DE3826141A1

DE3826141A1 - Drehmoment-sensor

Info

Publication number: DE3826141A1
Application number: DE3826141A
Authority: DE
Inventors: Manabu Taniguchi; Hidenobu Nagano; Toshihiko Daido; Isao Kuramoto; Makoto Nohara; Hirochika Kyotani
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-08-01
Publication date: 1989-06-08
Also published as: GB2211943A; GB8818314D0; US5046372A; GB2211943B; DE3826141C2; US4907460A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmoment-Sensor und insbesondere auf einen Drehmoment-Sensor, der im Zusammenhang mit einer elektrischen Servolenkung für ein Automobil verwendbar ist.

Es wurde eine elektrische Servolenkvorrichtung zur Unterstützung der zum Betätigen des Lenkrads eines Automobils erforderlichen Kraft entwickelt, die so aufgebaut ist, daß sie ein auf das Lenkrad einwirkendes Drehmoment nachweist und entsprechend dem nachgewiese nen Drehmoment einen Elektromotor rotiert, der am Lenk mechanismus vorgesehen ist.

Als Drehmoment-Nachweiseinrichtung ist eine Drehmoment- Nachweisvorrichtung bekannt, wie sie beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 59/20 84 31 offenbart ist. Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnit tene perspektivische Ansicht der Drehmoment-Nachweis vorrichtung. Die Drehmoment-Nachweisvorrichtung umfaßt die zu messende Welle 40, die sich aus zwei Wellen 41 und 42 zusammensetzt, die mittels einer Torsions stange 46 keilnutenförmig miteinander verbunden sind und die über einen vorbestimmten Spalt d miteinander in Eingriff kommen können, wobei ein rohrförmiges Glied 45 aus magnetischem Material den äußeren Umfang der Verbindung an der zu messenden Welle abdeckt und an beiden Achsen 41 und 42 befestigt ist, wobei eine (nicht dargestellte) Erregerspule außerhalb des rohr förmigen Gliedes 45 angeordnet ist, um das rohrförmige Glied 45 abwechselnd in der vorbestimmten Richtung zu magnetisieren, und wobei eine (nicht dargestellte) Nachweisspule ein Ausgangssignal der magnetischen Strik tion entsprechend einem Drehmoment aufgrund des magne tischen Flusses, der im rohrförmigen Glied 45 strömt, abgibt.

Wenn das auf die zu messende Welle 40 angewandte Dreh moment relativ klein ist, so überträgt die Drehmoment- Nachweisvorrichtung ein Torsionsmoment auf das rohrför mige Glied 45 und einen Abschnitt mit kleinerem Durch messer der Torsionsstange 46 aufgrund des zwischen den in Eingriff kommenden Klauen 43, 44 der Wellen 41, 42 vorhandenen Spiels, wodurch das Ausmaß der Torsion sich bezüglich eines kleinen Drehmoments stark ändert. Wenn andererseits das Drehmoment relativ größer ist, so schlagen die in Eingriff kommenden Klauen 43, 44 aneinander an und das Torsionsmoment wirkt auch auf das rohrförmige Glied 45, den Abschnitt mit kleinerem Durchmesser der Torsionsstange 46 und die Wellen 41 und 42. Die Stärke bezüglich des Torsionsmoments nimmt daher abrupt zu, um die Variation des Torsionsbetrages des rohrförmigen Gliedes 45 bezüglich der Variation des Drehmoments zu reduzieren. Die Rate der Änderung des Nachweis-Ausgangssignals der magnetischen Striktion für das Drehmoment ist kleiner als diejenige, wenn die miteinander in Eingriff kommenden Klauen 43 und 44 gegeneinander anschlagen, wodurch ein Nachweis mit hoher Genauigkeit erwartet wird.

Der Torsionsbetrag der zu messenden Welle 40 ist jedoch extrem klein, wenn die zu messende Welle 40 durch Len ken einem Drehmoment unterworfen wird, wodurch die Variation in dem umfangsmäßig gegenüberliegend angeord neten Spalt d zwischen den in Eingriff kommenden Klauen 43 und 44 bei der vorstehend genannten Drehmoment-Nach weisvorrichtung gering ist, wodurch die Variation der magnetischen Striktion, die im rohrförmigen Glied 45 entsprechend der Drehmoment-Variation fließt, d.h., die Variation des Drehmoment-Nachweissignals, reduziert wird, wodurch das Problem geschaffen wird, daß die Sensitivität bezüglich der auf die zu messende Welle 40 einwirkenden Drehmoments-Variation niedrig ist und daher eine Lenkkraft nicht ausreichend unterstützt, und weiterhin, daß das zylindrische rohrförmige Glied 45 an der Umfangsoberfläche einen Streu- bzw. Wirbel strom erzeugt, welcher das Sensor-Ausgangssignal vermin dert bzw. verschlechtert.

Wenn andererseits ein Drehmoment-Sensor zusammengebaut wird, während ein Drehmoment während des Zusammenbauens auf die Torsionsstange 46 aufgebracht wird, so variiert der umfangsmäßig gegenüberliegend angeordnete Spalt d, wodurch das Problem geschaffen wird, daß das Nach weissignal um einen anderen Faktor variiert als das Drehmoment, welches auf die Torsionsstange 46 einwirkt.

Auch wirkt eine Variation der Umgebungstemperatur so, daß der Spalt d expandiert oder kontrahiert, wodurch das Problem geschaffen wird, daß mit der Variation der Umgebungstemperatur das Nachweissignal variiert.

Die vorliegende Erfindung dient dazu, die vorstehend diskutierten Probleme des Standes der Technik zu vermei den.

Es ist daher ein erster Ziel der vorliegenden Erfin dung, einen Drehmoment-Sensor zu schaffen, der mit einem Zylinder versehen ist, dessen magnetischer Kupp lungszustand bezüglich einem von zwei Zylindern, deren magnetischer Kupplungszustand variabel ist, nicht variiert, wodurch eine Variation des nachzuweisenden Drehmoments mit hoher Sensitivität erfolgen soll.

Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehmoment-Sensor zu schaffen, der am äußeren Umfang eines jeden Zylinders eine große Anzahl von sich axial erstreckender Nuten aufweist, wodurch ein Wirbelstrom abgeschnitten wird, der auf dem äußeren Umfang des Zylinders strömt, wodurch die Erzeugung von Hitze aufgrund von Wirbelstromverlusten beschränkt wird.

Ein drittes Ziel der Erfindung ist es, einen Drehmo ment-Sensor zu schaffen, bei dem einer der gegenüberlie genden Zylinder an seiner axialen Endkante dünner ist als der andere, oder wobei ein zylindrisches Glied, welches die gegenüberliegenden Zylinder fixiert, über ein Lager an einem Gehäuse unterstützt ist, wodurch der Einfluß des Biegens oder Beugens der Torsionsstange eliminiert wird.

Ein viertes Ziel der Erfindung ist es, einen Drehmo ment-Sensor zu schaffen, bei dem an den Endkanten gegen überliegender Zylinder eine große Anzahl von Ausschnit ten ausgebildet sind, um Zähne zu formen, so daß die Zähne an den gegenüberliegenden Enden um in etwa die Hälfte ihrer Breite einander gegenüberliegend sind, und der mit einer Regulierungseinrichtung versehen ist, die die Zähne so reguliert, daß sie nicht vollstän dig gegenüberliegend oder nicht-gegenüberliegend sind, selbst dann, wenn sie einem Lenk-Drehmoment unterworfen sind, wodurch eine große und stabile Änderungsrate der in einer magnetischen Kupplungs-Nachweisspule indu zierten Spannung erhalten wird und auch ein Nachweis Ausgangssignal erhalten wird, welches in Querrichtung nicht unterschiedlich ist.

