DE19924601C2

DE19924601C2 - Drehmomentdetektor

Info

Publication number: DE19924601C2
Application number: DE19924601A
Authority: DE
Inventors: Katsuaki Yasui
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: JP3480909B2; KR20000005716A; KR100347875B1; JP2000055754A; DE19924601A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentdetektor zum Erfassen eines Drehmoments ohne einen direkten Kontakt, wenn eine externe Kraft auf eine Drehwelle eines Automobil- Servolenkmechanismus etc. angewendet wird.

BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIK

In einem Automobil-Servolenkungsmechanismus ist es erforderlich, den Drehmomentbetrag zu erfassen, der an das Lenkrad angelegt wird, um den Betrag einer erforderlichen Leistungsunterstützung zu bestimmen. Drehmomentdetektoren für diesen Zweck sind vorgeschlagen worden, beispielsweise derjenige, der in dem offengelegten Gebrauchsmuster Nr. 1- 180737 offenbart ist.

Wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt der Drehmomentdetektor eine obere Welle 101, die an einem Lenkrad (nicht gezeigt) angebracht ist; eine untere Welle 102, die an dem Ritzelzahnrad eines Lenkmechanismus (nicht gezeigt) angebracht ist; einen Torsionsstab 103, der auf der Mittenachse der oberen Welle 101 und der unteren Welle 102 angeordnet ist und mit den zwei Wellen verbunden ist, um so in der Richtung einer Verbindung elastisch zu sein; ein Gehäuse 105, welches drehbar die obere Welle mit Hilfe eines Lagers 104 haltert; einen Spulenkörper 106, der innerhalb des Gehäuses 105 angeordnet ist; erste und zweite bewegbare magnetische Zylinder 107, 108, die aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet sind und an der oberen Welle befestigt sind; dritte und vierte bewegbare magnetische Zylinder 109, 110, die aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet sind und an der unteren Welle befestigt sind; und erste bis vierte Spulen 111, 112, 113, 114, die um den Spulenkörper innerhalb des Gehäuses 105 gewickelt sind.

Die ersten und dritten bewegbaren magnetischen Zylinder 107, 109 sitzen Seite an Seite in der axialen Richtung und erste und dritte gezahnte Abschnitte 107a, 109a befinden sich in jeweiligen gegenüberliegenden Kanten. Die erste Spule 111 ist so angeordnet, daß sie diese gezahnten Abschnitte umgibt. Die zweiten und vierten bewegbaren magnetischen Zylinder 108, 110 sitzen ebenfalls Seite an Seite in der axialen Richtung und zweite und vierte gezahnte Abschnitte 108a, 110a sind in den jeweiligen gegenüberliegenden Kanten angeordnet. Die zweite Spule 112 ist so angeordnet, daß sie diese gezahnten Abschnitte umgibt. Die dritten und vierten Spulen 113, 114 sind so angeordnet, daß sie die dritten und vierten bewegbaren magnetischen Zylinder 109, 110 umgeben, die an der unteren Welle 102 befestigt sind.

Als nächstes wird der Betrieb des obigen herkömmlichen Beispiels erläutert. Wenn ein Drehmoment an die obere Welle 111 durch das Lenkrad angelegt wird, tritt eine Torsionsdeformation in dem unteren Stab 103 auf und eine Winkelverschiebung tritt zwischen dem ersten bewegbaren magnetischen Zylinder 107 und dem dritten bewegbaren magnetischen Zylinder 109 und zwischen dem zweiten bewegbaren magnetischen Zylinder 108 und dem vierten bewegbaren magnetischen Zylinder 110 auf, die an der oberen Welle 101 bzw. der unteren Welle 102 angebracht sind.

Zum Erläutern des Betriebs zwischen den ersten und dritten bewegbaren magnetischen Zylindern 107, 109 ändert sich das Oberflächengebiet der Überlappung, die eine magnetische Schaltung zwischen den ersten und dritten gezahnten Abschnitten 107a und 109a bildet, die auf jedem der bewegbaren magnetischen Zylinder angeordnet sind, was zu einer Änderung in der Induktivität in der ersten Spule 111 führt. Das Drehmoment kann bestimmt werden, indem die Änderung in der Induktivität mit Hilfe einer Erfassungsschaltung (nicht gezeigt) erfaßt wird. Jedoch wird die Induktivität in der ersten Spule 111 nicht nur durch das Drehmoment, sondern auch durch die Temperatur geändert, und die Temperatur wird durch Erfassen der Induktivität in der dritten Spule 113 kompensiert, deren Induktivität durch die Verwindung des Torsionsstabs 103 nicht beeinflußt wird.

Der Betrieb zwischen den zweiten und vierten bewegbaren magnetischen Zylindern 108, 110 ist identisch, so daß das Oberflächengebiet der Überlappung zwischen den zweiten und dritten gezahnten Abschnitten 108a und 110a sich ändert, was zu einer Änderung in der Induktivität einer zweiten Spule 112 führt. Das Drehmoment wird durch Erfassen der Änderung der Induktivität bestimmt. Die Temperatur wird durch Erfassen der Induktivität in der vierten Spule 114 kompensiert.

