslenkdrehmoment, das einen erhöhten Kraftaufwand zum Drehen des Lenkrads erfordern könnte, nicht erzeugt.

Die Anordnung gemäß der dritten Ausführungsform besitzt den Vorteil, daß die Anomalieüberwachungseinheit 30 die Erfassung einer Anomalie in der Motortreiberschaltung der Steuereinrichtung 25 erleichtert, so daß die Erzeugung eines nicht erforderlichen Hilfslenkdrehmoments bei Vorliegen einer Anomalie verhindert wird. Die weiteren Wirkungen sind die gleichen wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben.

Fig. 9 ist ein Stromlaufplan der Motorsteuerschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Da der gesamte Aufbau wie etwa die Servolenkvorrichtung gleich dem der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform ist, werden die Erläuterungen und Beschreibungen hiervon weggelassen. Die gleichen Konstituenten wie in der oben­ beschriebenen ersten Ausführungsform sind mit den glei­ chen Bezugszeichen bezeichnet, außerdem werden nochmalige Beschreibungen hiervon weggelassen.

In der vierten Ausführungsform besitzt die Motorsteuer­ schaltung den gleichen Aufbau wie in der dritten Ausfüh­ rungsform, mit der Ausnahme, daß der Transistor 33 in der Anomalieüberwachungseinheit 30 weggelassen ist. Der Ausgang von der Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestim­ mungseinrichtung 32 in der Anomalieüberwachungseinheit 30 wird an die Steuereinrichtung 25 geliefert. Falls in dieser Anordnung eine Anomalie wie etwa ein Kurzschluß oder ein Drahtbruch sowohl in der Spule 10 als auch in der Spule 11 auftritt, wird die Ausgangsspannung V₃ Null bzw. V_DD, wobei dieser Wert in der Abtast/Halte-Schaltung 31 gehalten und dann an die Obergrenzen- und Untergren­ zen-Bestimmungseinrichtung 32 geliefert wird; somit bestimmt die Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestimmungs­ einrichtung 32, daß die Ausgangsspannung V₃ außerhalb des geeigneten Bereichs liegt, und schickt das Ergebnis an die Steuereinrichtung 25. Da folglich die Steuereinrich­ tung 25 das Auftreten einer Anomalie erkennen kann, wird die Steuerung der Erzeugung des Hilfslenkdrehmoments angehalten, um bei Auftreten der Anomalie die Erzeugung eines nicht erforderlichen Hilfslenkdrehmoments zu ver­ meiden. Die Wirkungen bei Auftreten einer anderen Anoma­ lie sind die gleichen wie in der obenbeschriebenen drit­ ten Ausführungsform, außerdem sind weitere Wirkungen gleich denjenigen der obenbeschriebenen ersten Ausfüh­ rungsform.

Im Vergleich zur dritten Ausführungsform besitzt die vierte Ausführungsform den Vorteil, daß der Transistor 33 nicht erforderlich ist. Fig. 10 ist ein Stromlaufplan der Motorsteuerschaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Da der gesamte Aufbau wie etwa die Servo­ lenkvorrichtung gleich demjenigen der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform ist, werden Erläuterungen und Beschreibungen hiervon weggelassen. Die gleichen Konsti­ tuenten wie in der ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, ferner werden nochma­ lige Beschreibungen hiervon weggelassen.

Die Anordnung der fünften Ausführungsform ist gleich derjenigen der Motorsteuerschaltung gemäß der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß die Ausgangsspan­ nung V₃ von der Brückenschaltung an die Steuereinrichtung 25 über einen Pegelumsetzer 35 angelegt wird. Die Aus­ gangsspannung V₃, die sich wie in Fig. 11(a) gezeigt verändert, wird von der Steuereinrichtung 25 in einem Zeitverlauf gelesen, der in Fig. 11(b) gezeigt ist. Das heißt, daß die Steuereinrichtung 25 die Ausgangsspannung V₃ im Normalzustand liest.