Ein fünftes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehmoment-Sensor zu schaffen, bei dem zwei Zylin der, die hinsichtlich des magnetischen Kupplungszustan des nicht-variabel sind, an den gegenüberliegenden Endkanten identisch bezüglich der Konfiguration mit denjenigen der zwei variablen Zylinder sind, wodurch ermöglicht wird, daß das nachzuweisende korrekte Dreh moment durch die Umgebungstemperatur nicht beeinflußt wird.

Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen in Zusammenhang mit der nach folgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbei spiele der Erfindung näher beschrieben sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines konventionellen Drehmoment-Sensors,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors,

Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches eine elektrische Schaltung des erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors zeigt,

Fig. 4 eine Grafik, welche die Beziehung zwischen dem relativen Drehwinkel und der indizierten Spannung zeigt,

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht, welche den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors zeigt,

Fig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht, welche die gegenüberliegende Anordnung der Zähne zeigt,

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines wesentlichen Abschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors,

Fig. 8 ein elektrisches Schaltdiagramm des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 9 eine Grafik, welche die Beziehung zwischen dem Eingangs-Drehmoment und dem Sensor-Ausgangssignal zeigt,

Fig. 10 eine Grafik, welche die Beziehung zwischen dem Eingangs-Drehmoment und der Steuerspannung zeigt,

Fig. 11 eine teilweise geschnittene Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors,

Fig. 12 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Teils eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfin dungsgemäßen Drehmoment-Sensors,

Fig. 13 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Teils eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfin dungsgemäßen Drehmoment-Sensors,

Fig. 14 eine halbe Seitenansicht eines Teils eines zylindrischen Gliedes beim vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors, und

Fig. 15 eine teilweise geschnittene Ansicht des Auf baus des zylindrischen Teils des vierten Ausführungs beispiels des erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors.

Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Drehmoment- Sensoren unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzel nen beschrieben. In Fig. 2 umfaßt eine Eingangswelle 1 eine obere Welle 1 a, welche ein (nicht dargestell tes) Lenkrad trägt, und eine untere Welle 1 c, an der ein Lenkmechanismus befestigt ist, wobei die obere Welle 1 a und die untere Welle 1 c koaxial miteinander verbunden sind, und wobei die obere Welle 1 a über ein Lager 3 an einem zylindrischen Gehäuse 2, welches an der Fahrzeugkarosserie befestigt ist, drehbar getragen ist. Eine erste Hülse 4 a aus nicht-magnetischem Mate rial ist auf das untere Ende (die linke Seite in der Zeichnung) der oberen Welle 1 a fest aufgebracht und erste und zweite Zylinder 5 und 6 aus magnetischem Material sind fest auf die äußere Umfangsfläche der Hülse 4 a aufgebracht und unter einem angemessenen Ab stand in axialer Richtung beabstandet.

Die oberen und unteren Endflächen des ersten Zylinders 5 sind flach und zur Achse der Eingangswelle 1 recht winklig ausgebildet. Der zweite Zylinder 6 weist eine obere Endfläche auf, die der unteren Endfläche des Zylinders 5 gegenüberliegt und zu dieser parallel ist, und eine große Anzahl von rechteckigen bzw. quadrati schen Zähnen 6 a sind an der unteren Endfläche des Zylin ders 6 umfangsmäßig gleichförmig beabstandet ausgebil det.

Die Anzahl der Zähne 6 a ist vorzugsweise ungefähr 8, und die Zahnbreite eines jeden Zahnes 6 a ist so ge wählt, daß sie ungefähr gleich ist dem Ausschnitt zwi schen jedem Zahn 6 a.

Am oberen Ende (in Fig. 2 auf der rechten Seite) der unteren Welle 1 c ist eine zweite Hülse 4 b aus nicht magnetischem Material fest aufgebracht und auf dessen äußerer Umfangsfläche ist ein dritter Zylinder 7 aus magnetischem Material fest aufgebracht. An der oberen Endseite des Zylinders 7 sind eine große Anzahl von Zähnen 7 a jeweils gleicher Breite ausgebildet, die in ihrer Konfiguration ähnlich sind und gleichförmig beabstandet sind. Wenn die Torsionsstange 1 b keinem Drehmoment unterworfen ist, sind die Zähne 6 a und 7 a um die Breite eines jeden Zahnes einander gegenüberlie gend angeordnet.

Am inneren Umfang des Gehäuses 2 sind zylindrische Glieder 8 A und 8 B von U-förmigem Querschnitt fixiert, die jeweils zwei nach innen ragende Flansche aufweisen, wobei sich das zylindrische Glied 8 A über beide Zylin der 5 und 6 erstreckt und in der Mitte der axialen Länge derselben angeordnet ist, wobei die Zylinder 5 und 6 einander gegenüberliegen, wobei das zylindri sche Glied 8 B sich in axialer Richtung über die Zylin der 6 und 7 erstreckt und in der Mitte deren axialer Länge angeordnet ist, wobei die Zylinder 6 und 7 gegen überliegend angeordnet sind. Auf die zylindrischen Glieder 8 A und 8 B ist eine Temperatur-Kompensations- Spule 21 und eine Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 aufgewickelt, wobei die Spulen 21 und 23 mit einem (nicht dargestellten) Oszillator verbunden sind, so daß die Temperatur-Kompensations-Spule 21 elektromagne tisch mit den Zylindern 5 und 6 und die Magnet-Kupp lungs-Nachweisspule 23 mit den Zylindern 6 und 7 gekop pelt sind.

Die Magnet-KupplungsNachweisspule 23 induziert eine Spannung, die der gegenüberliegenden Fläche zwischen den Zähnen 6 a des Zylinders 6 und den Zähnen 7 a des Zylinders 7 entspricht, in anderen Worten, dem magneti schen Kopplungszustand. Die obere Welle 1 a wird daher rotiert, um die Torsionsstange 1 b zu verwinden, wobei sich die sich gegenüberliegende Fläche zwischen den Zähnen 6 a und 7 a ändert, wodurch ein auf die Torsions stange 1 b einwirkendes Drehmoment aufgrund der Span nung, die in die Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 induziert wurde, nachgewiesen wird.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer elektrischen Schal tung, die dem erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensor zuge ordnet ist, wobei eine erste Magnet-Kupplungs-Nachweis spule 21 und eine zweite Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 in Serie verbunden sind, um eine geschlossene Schal tung zu bilden, wobei die zweite Magnet-Kupplungs-Nach weisspule 23 mit einem Oszillator 22 in Serie verbunden ist. Ein Knotenpunkt an einem zwischen einem Anschluß 22 a des Oszillators 22 und einem Ende 21 a der ersten MagnetKupplungs-Nachweisspule 21 liegendem Punkt ist mit einer ersten Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden, und ein Knotenpunkt an einem zwischen dem einen Anschluß 22 a des Oszillators 22 und einem Ende 23 der zweiten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 liegendem Punkt ist mit einer zweiten Gleichrichter- und Glättungsschaltung 25 verbunden. Die Ausgangssigna le der ersten und zweiten Gleichrichter- und Glättungs schaltung werden einem Differentialverstärker 26 zuge führt, wobei ein Ausgangssignal des Verstärkers 26 als Drehmoment-Ausgangssignal dient.

Im folgenden wird die Betriebsweise des erfindungsge mäßen Drehmoment-Sensors beschrieben.

Der Oszillator 22 oszilliert, so daß der magnetische Fluß, der an der ersten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 und an der zweiten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 erzeugt wird, die Zylinder 5 und 6 und die Zylinder 7 und 8 miteinander verbindet, wodurch hierin eine Spannung induziert wird.