Diese duale Konstruktion, umfassend einen ersten Erfassungssatz mit den ersten und dritten bewegbaren magnetischen Zylindern 107, 109 und den ersten und dritten Spulen 111, 113, und einen zweiten Erfassungssatz, der exakt die gleichen Messungen ausführen kann, mit den zweiten und vierten bewegbaren magnetischen Zylindern 108, 110 und den zweiten und vierten Spulen 112, 114, führt eine duale Sicherheitsfunktion aus, die das System in die Lage versetzt, mit dem Ausgang einer der Erfassungssätze zu arbeiten, wenn der andere eine Fehlfunktion ausführt, beispielsweise durch einen Drahtbruch etc..

Der herkömmliche Drehmomentdetektor erfordert einen Torsionsstab 103, der ein elastisches Element ist, welches sich proportional zu dem Drehmoment deformiert, zusätzlich zu den ersten und vierten bewegbaren magnetischen Zylindern 107 bis 110, die die Induktivität in den ersten und zweiten Spulen 111, 112 ändern, und die große Anzahl von Teilen macht die Konstruktion kompliziert.

Ferner sind jeder der gezahnten Abschnitte 107a bis 110a auf den ersten bis vierten bewegbaren magnetischen Zylindern 107 bis 110 von einer komplizierten Form und erfordern eine Bearbeitung durch einen Schneidevorgang und eine Herstellung ist deshalb mühsam und kostenintensiv.

Zusätzlich erfordert die gleichzeitige Bereitstellung einer Temperaturkompensationsfunktion und einer dualen Sicherheitsfunktion, die einen Schutz gegenüber einem Drahtbruch in den Spulen etc. bereitstellt, grundlegend vier Spulen. Das herkömmliche Beispiel erforderte zwei Paare von bewegbaren magnetischen Zylindern, die mit gezahnten Abschnitten entsprechend zu den vier Spulen versehen sind.

Die JP 9-72795 AA offenbart einen Drehmomentsensor, bei dem eine Vielzahl von Schlitzen in gleichem Abstand innerhalb eines Winkelbereichs auf der Umfangsrichtung eines Zylinders angeordnet sind. Ein Verschiebungssensor ist auf die Schlitze gerichtet und erfasst dann, wenn ein Drehmoment in Umfangsrichtung an den Zylinder angelegt wird, eine Änderung der Größe des Durchmessers des Schlitzes. Damit kann der Grad und die Richtung des Drehmoments bestimmt werden. Hier wird also eine Deformation in eine messbare axiale Verschiebung der Schlitze umgesetzt.

Die US 5,115,685 beschreibt ein Drehmomentmessgerät, das eine Welle mit einem Abschnitt mit einem verringerten Durchmesser aufweist. Dieser Abschnitt trägt eine Hülse, die bei Anlegung eines Drehmoments sich in der Umfangsrichtung dreht. Die Drehung der Hülse ändert ein elektrisches oder magnetisches Feld und die Änderung des Felds wird zum Messen des Drehmoments verwendet.

Die DE 195 33 152 C1 beschreibt eine Drehmomenterfassung an einer Lenkwelle, wobei ein torsionselastisches Element durch eine Mehrzahl separat angeordneter Stege gebildet ist. Dieses torsionselastische Element ist mit einem Ende mit der Eingangswelle und mit dem anderen Ende mit der Ausgangswelle verbunden. Die Verschiebung der Stege während der Anlegung eines Drehmoments wird für die Drehmomenterfassung verwendet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung zielt auf die Lösung der obigen Probleme ab und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drehmomentdetektor bereitzustellen, der ein Drehmoment mit Hilfe einer einfachen Konstruktion erfassen kann.

Diesbezüglich ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Drehmomentdetektor vorgesehen, der umfaßt: eine erste Welle und eine zweite Welle, die sich zueinander durch ein Drehmoment verdrehen; bewegbare magnetische Elemente, wobei jedes von diesen einen Elementkörper umfaßt, der einen Spalt zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle überbrückt, an der Oberfläche der ersten Welle und der Oberfläche der zweiten Welle befestigt ist und sich elastisch in Reaktion auf die relative Verschiebung zwischen der Oberfläche der ersten Welle und der Oberfläche der zweiten Welle deformiert, die sich als Folge einer relativen Drehung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle ergibt, und weiche ferromagnetische Flügel, die von dem Elementkörper gehaltert werden und ihre Neigung relativ zu der axialen Richtung aufgrund der elastischen Deformation des Elementkörpers ändern; und Spulen, die von den Flügeln der bewegbaren magnetischen Elemente radial nach außen angeordnet sind, in spezifischen Intervallen angeordnet sind, und elektromagnetisch die Neigung der Flügel erfaßt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen an gegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1A eine Teilquerschnittsansicht des Vorderaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1B einen Querschnitt des zentralen Abschnitts eines Endaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt des Verbindungsabschnitts zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines bewegbaren magnetischen Elements des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Schaltung des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Teilquerschnittsansicht des Vorderaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6A einen Teilquerschnitt des Vorderaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6B einen Querschnitt des zentralen Abschnitts eines Endaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 einen Teilquerschnitt des Vorderaufrisses eines herkömmlichen Drehmomentdetektors.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Ausführungsform 1

Fig. 1A ist ein Teilquerschnitt des Vorderaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und Fig. 1B ist ein Querschnitt des zentralen Abschnitts eines Endaufrisses davon.