Falls in der Anordnung gemäß der fünften Ausführungsform eine Anomalie wie etwa ein Kurzschluß oder ein Drahtbruch sowohl in der Spule 10 als auch in der Spule 11 auftritt, wird die normale Ausgangsspannung V₃ gleich null oder V_DD und an die Steuereinrichtung 25 über den Pegelumsetzer 35 angelegt, so daß die Steuereinrichtung 25 das Auftreten einer Anomalie erkennen kann und die Steuerung zur Erzeu­ gung des Hilfslenkdrehmoments anhalten kann, so daß die Erzeugung eines nicht erforderlichen Hilfslenkdrehmoments bei Auftreten einer Anomalie verhindert werden kann. Die Wirkungen bei Auftreten einer anderen Anomalie sind die gleichen wie in der obenbeschriebenen dritten Ausfüh­ rungsform, ferner sind die weiteren Wirkungen die glei­ chen wie in der obenbeschriebenen ersten Ausführungsform.

Im Vergleich zur dritten und zur vierten Ausführungsform besitzt die fünfte Ausführungsform den Vorteil, daß die Anomalieüberwachungseinheit 30 vereinfacht ist.

Die Fig. 12(a) bis 12(c) zeigen Signalformen der sechsten Ausführungsform der Erfindung. Da der Aufbau der Vorrich­ tung der sechsten Ausführungsform gleich demjenigen der obenbeschriebenen fünften Ausführungsform ist, werden Erläuterungen und Beschreibungen hiervon weggelassen.

In der sechsten Ausführungsform wir zusätzlich zu den Operationen der obenbeschriebenen fünften Ausführungsform der Ausgabezeitpunkt des Haltesignals V_s bei T₁ und T₃ vor und nach der Übergangsperiode T₂ der Ausgangsspannung V₅ des Differenzverstärkers 22 gesetzt, wie in den Fig. 12(a) bis 12(c) gezeigt ist, so daß die Ausgangs­ spannung V₅ für jede Rechteckwelle der Spannung V₂ drei­ mal gehalten wird, wie in Fig. 12(d) gezeigt ist, so daß die Steuereinrichtung 25 die Ausgangsspannung V zu jedem Zeitpunkt lesen kann.

In der obenbeschriebenen Anordnung kann die Steuerein­ richtung 25 die Ausgangsspannung V₀ in den drei Zuständen erkennen und auf der Grundlage jeder Ausgangsspannung V erkennen, ob der Differenzverstärker 22 normal arbeitet. Die Hilfslenkdrehmoment-Steuerung wird daher anhand der Bestimmung der Richtung und der Stärke des erzeugten Lenkdrehmoments in der gleichen Weise wie in der obenbe­ schriebenen ersten Ausführungsform auf der Grundlage der Werte der Ausgangsspannung V₀, die während der Übergangs­ periode T₂ gehalten wird, ausgeführt, außerdem ist es möglich, das Auftreten einer Anomalie im Differenzver­ stärker 22 festzustellen, wenn die beiden Werte der Ausgangsspannung V₀, die zu den Zeitpunkten T₁ und T gehalten werden, nicht gleich der Neutralspannung V_r sind. Wenn in einem weiteren Fall beispielsweise eine Anomalie wie eine fehlerhafte Verschweißung oder eine fehlerhafte Verlötung in den Spulen 10 und/oder 11 vor­ liegt, ist es, da der Kontaktwiderstand ansteigt und somit die an einem der beiden Normalzustands-Zeitpunkte T₁ und T₃ gehaltene Ausgangsspannung V niedriger als die Neutralspannung V_r wird, möglich, den Durchgangszustand der Spulen 10 und 11 anhand der Abweichung der Ausgangs­ spannungen V von der Neutralspannung V_r zu bestimmen. Wie in der fünften Ausführungsform ist es auch hier möglich, das Auftreten einer Anomalie wie etwa eines Kurzschlusses oder eines Drahtbruchs in den beiden Spulen 10 und 11 zu erfassen. Die Wirkungen bei anderen Anomalien sind die gleichen wie in der obigen dritten Ausführungsform, alle weiteren Wirkungen sind die gleichen wie in der obenbe­ schriebenen ersten Ausführungsform.

Fig. 13 zeigt einen Stromlaufplan der Motorsteuerschal­ tung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung. Da die gesamte Anordnung wie etwa die Servolenkvorrich­ tung gleich wie in der ersten Ausführungsform ist, werden die Erläuterungen und Beschreibungen hiervon weggelassen. Die gleichen Konstituenten wie in der ersten Ausführungs­ form sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, außerdem wird eine nochmalige Beschreibung hiervon wegge­ lassen.