Selbst wenn die Anzahl der Windungen der ersten und zweiten Magnet-Kupplungs-Nachweisspulen 21 und 23 gleich ist und die Kerne 8 A und 8 B ungefähr jeweils gleiches Volumen aufweisen, sind die Ausgangssignale der ersten und zweiten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 und 23 nur schwierig gleichzumachen, vielmehr wird in dem Zustand, in welchem die Torsionsstange 1 b keinem Drehmoment unterliegt, ein (nicht dargestelltes) Poten tiometer so eingestellt, daß das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 26 Null ist.

In einem solchen Zustand wird der erfindungsgemäße Drehmoment-Sensor benutzt.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Lenkrad im Uhrzei gersinn (in Richtung des ausgezogenen Pfeiles) rotiert, so daß die Torsionsstange 1 b es dem Zylinder 6 ermög licht, relativ zum Zylinder 7 im Uhrzeigersinn zu rotie ren, wodurch die sich gegenüberliegende Fläche der Zähne 6 a und 7 a variiert wird. Als Ergebnis variiert die magnetische Kopplung, um die Ausgangsspannung der zweiten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 zu variieren. Im Gegensatz hierzu bleibt die elektromagnetische Koppe lung mit der ersten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 unverändert, wodurch die Ausgangsspannung der ersten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 konstant bleibt, so daß das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 26 ein Wert ist, der der vorgenannten relativen Rota tionsdifferenz entspricht.

Der relative Rotationsbetrag hängt von dem mittels des Lankrades auf die Eingangswelle ausgeübten Drehmo ment ab, so daß letztlich das Ausgangssignal des Diffe rentialverstärkers 26 es ermöglicht, daß das Drehmoment nachgewiesen wird.

Der von der ersten Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 erzeugte magnetische Fluß fließt in einer geschlossenen magnetischen Bahn, die vom Sensorkern 8 A und den ersten und zweiten Zylindern 5 und 6 gebildet wird, und der von der zweiten Mangnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 erzeugte magnetische Fluß fließt in einer geschlossenen magnetischen Bahn, die vom Sensorkern 8 B und dem zwei ten und dritten Zylinder 6 und 7 gebildet wird, wobei die entsprechenden magnetischen Flüsse nicht miteinan der interferieren und kein magnetischer Leck-Fluß er zeugt wird. Selbst wenn das externe Magnetfeld bei spielsweise an einer Lenksäule den magnetischen Fluß erzeugt, fließt der magnetische Fluß niemals in die Sensorkerne 8 A und 8 B. Es kann daher das Drehmoment-Aus gangssignal mit hoher Genauigkeit und hoher Empfindlich keit erhalten werden, ohne Interferenz mit einem äuße ren Magnetfeld und einem erzeugten Magnetfluß.

Somit ändert die relative Rotation der Zylinder 6 und 7 das gegenüberliegende Gebiet bzw. die gegenüberliegen de Fläche zwischen den Zähnen 6 a und 7 a an den axialen Endflächen der Zylinder 6 und 7, so daß der magnetische Kopplungszustand hierzwischen in weitem Umfang vari iert. Selbst wenn daher der Betrag der relativen Rota tion klein ist, ändert sich das Drehmoment-Nachweissig nal entsprechend einer Änderung des Drehmoments in großem Umfang.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem relativen Drehwinkel und der induzierten Spannung zeigt, wobei die induzierte Span nung durch die Ordinatenachse und der relative Drehwin kel durch die Abszissenachse repräsentiert sind. Wie in Fig. 4 gezeigt, variiert die Intensität der in der Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 induzierten Span nung in Abhängigkeit vom relativen Drehwinkel zwischen Zylinder 6 und 7. In anderen Worten ist die induzierte Spannung V _P beim relativen Drehwinkel P zwischen den Zähnen 6 a und 7 a, bei dem diese asymmetrisch sind, am geringsten. Die bei einem relativen Drehwinkel R induzierte Spannung, bei dem sich die Zähne 6 a und 7 a um eine halbe Zahnbreite gegenüberliegen, ist V _R, und die Spannung, die beim relativen Drehwinkel T indu ziert wird, bei dem sich die Zähne 6 a und 7 a vollstän dig gegenüberliegen, ist V _T, wobei V _T die höchste Span nung ist. Spannungen, die bei den relativen Drehwinkeln Q und S induziert werden, sind mit V _Q und V _S bezeich net, wobei V _Q etwas größer ist als V _P und V _S etwas kleiner ist als V _P. Die Intensität der an der Magnet- Kupplungs-Nachweisspule 23 induzierten Spannung ändert sich daher sinusförmig ensprechend dem relativen Dreh winkel des Zylinders, wobei die Spannung im Maße der Änderung des relativen Drehwinkels unterschiedlich ist.

Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors beschrieben.

Fig. 5 ist eine zur Hälfte geschnittene Ansicht dieses zweiten Ausführungsbeispiels, wobei eine Eingangswelle 1 eine obere Welle 1 a umfaßt, die ein (nicht dargestell tes) Lenkrad trägt, sowie eine untere Welle 1 c, welche einen (nicht dargestellten) Lenkmechanismus trägt, wobei die beiden Wellen 1 a und 1 c koaxial miteinander über eine Torsionsstange 1 b verbunden sind und die obere Welle 1 a über ein Lager an einem zylindrischen Gehäuse 2, welches an dem Fahrzeug befestigt ist, dreh bar gelagert bzw. unterstützt ist. Auf das untere Ende (linke Seite in der Zeichnung) ist eine erste Hülse 4 a aus nicht magnetischem Material befestigt und auf der äußeren Oberfläche derselben sind ein erster und ein zweiter Zylinder 5 bzw. 6 aus magnetischem Material befestigt, die einen geeigneten axialen Abstand aufwei sen.

Der erste Zylinder 5 weist eine obere und eine untere Endfläche auf, die jeweils flach ausgebildet ist und rechtwinkelig zur Achse der Eingangswelle 1 angeordnet ist. Der zweite Zylinder 6 weist eine obere Endfläche auf, die der unteren Endfläche des ersten Zylinders 5 gegenüber liegt und zu dieser parallel angeordnet ist, wobei am zweiten Zylinder 6 eine Anzahl von Zähnen 6 a ausgebildet sind, die rechteckig sind, jeweils gleich hoch sind und umfangsmäßig gleich beabstandet sind. Jeder der Zähne 6 a weist eine geringere Breite auf als der Ausschnitt 6 b zwischen den Zähnen 6 a.

Eine zweite Hülse 4 b aus nicht magnetischem Material ist auf das obere Ende (rechte Seite in der Zeichnung) der unteren Welle 1 c fixiert und ein dritter Zylinder 7 ist auf der äußeren Umfangsfläche der zweiten Hülse 4 b fixiert. Am oberen Ende des Zylinders 7 sind eine große Anzahl von Zähnen 7 a ausgebildet, die hinsicht lich ihrer Breite, ihrer Konfiguration und ihrer Anord nung denjenigen auf dem Zylinder 6 entsprechen. Fig. 6 ist eine vergrößerte Seitenansicht, welche die Zähne in gegenüberliegendem Zustand zeigt. Wenn die Torsions stange 1 b keinem Drehmoment unterworfen ist, sind die Zylinder 6 und 7 derart umfangsmäßig angeordnet, daß sich die Zähne 6 a und 7 a mit den Bereichen W/2 gegen überliegen, was ungefähr der Hälfte der Breite W der Zähne entspricht, wie dies in Fig. 6(b) dargestellt ist.