Der Drehmomentdetektor gemäß der Ausführungsform 1 umfaßt: eine obere Welle 1 als eine erste Welle und eine untere Welle 2 als eine zweite Welle, die sich zueinander durch ein Drehmoment drehen; bewegbare magnetische Elemente 5, wobei jedes von diesen einen Elementkörper 3 umfaßt, der den Spalt zwischen der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 überbrückt, an der Oberfläche der oberen Welle 1 und der Oberfläche der unteren Welle 2 befestigt ist, und sich in Reaktion auf die relative Querverschiebung zwischen der Oberfläche der oberen Welle 1 und der Oberfläche der unteren Welle 2 elastisch deformiert, die sich als Folge der relativen Drehung zwischen der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 ergibt, und weiche ferromagnetische Flügel 4, die von dem Elementkörper 3 gehaltert werden und ihre Neigung relativ zu der axialen Richtung aufgrund der elastischen Deformation des Elementkörpers ändern; und erste bis vierte Spulen 6a, 6b, 6c, 6d, die radial nach außen von den Flügeln 4 der bewegbaren magnetischen Elemente 5 angeordnet sind, in spezifischen Intervallen beabstandet sind und Spulen zum elektromagnetischen Erfassen der Neigung der Flügel 4 umfassen.

Die Elementkörper 3 selbst der bewegbaren magnetischen Elemente 5 dienen als elastische Elemente, die sich proportional zu dem zwischen der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 wirkenden Drehmoments verbinden und deformieren, und es ist möglich, das Drehmoment mit Hilfe der bewegbaren magnetischen Elemente 5 alleine zu erfassen und dadurch die Konstruktion zu vereinfachen. Der voranstehend erwähnte Torsionsstab wird nicht mehr benötigt.

Die obere Welle 1 kann an einem Lenkrad angebracht sein und die untere Welle 2 kann an dem Ritzelzahnrad eines Lenkmechanismus angebracht sein und jede wird drehbar von Lagern 7, 8 gehaltert.

Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt des Verbindungsabschnitts zwischen der oberen Welle und der unteren Welle, Ein vorstehender Abschnitt 1a ist auf der Endoberfläche der oberen Welle 1 angebracht und ein ausgesparter Abschnitt 2a ist auf der Endfläche der unteren Welle 2 angebracht und diese greifen ineinander ein, so daß eine relative Drehung größer als ein bestimmter Winkel nicht möglich ist und ein Spalt 60 ist zwischen den Seiten des vorstehenden Abschnitts 1a und des ausgesparten Abschnitts 2a gebildet, wie in Fig. 1B gezeigt. Eine Verbindungswelle 9 befindet sich in den Löchern 61, die in der Mitte sowohl der oberen Welle 1 als auch der unteren Welle 2 angeordnet sind, um zu verhindern, daß sich die obere Welle 1 und die untere Welle 2 voneinander wegdrehen.

Vier flache Oberflächenabschnitte 1b, 2b sind in 90°- Intervallen um den Umfang des Verbindungsabschnitts zwischen der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 angeordnet und ein bewegbares magnetisches Element 5 ist auf jedem dieser flachen Oberflächenabschnitte 1b, 2b angeordnet, um so den Spalt zwischen der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 zu überbrücken.

Jedes der bewegbaren magnetischen Elemente 5 wird hergestellt durch Pressen des gesamten Elements, einschließlich des Elementkörpers und der Flügel 4, aus einer einzelnen Schicht aus einem weichen ferroelektrischen Material, welches aus Permalloy besteht. Andere Materialien, die zur Herstellung der bewegbaren magnetischen Elemente 5 verwendet werden können, umfassen Eisen, Siliziumstahl, etc.. Im Vergleich mit der häufigen Verwendung eines Schneidevorgangs, der bei dem herkömmlichen Beispiel benötigt wird, kann eine Bildung durch einen Preßvorgang die Anzahl von Verarbeitungsschritten wesentlich verringern und dadurch Herstellungskosten signifikant herabsetzen.

Jeder der Elementkörper 3 umfaßt einen Rundmpf- der Stammabschnitt 10, der sich in der axialen Richtung erstreckt, und Stegabschnitte 11, die durch Umbiegen von beiden Enden des Stammabschnitts 10 gebildet werden und die an der oberen Welle 1 und an der unteren Welle 2 befestigt sind. Die Flügel 4 sind parallel zu dem Stammabschnitt 10 angeordnet, erstrecken sich in die axiale Richtung und sind mit der Mitte einer Kante des Stammabschnitts 10 mit Hilfe eines Halsabschnitts 12 verbunden. Die Form des Stammabschnitts 11 ist ungefähr trapezförmig mit den schmalen Enden in Richtung auf die Flügel 4 hin, so daß eine Kraft auf dem Ende des Halsabschnitts 12 konzentriert wird, der die Flügel 4 haltert, was eine größere Verschiebung in der Neigung der Flügel 4 relativ zu der axialen Richtung ermöglicht. Je kürzer ferner das obere Ende des trapezförmigen Stammabschnitts 10 (die Breite des Halsabschnitts) ist, desto größer ist die Neigung der Flügel 4 in der axialen Richtung. Wenn nämlich die Stege um einen vorgegebenen Betrag versetzt sind, dann ist die Situation so, daß je kürzer die Breite des Halsabschnitts 12 ist, desto kürzer die Länge des Arms ist der die Mittellinie des Halsabschnitts 12, die die Mitte der Neigung der Flügel ist, von den Seiten des Halsabschnitts 12 trennt, wobei die Neigung des Arms, die auf die Neigung der Flügel 4 bezogen ist, so viel größer macht.