Die Anordnung der siebten Ausführungsform ist gleich derjenigen der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß die Ausgangsspannungen V₃ und V₄ von der Brücken­ schaltung direkt zur Steuereinrichtung 25 geliefert werden. In der Steuereinrichtung 25 sind wenigstens drei A/D-Umsetzer für die jeweiligen Werte der Ausgangsspan­ nungen V₀, V₃ und V₄ vorgesehen.

Wie aus den Fig. 14(a) bis 14(d), die Signalformen der siebten Ausführungsform zeigen, hervorgeht, sind die Ausgabezeitpunkte für das Haltesignal V_S einmal im Nor­ malzustandszeitpunkt T₁ und einmal im Übergangszeitpunkt T₂ gesetzt, so daß die Ausgangsspannung V₅ für jede Rechteckwelle zweimal gehalten wird. Wie in den Fig. 15(a) und 15(b) gezeigt ist, wird die Ausgangsspan­ nung der Brückenschaltung zu zwei Normalzustandszeitpunk­ ten gelesen. Fig. 15(b) zeigt die Erfassungszeitpunkte der Ausgangsspannungen V₃ und V₄.

In der obigen Anordnung kann die Steuereinrichtung 25 auf der Grundlage der Ausgangsspannung V₀ erkennen, ob der Differenzverstärker 22 arbeitet und ob die Neutralspan­ nung V_r einen normalen Wert besitzt, außerdem kann sie eine Anomalie im Verbindungsabschnitt der Spulen 10 und 11 sowie eine Anomalie im Transistor Tr auf der Grundlage der Ausgangsspannungen V₃ und V₄ erkennen, indem sie einen Vergleich mit dem im voraus in der Steuereinrich­ tung 25 gesetzten Wert vornimmt. Die anderen Wirkungen sind die gleichen wie in der ersten und in der dritten Ausführungsform.

Obwohl die obenbeschriebenen Ausführungsformen für Fälle erläutert worden sind, in denen der Drehmomentsensor der Erfindung auf eine elektrisch angetriebene Servolenkvor­ richtung für Kraftfahrzeuge angewendet wird, ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht darauf einge­ schränkt. Da in der Erfindung das Drehmoment auf der Grundlage der Übergangsspannung erfaßt wird, die zwischen der Spule und dem Widerstand erzeugt wird, wenn die Spannung, die sich gemäß einer Rechteckwelle verändert, an die Spule angelegt wird, wird die Zeitdauer, während der durch die Spule ein Strom fließt, sehr stark ver­ kürzt, mit dem Ergebnis, daß der Stromverbrauch und damit die erzeugte Wärmemenge reduziert werden. Darüber hinaus können aufgrund der Reduzierung der Anzahl der erforder­ lichen elektronischen Bauelemente und der Abnahme der für die einzelnen elektronischen Bauelemente erforderlichen Genauigkeit die Kosten wirksam reduziert werden.

Claims (9)