Am äußeren Umfang eines Abschnitts der oberen Welle 1 a, von deren unterem Ende in geeigneter Weise nach oben beabstandet, ist ein enger rechtwinkeliger An schlag 9 vorgesehen, der radial vorsteht und sich in Längsrichtung parallel zur oberen Welle 1 a erstreckt. Andererseits ist an der inneren Umfangsfläche des obe ren Endes des unteren Schafts 1 c eine Anschlags-Füh rungsnut 10 ausgebildet, die kreisbogenförmig ist und tief genug ist, um mit dem Anschlag 9 in Eingriff zu kommen und umfangsmäßig ausgeschnitten ist. Die An schlags-Führungsnut 10 weist eine Umfangslänge auf, die so gewählt ist, daß es den oberen und unteren Wel len 1 a und 1 c nur möglich ist, gegeneinander um die halbe Länge der Zahnbreite der Zähne 6 a oder 7 a zu rotieren.

Der Anschlag 9 kommt mit der Anschlagsführungsnut 10 in Eingriff und schlägt am in Umfangsrichtung verlaufen den Ende der Führungsnut 10 an, um die relative Dre hung zwischen oberer Welle 1 a und unterer Welle 1 c zu begrenzen.

Wenn im Falle des wie oben beschrieben konstruierten Drehmoment-Sensors die Torsionsstange 1 b keinem Dreh moment unterworfen ist, wie dies in Fig. 6(b) darge stellt ist, so liegen sich die Zähne 6 a des Zylinders 6 und die Zähne 7 b des Zylinders 7 um einen Bereich der Länge W/2 gegenüber, welcher gleich ist der halben Länge der Zahnbreite W. In diesem Zustand ist die von der Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 induzierte Span nung die Spannung V _R beim relativen Drehwinkel R gemäß Fig. 4, wobei in diesem Fall kein Drehmoment nachgewie sen wird.

Wenn nun die obere Welle 1 a in Richtung des durchgezo genen Pfeiles gemäß Fig. 5 rotiert wird und der An schlag 9 zu dem einen in Umfangsrichtung gelegenen Ende der Anschlags-Führungsnut 10 bewegt wird, so bewe gen sich die Zähne 6 a in Richtung des Pfeiles gemäß Fig. 6(a), wobei sich die Zähne 6 a und 7 a um einen Bereich der Länge W/4 gegenüberliegen, das heißt um ein Viertel der Zahnbreite W. In diesem Zustand ist die von der Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 induzier te Spannung die Spannung V _Q am relativen Drehwinkel Q gemäß Fig. 4. Wenn andererseits die obere Welle 1 a in Richtung des gestrichelten Pfeiles rotiert wird und der Anschlag 9 zu dem in Umfangsrichtung gelegenen Ende der Anschlags-Führungsnut 10 bewegt wird, so be wegen sich die Zähne 6 a, wie dies in Fig. 6(c) gezeigt ist, in Richtung des Pfeiles und die Zähne 6 a und 7 a liegen sich in einem Bereich der Länge 3 W/4 gegenüber, das heißt um drei Viertel der Zahnbreite W. In diesem Zustand ist die von der Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 induzierte Spannung die Spannung V _S am relativen Drehwinkel S gemäß Fig. 4.

Demgemäß variiert in einem Drehwinkelbereich zwischen den relativen Drehwinkeln Q und S die von der Magnet- Kupplungs-Nachweisspule 23 induzierte Spannung in etwa linear bezüglich des relativen Drehwinkels und das Maß der Änderung der Spannung wird ungefähr konstant, wodurch es möglich wird, das Drehmoment mit hoher Ge nauigkeit nachzuweisen. Wenn an der Torsionsstange 1 b kein Drehmoment anliegt, so liegen sich die Zähne 6 a und 7 a der Zylinder 6 und 7 in einem Längenbereich von ungefähr 1/2 der Zahnbreite W gegenüber, wodurch der Drehmoment-Sensor dargestellt wird. Daher ist ein jeder Drehmoment-Sensor hinsichtlich der durch die Magnet-Kupplungs-Nachweisspule induzierten Spannung bezüglich des gleichen relativen Drehwinkels gleich, woraus folgt, daß hinsichtlich der Empfindlichkeit des Drehmoment-Nachweises kein Unterschied erzeugt wird.

Im folgenden wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Fig. 7 und 8 sind schematische Darstellungen einer elektrischen Schaltung des dritten Ausführungsbeispiels des Drehmoment-Sensors, bei dem eine Temperatur-Kompen sationsspule 21 in einem zylindrischen Glied 8 a aus magnetischem Material aufgewickelt ist, wobei das zy lindrische Glied 8 a eine solche Länge aufweist, daß es sich über die Zylinder 5 und 6 aus magnetischem Material erstreckt, die auf einer (nicht dargestellten) oberen Welle fixiert sind. Eine erste Magnet-Kupplungs- Nachweisspule 23 b ist an der äußeren Umfangsseite in einem zylindrischen Glied 8 b aus magnetischem Material angeordnet, wobei das zylindrische Glied 8 b von einer solchen Länge ist, daß es sich über die Zylinder 6 und 7 aus magnetischem Material erstreckt und wobei eine zweite Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 c an der inneren Umfangsseite des zylindrischen Gliedes 8 b ange ordnet ist. Die weiteren Teile des dritten Ausführungs beispiels sind die gleichen wie diejenigen des in Fig. 5 gezeigten Drehmoment-Sensors.

Ein an einem Ende geerdeter Oszillator 11 ist mit sei nem anderen Ende mit den entsprechenden negativen Ein gangsanschlüssen und positiven Eingangsanschlüssen eines ersten und eines zweiten Differentialverstärkers 12 und 13 verbunden und die negativen Eingangsanschlüs se des ersten und zweiten Differentialverstärkers 12 und 13 sind über die erste und zweite Magnet-Kupplungs- Nachweisspule 23 b bzw. 23 c geerdet. Desweiteren sind die positiven Eingangsanschlüsse des ersten und zweiten Verstärkers 12 und 13 über die Temperatur-Kompensations spule 21 geerdet.

Die Ausgangsanschlüsse 12 a und 13 a der Differential verstärker 12 und 13 sind mit dem negativen bzw. dem positiven Eingangsanschluß eines dritten Differential verstärkers 14 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 14 ist mit einem Eingangsan schluß eines Komparators 15 und dem anderen Eingangs anschluß eines Komparators 16 verbunden. Dem anderen Eingangsanschluß des Komparators 15 wird die Referenz spannung minus V ₁ zugeführt, um hinsichtlich eines normalen Betriebsbereiches zu entscheiden, und dem einen Eingangsanschluß des Komparators 16 wird die Bezugsspannung V ₂ zugeführt, um hinsichtlich des norma len Betriebsbereichs zu entscheiden. Die Ausgangsan schlüsse der Komparatoren 15 und 16 sind dem einen und dem anderen Eingangsanschluß einer ODER-Schaltung 17 zugeführt.

Im folgenden wird die Betriebsweise des Drehmoment-Sen sors beschrieben. Fig. 9 ist eine grafische Darstel lung, welche die Beziehung zwischen dem Eingangsdreh moment und dem Sensor-Ausgangssignal zeigt, wobei das Eingangs-Drehmoment durch die Abszissenachse und das Sensor-Ausgangssignal durch die Ordinatenachse reprä sentiert sind. Fig. 10 ist eine grafische Darstel lung, welche die Beziehung zwischen dem Eingangs-Dreh moment und der Monitor-Spannung zeigt, wobei das erst genannte von der Abszissenachse und das zuletztgenannte von der Ordinatenachse repräsentiert ist. Der Oszilla tor 11 oszilliert, so daß der magnetische Fluß, der an der Temperatur-Kompensationsspule 21 und den ersten und zweiten Magnet-Kupplungs-Nachweisspulen 23 b und 23 c aufgrund der Oszillation des Oszillators 11 erzeugt wird, die Zylinder 5 und 6 und die Zylinder 6 und 7 miteinander verbindet bzw. koppelt.