Die Stegabschnitte 11 werden gebildet, indem die Ansatzabschnitte 15, die an beiden Enden des Stammabschnitts 10 angeordnet sind, entlang der gestrichelten Biegelinien in Fig. 3, in die Zeichenebene nach hinten und nach unten, gebogen werden, so daß sie in der in Fig. 1A gezeigten Position liegen. Diese Vorsprünge 16 sind auf jedem der Ansatzabschnitte 15 angeordnet und diese Vorsprünge 16 sind durch ein Warzenschweißen an den flachen Oberflächenabschnitten 1b, 2b der oberen Welle 1 bzw. der unteren Welle 2 befestigt.

Die ersten bis vierten Spulen 6a, 6b, 6c und 6d sind jeweils so gewickelt, daß sie die Wellen umgeben und sind Seite an Seite in der axialen Richtung mit ringförmigen Jochen 13a, 13b, 13c, 13d, 13e angeordnet, die zwischen den Spulen 6a, 6b, 6c, 6d und auf jeder Seite von diesen Spulen angeordnet sind, um so die Spulen 6a, 6b, 6c, 6d zu trennen. Ein zylindrisches Joch 14 ist um die Außenseite der ersten bis vierten Spulen 6a, 6b, 6c, 6d und die ringförmigen Joche 13a, 13b, 13c, 13d, 13e angeordnet, um diese einzuhüllen.

Die ersten bis vierten Spulen 6a, 6b, 6c, 6d sind so gewickelt, daß sie die Flügel 4 der bewegbaren magnetischen Elemente 5 umgeben, die auf der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 zentriert sind, und zwar innerhalb der Länge der Flügel 4 in der axialen Richtung. Die erste Spule 6a und die dritte Spule 6c, die um einen vorgegebenen Abstand voneinander in der axialen Richtung getrennt sind, bilden ein Spulenpaar und die zweite Spule 66 und die vierte Spule 6d bilden miteinander ein Spulenpaar, so daß das Drehmoment doppelt erfaßt wird.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild der Schaltung des Drehmomentdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die ersten und dritten Spulen 6a, 6c sind mit einer Induktivitätsvergleichsschaltung 41a und auch mit einer Verstärkerschaltung 42a verbunden. Die zweiten und vierten Spulen 6b, 6d sind mit einer Induktivitätsvergleichsschaltung 41b und auch mit einer Verstärkerschaltung 42b verbunden.

Als nächstes wird der Betrieb der Ausführungsform erläutert. Wenn ein Drehmoment an die obere Welle 1 durch das Lenkrad angelegt wird, tritt eine relative Verschiebung in der Drehrichtung auf den Oberflächen der Wellen an dem Verbindungsabschnitt zwischen der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 auf. Die bewegbaren magnetischen Elemente 5, die als elastische Elemente wirken, sind mit beiden Wellen verbunden, so daß die Größe ihrer relativen Verschiebung proportional zu der Größe der angelegten Drehmoments ist. Die Neigung der Flügel 4 auf den bewegbaren magnetischen Elementen 5 ändert sich in Abhängigkeit von der relativen Verschiebung der bewegbaren magnetischen Elemente 5, so daß die Größe des angelegten Drehmoments durch Bestimmen der Neigung elektromagnetisch mit Hilfe der ersten bis vierten Spulen 6a, 6b, 6c, 6d bestimmt werden kann.

Wenn zum Beispiel ein Drehmoment in Uhrzeigerrichtung an die obere Welle 1 angelegt wird, dann werden die Flügel 4, die näher zu der oberen Welle auf sämtlichen vier bewegbaren magnetischen Elementen 5 sind, angehoben (radial nach außen) und die Flügel 4, die näher zu der unteren Welle 3 sind, werden abgesenkt (radial nach innen), aufgrund der Verwindung der Stammabschnitte der Elementkörper 3. Somit verkleinert sich der Abstand zwischen den Jochen 13d, 13b und den Flügeln 4 auf der oberen Wellenseite und die Induktivität in den dritten und vierten Spulen 6c, 6d auf der oberen Wellenseite nimmt zu. Gleichzeitig nimmt der Abstand zwischen den Jochen 13a, 13b und den Flügeln 4 auf der unteren Wellenseite zu und die Induktivität in den ersten und zweiten Spulen 6a, 6b auf der unteren Welle nimmt ab. Wenn weder eine Temperaturkompensationsfunktion noch eine duale Sicherheitsfunktion bereitgestellt werden soll, kann demzufolge das Drehmoment durch Messen der Änderung in der Induktivität in jeder einzelnen Spule bestimmt werden. In der Praxis ist es aber erforderlich, den Temperaturkoeffizienten in den Sensorausgaben zu kompensieren und eine Temperaturkompensation wird durchgeführt, indem der Ausgang von dem Spulenpaar, welches die ersten und dritten Spulen 6a, 6c umfaßt, mit dem Ausgang von dem Spulenpaar, das die zweiten und vierten Spulen 6b, 6d umfaßt, mit Hilfe der Induktivitätsvergleichseinrichtung 41a, 41b verglichen wird, um die Änderungen in der Induktivität aufgrund der Temperaturänderungen in den Spulen 6a, 6b, 6c, 6d auszugleichen.