1. Drehmomentsensor, mit
einer ersten Drehwelle (3),
einer zweiten Drehwelle (2), die koaxial zur ersten Drehwelle (3) angeordnet ist, und einem Torsionsstab (4), der die erste Drehwelle (3) mit der zweiten Drehwelle (2) verbindet,
gekennzeichnet durch
ein zylindrisches Element (8) aus einem elek­ trisch leitenden und nichtmagnetischen Material, das mit der zweiten Drehwelle (2) drehfest verbunden ist und eine äußere Umfangsfläche der ersten Drehwelle (3) bedeckt, wobei wenigstens der vom zylindrischen Element (8) be­ deckte Abschnitt der ersten Drehwelle (3) aus einem magnetischen Material hergestellt ist,
axiale Nuten (3A), die in dem vom zylindrischen Element (8) bedeckten Abschnitt der ersten Drehwelle (3) angeordnet sind,
Fenster (8a, 8b), die im zylindrischen Element (8) in der Weise angeordnet sind, daß als Antwort auf Drehungen der Fenster (8a, 8b) relativ zur ersten Dreh­ welle (3) die Anteile der Fenster (8a, 8b), die mit den Nuten (3A) überlappen, verändert werden,
eine Spuleneinrichtung (10, 11), die so angeord­ net ist, daß sie einen Teil des zylindrischen Elements (8) umgibt, in dem die Fenster (8a, 8b) ausgebildet sind, und
eine Steuerschaltung (20 bis 25), die eine Wider­ standseinrichtung (R₀, R₀), die an die Spuleneinrichtung (10, 11) in Serie angeschlossen ist, enthält und das Drehmoment, das in der ersten und in der zweiten Drehwel­ le (3, 2) erzeugt wird, auf der Grundlage einer Über­ gangsspannung (V₃, V₄) erfaßt, die zwischen der Spulen­ einrichtung (10, 11) und der Widerstandseinrichtung (R₀) erzeugt wird, wenn an die Spuleneinrichtung (10, 11) eine Rechteckspannung angelegt wird.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
die Spuleneinrichtung eine erste Spule (10) und eine zweite Spule (11) enthält,
die Widerstandseinrichtung einen ersten Wider­ stand (R₀), der mit der ersten Spule (10) in Serie ge­ schaltet ist, und einen zweiten Widerstand (R₀), der mit der zweiten Spule (11) in Serie geschaltet ist, enthält und
die erste Spule (10) und die zweite Spule (11) sowie der erste und der zweite Widerstand (R₀) eine Brückenschaltung bilden.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltung eine Spulentreibereinheit (20), die an die Spuleneinrichtung (10, 11) eine Recht­ eckspannung anlegt, einen Differenzverstärker (22), der an einen ersten Punkt zwischen der ersten Spule (10) und dem ersten Widerstand (R₀) sowie an einen zweiten Punkt zwischen der zweiten Spule (11) und dem zweiten Wider­ stand (R₀) angeschlossen ist, eine Abtast/Halte-Schaltung (23), die an den Differenzverstärker (22) angeschlossen ist, sowie eine Steuereinrichtung (25) enthält, die an die Abtast/Halte-Schaltung (23) und an die Spulentrei­ bereinheit (20) angeschlossen ist und das Drehmoment berechnet.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltung eine Spulentreibereinheit (20), die an die Spuleneinrichtung (10, 11) eine Recht­ eckspannung anlegt, eine erste Abtast/Halte-Schaltung (23A), die an einen ersten Punkt zwischen der ersten Spule (10) und dem ersten Widerstand (R₀) angeschlossen ist, eine zweite Abtast/Halte-Schaltung (23B), die an einen zweiten Punkt zwischen der zweiten Spule (11) und dem zweiten Widerstand (R₀) angeschlossen ist, einen Differenzverstärker (23), der an die erste und an die zweite Abtast/Halte-Schaltung (23A, 23B) angeschlossen ist, sowie eine Steuereinrichtung (25) enthält, die an den Differenzverstärker (22) und an die Spulentreiberein­ heit (20) angeschlossen ist und das Drehmoment berechnet.

5. Drehmomentsensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltung eine Anomalieüberwachungsein­ heit (30) für die Erfassung einer Anomalie der Spulenein­ richtung (10, 11) enthält.

6. Drehmomentsensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anomalieüberwachungseinheit (30) eine zweite Abtast/Halte-Schaltung (31), die an den ersten Punkt angeschlossen ist, eine Obergrenzen- und Untergrenzen- Bestimmungseinrichtung (32), die an die zweite Ab­ tast/Halte-Schaltung (31) angeschlossen ist, sowie eine Schalteinrichtung (33) enthält, die an die Obergrenzen- und Untergrenzen-Bestimmungseinrichtung (32) angeschlos­ sen ist.

7. Drehmomentsensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anomalieüberwachungseinheit (30) eine zweite Abtast/Halte-Schaltung (31), die an den ersten Punkt angeschlossen ist, und eine Obergrenzen- und Untergren­ zen-Bestimmungseinrichtung (32) enthält, die an die zweite Abtast/Halte-Schaltung (31) und an die Steuerein­ richtung (25) angeschlossen ist.

8. Drehmomentsensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anomalieüberwachungseinheit einen Pegelumset­ zer (35) enthält, der an den ersten Punkt und an die Steuereinrichtung (25) angeschlossen ist.

9. Drehmomentsensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) wenigstens drei A/D-Umsetzer enthält und an den ersten Punkt angeschlossen ist.