Wenn das (nicht dargestellte) Lenkrad in der einen oder anderen Richtung gedreht wird, so wird die (nicht dargestellte) Torsionsstange verwunden und der Zylinder 6 rotiert relativ zum Zylinder 7, wodurch die zwischen den Zähnen 6 a und 7 a gegenüberliegende Fläche vergrö ßert oder verkleinert wird. Als Resultat hiervon wird die magnetische Kopplung der Zylinder 6 und 7 größer oder kleiner und die von der ersten und zweiten Magnet- Kupplungs-Nachweisspule 23 b und 23 c induzierte Spannung wird größer oder kleiner. Nachdem im Gegensatz hierzu die magnetische Kupplung der Zylinder 5 und 6 unverän dert ist, ist die in die Temperatur-Kompensationsspule 21 induzierte Spannung konstant. Die Ausgangssignale X und Y der Ausgangsanschlüsse 13 a und 12 a an den Dif ferentialverstärkern 13 und 12, das heißt die Sensor- Ausgangssignale, sind bezüglich des gleichen Eingangs- Drehmoments gleich und gehen, wie in Fig. 9 gezeigt ist, als rechts nach oben ansteigende Gerade L ₁ und als rechts abfallende Gerade L ₂ entsprechend dem relativen Drehwinkel, das heißt dem Eingangs-Drehmoment, durch den Nullpunkt. Zusätzlich wird, wenn ein Temperatur anstieg die magnetische Kopplung der Zylinder 5 und 6 sowie 6 und 7 ändert, die magnetische Kopplung auf grund der von der Temperatur-Kompensations-Spule 21 induzierten Spannung kompensiert.

Das Eingangs-Drehmoment wird von einem Drehmoment be stimmt, welches über das Steuerrad aufgebracht wird, wobei letztendlich die Ausgangssignale der Differential verstärker 13 und 12 das Drehmoment doppelt nachweisen können, wodurch die Zuverlässigkeit des Drehmoment-Sen sors verbessert wird.

Die gleichen Ausgangssignale der Differentialverstär ker 13 und 12 werden dem Differentialverstärker 14 eingegeben, wobei das Ausgangssignal des Differential verstärkers 14 null wird und den Komparatoren 15 und 16 zugeführt wird. Nachdem diesen die Vergleichsspan nungen -V ₁ und V ₂ eingegeben sind, sind die Ausgangs signale der Komparatoren 15 und 16 -V ₁ und V ₂, so daß die Monitor-Spannung MV des Ausgangs der ODER-Schaltung 17, wie in Fig. 10 gezeigt, in einem Bereich (außer halb der gestrichelten Zone) der Referenz-Spannungen -V ₁ und V ₂ gehalten wird, wobei in diesem Fall kein Fehler im Drehmoment-Sensor festgestellt wird.

Wenn jedoch beispielsweise die Magnet-Kupplungs-Nach weisspule 23 b oder 23 c oder die Temperatur-Kompensa tionsspule 21 nicht angeschlossen ist, so erzeugen die Ausgänge der Differentialverstärker 12 und 13 eine große Differenz, so daß das Ausgangssignal des Differen tialverstärkers 14 von seinem Null-Zustand sich zu einem großen Wert ändert und das Ausgangssignal des Komparators 15 oder 16 größer wird, wodurch die Monitor- Spannung MV der ODER-Schaltung 17 den gestrichelten Bereich in Fig. 10 betritt, wodurch eine Fehlfunktion nachgewiesen wird; hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Drehmoment-Sensors gesteigert.

Dementsprechend weist der Drehmoment-Sensor das Dreh moment zweifach nach, so daß selbst dann, wenn die eine odere andere der beiden Magnet-Kupplungs-Nachweis spulen 23 b oder 23 c ausfällt, das Drehmoment nachweis bar ist und der Ausfall ebenfalls nachweisbar ist, wodurch der Drehmoment-Sensor extrem zuverlässig ist.

Es sei an dieser Stelle anzumerken, daß die Ausschnitte 6 b und 7 b an den Zylindern 6 und 7 nicht notwendiger weise quadratisch oder rechteckförmig sein müssen, sie können auch in anderer Weise ausgebildet sein, jedoch sollten sie symmetrisch sein.

Im folgenden wird ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Fig. 11 ist eine zur Hälfte geschnittene Ansicht des vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei eine obere Welle 1 a ein (nicht dargestelltes) Lenkrad trägt und eine untere Welle 1 c einen (nicht dargestellten) Lenkmechanismus trägt und diese beiden Wellen 1 a und 1 c über eine Torsionsstange 1 b koaxial verbunden sind, wobei die obere Welle 1 a über ein Lager drehbar unter stützt ist, welches an einem zylindrischen Gehäuse 2 ausgebildet ist, das an einem (nicht dargestellten) Fahrzeugkörper befestigt ist.

Auf dem unteren Ende (der linken Seite in der Zeich nung) der oberen Welle la ist eine erste Hülse 1 a aus einem nicht magnetischen Material fixiert und ein er ster Zylinder 5 und ein zweiter Zylinder 6 aus magne tischem Material sind auf die äußere Oberfläche der ersten Hülse 4 a fixiert. Zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder 5 und 6 ist ein enger, ringförmiger Abstandshalter 20 aus nicht magnetischem Material, bei spielsweise aus Messing, Aluminium oder austenitischem rostfreien Stahl angeordnet, wobei der Abstandshalter 20 auf den äußeren Umfang der ersten Hülse 4 a aufgepaßt ist.

Die obere Endfläche des ersten Zylinders 5 ist flach und rechtwinkelig zur Achse der oberen Welle 1 a und an der unteren Endfläche des ersten Zylinders 5 ist eine große Anzahl von Zähnen 5 a ausgebildet, die recht eckförmig sind und umfangsmäßig gleich beabstandet sind. Die äußerste Endfläche eines jeden Zahnes 5 a ist rechtwinkelig zur Achse der oberen Welle 1 a angeord net. Auch am äußeren Umfang des Zylinders 5 sind eine Anzahl von Nuten 5 d ausgebildet, die sich in Axial richtung erstrecken. Der zweite Zylinder 6 und ein dritter Zylinder 7 sind an ihren äußeren Umfängen eben falls mit Nuten 6 d und 7 d versehen, die den Nuten 5 d entsprechen.

Der zweite Zylinder 6 ist an beiden axialen Endflächen mit Zähnen 6 c und 6 a versehen, die die gleiche Konfigu ration und die gleiche Verteilung aufweisen wie die Zähne 5 a, wobei jede der Zähne 6 a und 6 c auf der glei chen Linie parallel zur Achse zusammenfallen. Wenn die Torsionsstange 1 b keinem Drehmoment unterworfen ist, so befinden sich die Zähne 6 c, 5 a um einen Bereich gegenüberliegend, der der halben Zahnbreite jeder der Zähne 6 c oder 5 a entspricht, wodurch auf diese Weise die Zylinder 5 und 6 positioniert werden.

Eine zweite Hülse 4 b aus nicht magnetischem Material ist auf dem oberen Ende der unteren Welle 1 c fixiert und ein dritter Zylinder 7 aus magnetischem Material ist auf der Hülse 4 b fixiert. Der Zylinder 7 weist dieselbe Konfiguration auf wie der Zylinder 5, ist jedoch in axialer Richtung umgekehrt angeordnet wie der Zylinder 5.

Dementsprechend sind die Zähne 6 a des zweiten Zylinders 6 den Zähnen 7 a des dritten Zylinders 7 gegenüberlie gend angeordnet, wobei die Zähne 6 a und 7 a unter einem geeigneten axialen Abstand voneinander beabstandet sind. Wenn auf die Torsionsstange 1 b kein Drehmoment einwirkt, sind die Zähne 6 a und 7 a um einen Bereich einander gegenüberliegend angeordnet, der der halben Zahnbreite entspricht und befinden sich in gleichem Zustand wie die Zähne 6 c und 5 a, so daß auf diese Weise die Zylinder 6 und 7 positioniert werden.