In diesem Beispiel ist die Induktivität aufgrund des Drehmoments in der dritten Spule 6c größer als in der ersten Spule 6a und durch Vergleichen dieser Induktivitäten in der Induktivitätsvergleichsschaltung 41a und durch Verstärken der Differenz in der Verstärkerschaltung 42a kann ein erster Ausgang erhalten werden, der in der Temperatur kompensiert ist und der dem Drehmoment entspricht.

In ähnlicher Weise kann unter Verwendung der zweiten und vierten Spulen 6b, 6d, der Induktivitätsvergleichsschaltung 41b und der Verstärkerschaltung 42b, die ein System bilden, welches in der gleichen Weise arbeitet, ein zweiter Ausgang erhalten werden, der ebenfalls in der Temperatur kompensiert ist und dem Drehmoment entspricht.

Somit kann eine duale Sicherheitsfunktion sichergestellt werden, wodurch ein Ausgang als ein Ersatz für den anderen verwendet werden kann, wenn eine Fehlfunktion, beispielsweise ein Drahtbruch etc., in irgendeinem System auftritt.

Wenn ein extrem großes Drehmoment an die obere Welle 1 angelegt wird, werden die bewegbaren magnetischen Elemente 5 beschädigt werden und der vorstehende Abschnitt 1a in der oberen Welle 1 und der ausgenommene Abschnitt 2a in der unteren Welle 2 sind deshalb miteinander verriegelt, so daß eine Drehung größer als ein bestimmter Winkel nicht möglich ist, wodurch eine Beschädigung der bewegbaren magnetischen Elemente 5 verhindert wird.

Ausführungsform 2

Fig. 5 zeigt einen Teilquerschnitt des Vorderaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Bei der folgenden Erläuterung werden nur die Abschnitte, die sich von der Ausführungsform 1 unterscheiden, erläutert, und an identische Teile sind identische Bezugszeichen eingefügt und eine weitere Erläuterung davon wird weggelassen.

In dieser Ausführungsform umfassen die vier bewegbaren magnetischen Elemente: zwei erste bewegbare magnetische Elemente 51, die jeweils einen Flügel 41 auf der Seite, die näher zu der oberen Welle 1 ist, aufweisen; und zwei zweite bewegbare magnetische Elemente 52, die jeweils einen Flügel 42 auf der Seite, die näher zu der unteren Welle 2 ist, aufweisen. Ein Spulenpaar, das die zweiten und vierten Spulen 6b, 6d umfaßt, ist innerhalb der Länge der Flügel 41 der ersten bewegbaren magnetischen Elemente 41 in der axialen Richtung angeordnet und ein Spulenpaar, das die ersten und dritten Spulen 6a, 6c umfaßt, ist innerhalb der Länge der Flügel 42 der zweiten bewegbaren magnetischen Elemente 42 in der axialen Richtung angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die Positionen der zweiten Spule 6b und der dritten Spule 6c im Vergleich mit der Ausführungsform 1 umgedreht worden.

Die Ausführungsform 1 weist eine duale Sicherheitsfunktion in bezug auf einen Drahtbruch in den Spulen auf, weil die Länge der Flügel 4 der bewegbaren magnetischen Elemente 5 in der axialen Richtung über die gesamten ersten und vierten Spulen 6a, 6b, 6c, 6d verteilt ist. Wenn jedoch eines der bewegbaren magnetischen Elemente 5 aufgrund einer Deformation etc. eine Fehlfunktion aufweist, wird die Induktivität in sämtlichen Spulen beeinflußt und die Ausführungsform 1 weist deshalb keine duale Sicherheitsfunktion in bezug auf eine Deformation der bewegbaren magnetischen Elemente 5 auf.

Eine duale Sicherheitsfunktion in bezug auf eine Deformation der bewegbaren magnetischen Elemente wird in der Ausführungsform 2 bereitgestellt, indem zwei unabhängige Detektorsätze gebildet werden, bei denen die ersten bewegbaren magnetischen Elemente 41, die jeweils einen Flügel 41 auf der Seite aufweisen, die näher zu der oberen Welle 1 ist, nur die zwei Spulen 6b, 6d auf der Seite, die näher zu der oberen Welle 1 ist, beeinflussen, und die zweiten bewegbaren magnetischen Elemente 42, die jeweils einen Flügel 42 auf der Seite, die näher zu der unteren Welle 2 ist, nur die zwei Spule 6a, 6c auf der Seite, die näher zu der unteren Welle 2 ist, beeinflussen.

Ausführungsform 3

In den Ausführungsformen 1 und 2 sind die bewegbaren magnetischen Elemente als einzelne Einheiten konstruiert, aber Materialien mit überragenden magnetischen Eigenschaften weisen allgemein eine mechanische Festigkeit nicht auf und deshalb können die Elementkörper aus einem festen Material gebildet werden und nur die Flügel, die magnetische Eigenschaften erfordern, können aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet sein. Die Elementkörper und die Flügelkörper können auch aus einer einzelnen Metallschicht gebildet sein und ein weiches ferromagnetisches Material mit guten Eigenschaften, beispielsweise eine amorphe magnetische Metallfolie etc., kann an der Oberfläche der Flügelkörper befestigt werden, um die Flügel zu bilden. Oder die Elementkörper und die Flügelkörper können aus einer einzelnen Schicht aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet werden, wie in der Ausführungsform 1, und ein weiches ferromagnetisches Material mit guten Eigenschaften kann an der Oberfläche der Flügelkörper befestigt werden, um die magnetischen Eigenschaften der Ausführungsform 1 noch weiter zu verbessern. Dies macht die Konstruktion geringfügig komplizierter, ermöglicht aber, daß eine Festigkeit und Genauigkeit verbessert wird.

Die Ausführungsformen 1 und 2 stützen sich auf die bewegbaren magnetischen Elemente, um als elastische Elemente zu dienen, aber wenn ihre Festigkeit unzureichend ist, kann auch ein Torsionsstab vorgesehen werden.

Die Ausführungsformen 1 und 2 verwenden Induktivitätsvergleichsschaltungen, um die Neigung der Flügel in der axialen Richtung zu erfassen, aber irgendein elektromagnetisches Verfahren unter Verwendung von Spulen kann verwendet werden, einschließlich von Verfahren wie einer differentiellen Transduktion (Übertragung), einer Erfassung einer Reaktanz aufgrund von Wirbelströmen etc..

Ausführungsform 4

Fig. 6A ist ein Teilquerschnitt des Vorderaufrisses des Drehmomentdetektors gemäß der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung und Fig. 6B ist ein Querschnitt des zentralen Abschnitts eines Endaufrisses davon.

In dieser Ausführungsform umfaßt jedes der Elementkörper 3 eine rechteckförmige Metallplatte, die durch Biegen in eine C-Form ausgebildet ist. Anbringungsplatten 20, 20 sind auf den Enden der oberen Welle 1 bzw. der unteren Welle 2 angebracht. Eingriffsabschnitte 20a sind in vier Positionen auf jeder Anbringungsplatte 20, 20 gebildet. Ein Stegabschnitt 11 jedes Elementkörpers 2 ist an einem Eingriffsabschnitt 20a von einer Anbringungsplatte 20 befestigt und der andere Stegabschnitt 11 jedes Elementkörpers 3 ist an einem Eingriffsabschnitt der anderen Anbringungsplatte 20 befestigt.

In dieser Ausführungsform sind die Elementkörper 3 durch Biegen einer rechteckförmigen Metallplatte in eine C-Form ausgebildet, was die Form vereinfacht und außerdem ermöglicht, daß die Dicke der Platte erhöht wird, wobei es ermöglicht wird, daß ein großes Drehmoment gemessen wird. Ferner kann der Abstand zwischen den Stegabschnitten 11 erhöht werden, wobei es ermöglicht wird, daß der Bewegungsbereich der Stegabschnitte 11 entsprechend erhöht wird, und selbst wenn eine große Verwindungsdeformation zwischen der oberen Welle 1 und der unteren Welle 2 ausgeübt wird, ist es weniger wahrscheinlich, daß übermäßige Spannungen in den Elementkörpern 3 auftreten, wobei Drehmomentmessungen über einen dynamisch weiten Bereich ermöglicht werden.

Wie voranstehend erläutert, umfaßt ein Drehmomentdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung: eine erste Welle und eine zweite Welle, auf die gegenseitig ein Drehmoment wirkt; bewegbare magnetische Elemente, die jeweils einen Elementkörper umfassen, der einen Spalt zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle überbrückt, an der Oberfläche der ersten Welle und der Oberfläche der zweiten Welle befestigt ist, und sich elastisch in Reaktion auf die relative Verschiebung der Oberfläche der ersten Welle und der Oberfläche der zweiten Welle deformiert, die sich als Folge einer relativen Drehung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle ergibt, und weiche ferromagnetische Flügel, die von dem Elementkörper gehaltert werden und ihre Neigung relativ zu der axialen Richtung aufgrund der elastischen Deformation des Elementkörpers ändern; und Spulen, die von den Flügeln der bewegbaren magnetischen Elemente radial nach außen angeordnet sind, sind in spezifischen Intervallen beabstandet und erfassen elektromagnetisch die Neigung der Flügel. Deshalb dienen die Elementkörper der bewegbaren magnetischen Elemente selbst als elastische Elemente, die sich proportional zu dem Drehmoment, welches zwischen der oberen Welle und der unteren Welle herrscht, deformieren und es ist möglich, das Drehmoment mit Hilfe eines einzelnen bewegbaren magnetischen Elementes alleine zu erfassen und dadurch die Konstruktion zu vereinfachen. Ferner wird der herkömmliche Torsionsstab nicht mehr benötigt, wodurch eine Verringerung der Anzahl von Teilen ermöglicht wird.