Am äußeren Umfang des unteren Endes der oberen Welle 1 a ragt ein enger streifenförmiger Anschlag 9 vor, der sich parallel zur Achse der oberen Welle 1 a er streckt. Andererseits ist an der inneren Umfangsfläche einer Öffnung, die koaxial mit dem oberen Ende der unteren Welle 1 c verläuft, eine Anschlags-Führungsnut 10 ausgebildet, die in einer geeigneten Umfangslänge ausgeschnitten ist.

Der Anschlag 9 kommt mit der Anschlags-Führungsnut 10 in Eingriff, wobei die Führungsnut 10 so ausgebildet ist, daß sie eine Kreisbogenlänge hat, über die die obere und untere Welle 1 a und 1 c relativ zueinander ausschließlich rotieren können, beispielsweise um die halbe Breite der Zähne 6 c.

Zylindrische Glieder 8 A und 8 B aus magnetischem Mate rial, die umfangsmäßig verlaufende Vertiefungen ausbil den, sind innerhalb des Gehäuses 2 fixiert, wobei das zylindrische Glied 8 A den gegenüberliegenden Abschnit ten an dem ersten und zweiten Zylinder 5 und 6 gegen überliegend angeordnet ist, wobei das zylindrische Glied 8 B dem gegenüberliegenden Abschnitt des zweiten und dritten Zylinders 6 und 7 gegenüberliegend angeord net ist. In der umfangsmäßig verlaufenden Vertiefung der zylindrischen Glieder 8 A und 8 B sind eine erste Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 und eine zweite Mag net-Kupplungs-Nachweisspule 23 gewickelt, so daß die erste Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 mit den Zylin dern 5 und 6 und die zweite Magnet-Kupplungs-Nachweis spule 23 mit den Zylindern 6 und 7 elektromagnetisch gekoppelt ist.

Es sind daher die axialen Endflächen der gegenüberlie genden Zylinder 5 und 6 hinsichtlich ihrer Konfigura tion übereinstimmend mit denjenigen der Zylinder 6 und 7, so daß dann, wenn die Umgebungstemperatur sich ändert, sich der magnetische Kupplungszustand der Zylin der 5 und 6 und derjenige der Zylinder 7 und 8 in ähn licher Weise ändert und daher eine Temperaturkompensa tion auftritt, wodurch im Ausgangs-Drehmoment kein Fehler erzeugt wird.

Der Drehmoment-Sensor positioniert den Zylinder 5 der art, daß zunächst die Zylinder 6 und 7 mit einem Spalt einander gegenüber liegen, dessen Breite gleich ist der an der ersten und der zweiten Hülse 4 a und 4 b mit tels eines Klebstoffes in derjenigen Position fixiert werden, in der die in die Magnet-Kupplungs-Nachweisspu le 23 induzierte Spannung beispielsweise Null wird. Hiernach wird der Zylinder 5 rotiert, während er über den Abstandshalter 20 zum Zylinder 6 geschoben wird, und er wird an der ersten Hülse 4 a mittels eines Kleb stoffes oder dergleichen an einer Position fixiert, an der die mittels der Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 21 induzierte Spannung Null wird, ebenso wie im vorheri gen Fall. Es kann daher in einfacher Weise erreicht werden, daß der magnetische Kupplungszustand der Zylin der 5 und 6 gleich ist demjenigen der Zylinder 6 und 7. Die Zeit, um den Zylinder 5 zu positionieren, ist daher in großem Umfang reduziert und Schwierigkeiten bei der Arbeit werden vermieden.

Desweiteren ist der Abstandshalter oder Lückenbilder 20 aus nicht magnetischem Material und beeinträchtigt die magnetische Kupplung der Zylinder 5 und 6 in keiner Weise.

Eine Differenz zwischen den induzierten Spannungen in der ersten und der zweiten Magnet-Kupplungs-Nachweis spule 21 und 23 wird beispielsweise mittels eines Diffe rentialverstärkers erhalten, so daß eine Temperaturän derung der Umgebungstemperatur die induzierten Spannun gen der Spulen 21 und 23, die den magnetischen Kupp lungszustand entsprechend dem relativen Drehbetrag der Zylinder 6 und 7 nachweisen, kompensiert, wodurch das auf die Torsionsstange 1 b einwirkende Drehmoment stets richtig nachgewiesen wird. Auch sind an den äuße ren Oberflächen der Zylinder 5, 6 und 7 Nuten 5 d, 6 d und 7 d ausgebildet, wodurch der durch die Zylinder 5, 6 und 7 fließende Magnetfluß einen Durchgang eines umfangsmäßig strömenden Wirbelstroms abschneidet, wo durch Wirbelstromverluste und Wärmeverluste reduziert werden.

In alternativer Weise kann der Abstandshalter 20 an beiden Seitenoberflächen mit Vorsprüngen versehen sein, die mit den Zähnen 5 a oder 6 c in Eingriff bringbar sind. Auf diese Weise ist die gegenüberliegende Fläche der gegenüberliegenden Zähne fest einstellbar.

Der erste und der zweite Zylinder und der zweite und der dritte Zylinder, die so angeordnet sind, daß sie die von den Magnet-Kupplungs-Nachweisspulen induzierten Spannungen auf Null setzen, müssen die induzierten Spannungen lediglich ausgleichen. Es versteht sich, daß die induzierte Spannung Null lediglich beispiels weise gewählt ist.

Im folgenden wird ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehmoment-Sensors beschrieben. Fig. 12 ist eine zur Hälfte geschnittene Ansicht desselben, wobei das fünfte Ausführungsbeispiel dem in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel in etwa ent spricht, sich hiervon jedoch dahingehend unterscheidet, daß ein jeder Zahn 7 a des dritten Zylinders 7 eine geringere Dicke aufweist als jeder Zahn 6 a des zweiten Zylinders 6. Selbst wenn daher die Torsionsstange 1 b gebeugt ist, bleibt der gegenüberliegende Bereich zwi schen den Zähnen 7 a und 6 a unverändert, wodurch stets nur das Drehmoment nachgewiesen wird und die Nachweis genauigkeit nicht vermindert wird.

Fig. 13 ist eine geschnittene Teilansicht eines sechs ten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem eine obere Welle 1 a ein (nicht dargestelltes) Lenkrad trägt und eine untere Welle 1 c einen (nicht dargestellten) Lenkmechanismus, wobei obere Welle und untere Welle mittels Stiften 1 d koaxial miteinander verbunden sind, welche in die Wellen 1 a und 1 c durch die Torsionsstange 1 b hindurch eingefügt sind. Am äußeren Umfang der obe ren und unteren Welle 1 a und 1 c sind eine Vielzahl von Stift-Einführbohrungen 1 e ausgebildet, die vom jeweils äußersten Ende um einen geeigneten Abstand beabstandet sind, wobei kurze Stifte 1 f mit ihren einen Enden in die entsprechenden Bohrungen eingeführt sind. Ein Gehäuse 2, in das die obere Welle 1 und die untere Welle 1 c eingeführt sind und das am (nicht dargestell ten Wagenkörper) fixiert ist, ist an seiner Innenseite mit Lagern 3 a und 3 b ausgestattet, welche von den gegen überliegenden Enden der oberen Welle 1 a und der unteren Welle 1 c axial unter in etwa gleicher Länge beabstandet sind. Am inneren Umfang der Lager 3 a und 3 b sind zylin drische Glieder 4 a und 4 b jeweils aus nicht magneti schem Material und von etwas größerem Innendurchmesser als der Außendurchmesser der oberen Welle 1 a fixiert, und die Glieder 4 a und 4 b sind an den sich gegenüberlie genden Enden um eine geeignete Länge voneinander beab standet. Am inneren Umfang der zylindrischen Glieder 4 a und 4 b und an Positionen, die denjenigen der Stifte 1 f entsprechen, sind Stift-Führungsnuten 4 c, 4 c ausge bildet, die eine ausreichende Breite und Tiefe aufwei sen, um mit den Stiften 1 f in Eingriff zu kommen und die sich parallel zu den Achsen der zylindrischen Glie der 4 a und 4 b erstrecken und eine angemessene Länge von den äußersten Enden dieser Glieder aufweisen, wobei die Stifte 1 f mit ihren anderen Enden mit den Stift-Füh rungsnuten 4 c, 4 c in gleitendem Eingriff stehen, wobei diese anderen Enden der Stifte bogenförmig abgerundet sind, um ein sanftes Gleiten zu ermöglichen. Es wird daher das Drehmoment der oberen Welle 1 a auf das zylin drische Glied 4 a über den Stift 1 f und das Drehmoment der unteren Welle 1 c auf das zylindrische Glied 4 a über den Stift 1 f übertragen, wodurch es möglich wird, daß die zylindrischen Glieder 4 a und 4 b der entspre chenden oberen bzw. unteren Welle 1 a bzw. 1 c zugeordnet sind.