Ferner kann bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor ein Spulenpaar so gewickelt werden, daß es die Flügel der bewegbaren magnetischen Elemente umgibt, die auf der ersten Welle und der zweiten Welle innerhalb der Länge der Flügel in der axialen Richtung zentriert sind, kann so angeordnet werden, um in einen vorgegebenen Abstand voneinander in der axialen Richtung beabstandet zu sein, und eine Temperaturkompensation kann ausgeführt werden, indem die Differenz in dem Ausgang von den Spulenpaaren gemessen wird. Deshalb können die Effekte einer Temperaturänderung beseitigt werden, indem die Differenz zwischen Spulenausgängen gemessen wird, so daß keine Notwendigkeit besteht, eine getrennte Spule für eine Temperaturkompensation wie herkömmlich benötigt bereitzustellen.

Ferner können mit dem vorliegenden Drehmomentdetektor eine Vielzahl der Paare von Spulen bereitgestellt werden. Wenn deshalb ein Drahtbruch in einem Spulenpaar auftritt, dann kann das Drehmoment in dem übrigen Spulenpaar erfaßt werden, so daß eine mehrfache Sicherheitsfunktion durch ein einzelnes bewegbares magnetisches Element bereitgestellt werden kann.

Noch weiter können mit dem vorliegenden Drehmomentdetektor eine Vielzahl der bewegbaren magnetischen Elemente um den Umfang der ersten Welle und der zweiten Welle angeordnet werden. Deshalb wird die Empfindlichkeit einer Erfassung erhöht.

Noch weiter umfassen bei dem vorliegenden Drehmomentdetektors die Vielzahl von bewegbaren magnetischen Elementen: erste bewegbare magnetische Elemente, die jeweils einen Flügel auf der Seite, die näher zu der ersten Welle ist, aufweisen; und zweite bewegbare magnetische Elemente, die jeweils einen Flügel auf der Seite, die näher zu der zweiten Welle ist, aufweisen; und ist versehen mit: wenigstens einem Paar von Spulen, die innerhalb der Länge der Flügel der ersten bewegbaren magnetischen Elemente in der axialen Richtung angeordnet sind; und wenigstens ein Paar von Spulen, die innerhalb der Länge der Flügel der zweiten bewegbaren magnetischen Elemente in der axialen Richtung angeordnet sind. Wenn entweder die ersten oder zweiten bewegbaren magnetischen Elemente in einer Vielzahl von bewegbaren magnetischen Elemente deformiert werden, dann kann deshalb das Drehmoment mit Hilfe des übrigen Satzes von bewegbaren magnetischen Elementen und einem Spulenpaar erfaßt werden und deshalb wird eine duale Sicherheitsfunktion bezüglich einer Deformation der bewegbaren magnetischen Elemente bereitgestellt.

Ferner können bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor die Elementkörper und die Flügel als eine einzelne Einheit aus einer einzelnen Schicht aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet werden. Deshalb kann eine Ausbildung durch einen Preßvorgang ausgeführt werden und die Anzahl von Verarbeitungsschritten kann im Vergleich mit der häufigen Verwendung eines Schneidevorgangs, der bei dem herkömmlichen Beispiel benötigt wird, beträchtlich verringert werden, wodurch ermöglicht wird, daß die Herstellungskosten wesentlich reduziert werden.

Ferner können bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor die Elementkörper und die Flügel mit Hilfe eines Halsabschnitts verbunden werden und der Halsabschnitt kann gekrimpft werden. Deshalb kann die Festigkeit des Halsabschnitts erhöht werden.

Noch weiter können bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor die Elementkörper aus einem festen Material gebildet sein und die Flügelkörper können getrennt von den Elementkörpern aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet werden. Deshalb können festere Materialien in den Elementkörpern verwendet werden und Materialien mit besseren magnetischen Eigenschaften können in den Flügeln verwendet werden, wobei ermöglicht wird, daß Eigenschaften, wie eine Festigkeit und Genauigkeit, verbessert werden.

Noch weiter können bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor die Elementkörper und die Flügelkörper als eine einzelne Einheit aus einer einzelnen Metallschicht gebildet werden und die Flügel können durch Befestigen eines weichen ferromagnetischen Materials an den Flügelkörpern gebildet werden. Deshalb kann eine Festigkeit und Genauigkeit verbessert werden.

Ferner kann bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor jedes der Elementkörper umfassen: einen Stammabschnitt, der sich in die axiale Richtung erstreckt; und Stegabschnitte, die durch Umbiegen von beiden Enden des Stammabschnitts gebildet sind und die an den ersten und zweiten Wellen befestigt sind; wobei die Flügel parallel zu dem Stammabschnitts angeordnet werden können, sich in die axiale Richtung erstrecken, und mit der Mitte einer Kante des Stammabschnitts verbunden werden können. Deshalb wird eine Formbarkeit verbessert.

Ferner kann bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor der Stammabschnitts in einer ungefähr trapezförmigen Form mit dem schmalen Ende in Richtung auf die Flügel hin gebildet werden. Deshalb wird eine Kraft in dem Abschnitt konzentriert, der die Flügel verbindet, wobei ermöglicht wird, daß die Größe der Verschiebung der Flügel erhöht wird.

Noch weiter können bei dem vorliegenden Drehmomentdetektor die Elementkörper durch Biegen eines rechteckförmigen Streifens in eine C-Form gebildet werden, und Stegabschnitte an irgendeinem Ende können an der ersten Welle bzw. der zweiten Welle befestigt werden. Deshalb ist die Form der Elementkörper vereinfacht, wobei ermöglicht wird, daß die Dicke der Platte erhöht wird, und wobei außerdem ermöglicht wird, daß ein großes Drehmoment gemessen wird. Ferner werden Drehmomentmessungen über einen dynamisch breiten Bereich ermöglicht.

Claims

1. Drehmomentdetektor, umfassend:
eine erste Welle (1) und eine zweite Welle (2), die sich durch ein Drehmoment zueinander verdrehen;
bewegbare magnetische Elemente (5), die jeweils umfassen: einen Elementkörper (3), der einen Spalt zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) überbrückt, an der Oberfläche der ersten Welle (1) und der Oberfläche der zweiten Welle (2) befestigt ist, und sich in Reaktion auf die relative Verschiebung zwischen der Oberfläche der ersten Welle (1) und der Oberfläche der zweiten Welle (2) elastisch deformiert, die sich als Folge einer relativen Drehung zwischen der ersten Well (1) und der zweiten Welle (2) ergibt; und weiche ferromagnetische Flügel (4), die von dem Elementkörper (3) gehalten werden und ihre Neigung relativ zu der axialen Richtung aufgrund der elastischen Deformation des Elementkörpers (3) ändern; und
Spulen (6a-6d), die radial nach außen von den Flügeln (4) der bewegbaren magnetischen Elemente (5) angeordnet sind, in spezifischen Intervallen beabstandet sind, und die Neigung der Flügel (4) elektromagnetisch erfassen.

2. Drehmomentdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Spulen (6a-6d), die so gewickelt sind, daß sie die Flügel (4) der bewegbaren magnetischen Elemente (5) zentriert auf der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) innerhalb der Länge der Flügel (4) in der axialen Richtung umgeben, so angeordnet sind, daß sie um einen vorgegebenen Abstand voneinander in der axialen Richtung getrennt sind, und eine Temperaturkompensation durch Messen der Differenz in dem Ausgang von dem Paar von Spulen (6a-6d) ausgeführt wird.

3. Drehmomentdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Paare von Spulen (6a-6d) vorgesehen sind.

4. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, wobei eine Vielzahl der bewegbaren magnetischen Elemente (4) um den Umfang der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) angeordnet sind.

5. Drehmomentdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von bewegbaren magnetischen Elementen umfassen:
erste bewegbare magnetische Elemente (51), die jeweils einen Flügel (51) auf der Seite, die näher zu der ersten Welle (2) liegt, aufweisen; und
zweite bewegbare magnetische Elemente, die jeweils einen Flügel auf der Seite, die näher zu der zweiten Welle ist, aufweisen;
und versehen sind mit:
wenigstens einem Paar von Spulen (6b, 6d), die innerhalb der Länge der Flügel (41) der ersten bewegbaren magnetischen Elemente (51) in der axialen Richtung angeordnet sind; und
wenigstens einem Paar von Spulen (6a, 6c), die innerhalb der Länge der Flügel (42) der zweiten bewegbaren magnetischen Elemente (52) in der axialen Richtung angeordnet sind.

6. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementkörper (3) und die Flügel (4, 41, 42) als eine einzelne Einheit aus einer einzelnen Schicht aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet sind.

7. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementkörper (3) und die Flügel (4, 41, 42) mit Hilfe eines Halsabschnitts (12) verbunden sind und der Halsabschnitt (12) gekrimpft ist.

8. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementkörper (3) aus einem festen Material gebildet sind und Flügelkörper getrennt von den Elementkörpern (3) aus einem weichen ferromagnetischen Material gebildet sind.

9. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementkörper (3) und die Flügelkörper als eine einzelne Einheit aus einer einzelnen Metallschicht gebildet sind, und die Flügel (4) durch Befestigen eines weichen ferromagnetischen Materials von den Flügelkörpern gebildet sind.

10. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elementkörper (3) umfaßt:
einen Stammabschnitt (10), der sich in die axiale Richtung erstreckt; und
Stegabschnitte (11), die durch Umbiegen beider Enden des Stammabschnitts (11) gebildet werden und die an den ersten und zweiten Wellen (1, 2) befestigt sind;
wobei die Flügel (4) parallel zu dem Stammabschnitt (10) angeordnet sind, sich in der axialen Richtung erstrecken und mit der Mitte einer Kante des Stammabschnitts (10) verbunden sind.

11. Drehmomentdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stammabschnitts (10) in einer ungefähr trapezförmigen Form mit dem schmalen Ende in Richtung auf die Flügel (4) hin gebildet ist.

12. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementkörper (3) durch Biegen eines rechteckförmigen Streifens in eine C-Form gebildet sind und Stegabschnitte (11) an jedem Ende an der ersten Welle (1) bzw. der zweiten Welle (2) befestigt sind.