Auf dem äußeren Umfang des zylindrischen Gliedes 4 a sind ein erster und ein zweitere Zylinder 5 und 6, die in axialer Richtung voneinander geeignet beabstan det sind, fixiert, wobei die axialen Endflächen des Zylinders 5 flach ausgebildet sind und rechtwinkelig zur Achse der oberen Welle 1 a verlaufen.

Eine axiale Endfläche des Zylinders 6, die dem Zylinder 5 gegenüber liegt, ist flach und rechtwinkelig zur Achse der oberen Welle 1 a ausgebildet und die andere Endfläche ist in einer Ebene, die nicht rechtwinkelig zu der Achse ist, und bildet Zähne 6 a.

Auf dem zylindrischen Glied 4 b ist ein dritter Zylinder 7 aus magnetischem Material fixiert. Der Zylinder 7 ist hinsichtlich Größe und Konfiguration gleich dem Zylinder 6 und an der geneigten Endfläche gegenüber liegend der axialen Endfläche des Zylinders 6 mit Zäh nen 6 a angeordnet, wobei die Zylinder 6 und 7 einen geeigneten Abstand voneinander aufweisen, wodurch der Zylinder 7 positioniert ist. Ein zylindrisches Glied 8 A aus magnetischem Material mit nach innen weisenden Flanschen 8 Aa und ein zylindrisches Glied 8 B aus mag netischem Material mit nach innen weisenden Flanschen 8 Ba sind an der Innenseite des Gehäuses 2 zwischen den Lagern 3 a und 3 b fixiert, wobei das zylindrische Glied 8 A über den Zylindern 5 und 6 liegend angeordnet ist und das zylindrische Glied 8 B über den Zylindern 6 und 7, wobei die Glieder 8 A und 8 B unter einem geeig neten Abstand voneinander beabstandet sind. Die zylin drischen Glieder 8 A und 8 B enthalten in ihren inneren umfangsmäßig verlaufenden Vertiefungen eine Temperatur- Kompensationsspule 21 und eine Magnet-Kupplungs-Nach weisspule 23, die in geeigneter Weise entlang den Ver tiefungen gewickelt sind. Die Ausgänge der Temperatur- Kompensations-Spule 21 und der Magnet-Kupplungs-Nach weisspule 23 sind mit einem Differentialverstärker 26 verbunden, dessen Ausgangssignal als Drehmoment-Aus gangssignal TS dient.

Im folgenden wird die Betriebsweise des erfindungsgemä ßen Drehmoment-Sensors beschrieben. Der in der Tempera tur-Kompensations-Spule 21 und der Magnet-Kupplungs- Nachweisspule 23 mittels der Oszillation des (nicht dargestellten) Oszillators erzeugte magnetische Fluß koppelt bzw. verbindet die Zylinder 5 und 6 sowie 6 und 7, wodurch eine Spannung induziert wird. Der Sensor wird in einem solchen Zustand verwendet.

Wenn das Lenkrad im Uhrzeigersinn (in Richtung des ausgezogenen Pfeiles) gedreht wird, so dreht die Tor sionsstange 1 b den Zylinder 6 relativ zum Zylinder 7 im Uhrzeigersinn. Sodann rotieren die Zylinder 5 und 6 gemeinsam mit den zylindrischen Gliedern 4 a, 4 b über die Stifte 1 f, so daß die gegenüberliegende Fläche der Zähne 6 a und 7 a sich ändert, um die magneti sche Kopplung zu ändern, wodurch die Ausgangsspannung der Magnet-Kupplungs-Nachweisspule 23 geändert wird. Nachdem die Magnetkupplung zwischen den Zylindern 5 und 6 konstant ist, ist die Ausgangsspannung der Tempe ratur-Ausgangsspannung der Temperatur-Kompensations- Spule 21 konstant und das Ausgangssignal des Differen tialverstärkers 26 wird positiv entsprechend dem Betrag der obengenannten relativen Drehung.

Der Betrag der relativen Drehung wird von einem Dreh moment bestimmt, das auf die untere Welle 1 a mittels des Lenkrades aufgebracht wird, wodurch letztlich das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 26 das Dreh moment nachweisen kann.

Nachdem die Zylinder 6 und 7 auf den zylindrischen Gliedern 4 a und 4 b, die auf den Lagern 3 a und 3 b fi xiert sind, starr befestigt sind, gleiten selbst dann, wenn die Torsionsstange 1 b gebeugt wird, die Stifte 1 f, die an der oberen und der unteren Welle 1 a und 1 c gehalten sind, entlang den Stift-Führungsnuten 4 c, so daß die zylindrischen Glieder 4 a und 4 b keiner Beuge kraft unterworfen sind. Selbst wenn daher die Torsions stange 1 b gebeugt wird und sich präzessionsmäßig be wegt, wird die gegenüberliegende Fläche zwischen den Zylindern 6 und 7 in keiner Weise geändert.

Bei Rotation der oberen Welle 1 a wird das zylindrische Glied 4 a und der Zylinder 6 über die Stifte 1 f genau rotiert.

Dementsprechend wird der erfindungsgemäße Drehmoment- Sensor in keiner Weise von einer Beugung der Torsions stange beeinflußt, so daß er stets nur das auf die Torsionsstange einwirkende Drehmoment nachweist. Daher weist der erfindungsgemäße Drehmoment-Sensor eine hohe Nachweisgenauigkeit auf.

Fig. 14 und 15 sind eine halbe Seitenansicht und eine halbe Schnittansicht des erfindungsgemäßen Dreh moment-Sensors, in welchem Durchgangsbohrungen 8 Bb geeigneter Größe angeordnet sind und umfangsmäßig gleichförmig verteilt sind, wobei 8 solcher Durchgangs bohrungen an einem nach innen ragenden Flansch 8 Ba an dem zylindrischen, im Querschnitt U-förmigen Glied 81 B aus magnetischem Material angeordnet sind, wobei das zylindrische Glied 81 B mit der Spule 23 (siehe Fig. 15) bewickelt ist und die Einheit zum Erzeugen des Magnetflusses darstellt. Die entsprechenden Durch gangsbohrungen 8 Bb sind von der gleichen Gestalt und Größe und in eine Durchgangsbohrung 8 Bb sind Zuführ drähte 1 hindurchgeführt, die mit den Enden der Spule 23 verbunden sind und nach außen weggeführt werden.

Es ist somit eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 8 Bb umfangsmäßig gleichförmig beabstandet am inneren Flansch 8 Ba angeordnet, wobei im Vergleich mit einer einzigen Durchgangsbohrung 8 Bb eine Schnittfläche des nach innen ragenden Flansches umfangsmäßig gemittelt werden kann, wodurch die magnetische Flußdichte gemit telt wird.

Das auf diese Weise gebildete zylindrische Glied 81 B wird an Stelle des konventionellen zylindrischen Glie des 8 B, welches in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet, welches an der inneren Oberfläche des Gehäuses 2 befe stigt ist. Der magnetische Fluß vom inneren Flansch 8 Ba am zylindrischen Glied 81 B gelangt somit zwischen die gegenüberliegenden Endflächen der Zylinder 6 und 7, um an der Spule 23 eine Spannung entsprechend einer jeden Lücke zu erzeugen. Wenn die obere Welle 1 a ro tiert wird, um auf die Torsionsstange 1 b ein Drehmoment einwirken zu lassen, so ändert sich die Lücke zwischen den gegenüberliegenden Endflächen der Zylinder 6 und 7, um die an der Spule 23 erzeugte Spannung zu ändern, wodurch das Drehmoment nachgewiesen wird.

Wenn andererseits die Torsionsstange 1 b gebeugt wird, ändert sich die Lücke zwischen den Zylindern 6 und 7 umfangsmäßig teilweise und nachdem die umfangsmäßige Magnetflußdichte des inneren Flansches 8 Ba des zylindri schen Gliedes 81 B wie oben erwähnt gemittelt ist, wird die in der Spule 23 erzeugte Spannung nicht geändert, wodurch vermieden wird, daß ein Fehler nachgewiesen wird. Auch kann ein Wirbelstromverlust, der im inneren Flansch 8 Ba erzeugt wird, begrenzt werden.

Im Falle dieses Ausführungsbeispiels sind 8 Durchgangs bohrungen 8 Bb vorgesehen, die gleichmäßig verteilt sind, wobei diese Anordnung lediglich beispielsweise ist. Eine jede Durchgangsbohrung 8 Bb kann selbstver ständlich ungefähr umfangsmäßig gleichförmig verteilt sein. Weiterhin kann das zylindrische Glied 81 b äußere Flansche aufweisen, in denen der gleiche Effekt erreich bar ist.

Claims

1. Drehmoment-Sensor, gekennzeichnet durch
eine erste und eine zweite Welle (1 a, 1 c), die in ein zylindrisches Gehäuse (2) eingeführt sind und über eine Torsionsstange (1 b) miteinander verbunden sind,
einen ersten und einen zweiten Zylinder (5, 6) aus magnetischem Material, die an der ersten Welle (1 a) fixiert sind und deren magnetischer Kupplungszustand nicht variabel ist,
einen dritten Zylinder (7) aus magnetischem Material, der an der zweiten Welle (1 c) fixiert ist, wobei der magnetische Kupplungszustand des dritten Zylinders (7) mit dem zweiten Zylinder (6) durch relative Dre hung der ersten Welle (1 a) bezüglich der zweiten Welle (1 c) variabel ist,
eine erste Magnet-Kupplungs-Nachweisspule (21), wel che elektromagnetisch mit dem ersten und dem zweiten Zylinder (5, 6) gekoppelt ist, und
eine zweite Magnet-Kupplungs-Nachweisspule (23), welche elektromagnetisch mit dem zweiten und dritten Zylinder (6, 7) gekoppelt ist.

2. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der dritte Zylinder (5, 6, 7) an ihrem äußeren Umfang mit einer großen Anzahl von Nuten bzw. Einschnitten (5 d, 6 d, 7 d) versehen sind, die sich in Axialrichtung dieser Zylinder erstrecken.

3. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und dritte Zylinder (6, 7) an ihren axialen Enden einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei eines der axialen Enden eine kleinere Dicke aufweist als das andere.

4. Drehmoment-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin folgendes aufweist:
eine Mehrzahl von Lagern (3 a, 3 b), die koaxial mit der ersten Welle (1 a) und der zweiten Welle (1 c) sind, voneinander axial beabstandet sind und im Gehäuse (2) fest angeordnet sind und
zwei zylindrische Glieder (4 a, 4 b) aus nicht magneti schem Material, die fest an diesen Lagern (3 a, 3 b) befestigt sind, wobei der erste, der zweite und der dritte Zylinder (5, 6, 7) auf den entsprechenden zylin drischen Gliedern getrennt starr befestigt sind.

5. Drehmoment-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Magnet-Nachweisspule folgendes umfaßt:
ein zylindrisches Glied (81 B) mit Flanschen (8Ba) und einer großen bzw. größeren Anzahl von Durchgangsbohrun gen (8 Bb), die an einer Seite dieser Flansche ausgebil det sind und diesbezüglich umfangsmäßig angeordnet sind und
eine Spule (23), die am inneren Umfang des zylindri schen Gliedes (81 B) gewickelt ist, wobei Zuführdrähte (1) dieser Spule (23) durch diese Durchgangsbohrungen (8 Bb) hindurchgeführt sind.

6. Drehmoment-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Zylinder (6, 7) an den sich gegenüberliegenden Endkanten eine große bzw. größe re Anzahl von Ausschnitten (6 b, 7 b) aufweist, so daß Zähne (6 a, 6 b) ausgebildet werden, die an den Zylindern (6, 7) umfangsmäßig verteilt sind.

7. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (6 a, 6 b) an dem zweiten und dritten Zylin der (6, 7) eine kleinere Breite aufweisen als die ent sprechenden Ausschnitte (6 b, 7 b).

8. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn auf die Torsionsstange (1 b) kein Dreh moment einwirkt, die Zähne (6 a, 7 a) des zweiten und dritten Zylinders (6, 7) einander um einen Betrag gegen überliegen, der ungefähr der halben Breite eines jeden Zahnes ist.

9. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Welle (1 a, 1 c) nur in einem solchen Drehbereich relativ zueinander gedreht werden können, welcher denjenigen Zustand nicht ein schließt, bei dem die Zähne (6 a) des zweiten Zylinders (6) und die Zähne (7 a) des dritten Zylinders (7) voll ständig gegenüberliegend angeordnet sind oder vollstän dig nicht gegenüberliegend angeordnet sind.

10. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Zylinder (5, 6) an den sich gegenüberliegenden axialen Endkanten mit einer großen oder größeren Anzahl von Ausschnitten versehen ist, so daß Zähne gebildet werden, welche an den Zylin dern umfangsmäßig angeordnet sind.

11. Drehmoment-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Abstandshalter (20) aus nicht magneti schem Material vorgesehen ist, welcher zwischen den sich gegenüberliegenden axialen Endkanten des ersten und zweiten Zylinders (5, 6) angeordnet ist.

12. Drehmoment-Sensor, gekennzeichnet durch
eine erste und eine zweite Welle (1 a, 1 c), welche über eine Torsionsstange (1 b) miteinander verbunden sind,
einen ersten Zylinder (6) aus magnetischem Material, der an der ersten Welle (1 a) fixiert ist und an derjeni gen axialen Endkante, die der zweiten Welle (1 c) zuge wandt ist, mit einer großen Anzahl von Ausschnitten (6 b) versehen ist, so daß Zähne (6 a) gebildet werden, deren Breite kleiner ist als diejenige der Ausschnitte (6 b) und die am Zylinder (6) umfangsmäßig verteilt sind,
einen zweiten Zylinder (7) aus magnetischem Material, welcher dem ersten Zylinder (6) gegenüberliegt, an der gegenüberliegenden axialen Endkante Zähne (7 a) aufweist, die gleich den Zähnen des ersten Zylinders (6) sind, und der an der zweiten Welle (1 c) derart fixiert ist, daß ein jeder Zahn mit einem Abschnitt von ungefähr einer halben Zahnbreite einem Abschnitt von ungefähr einer halben Zahnbreite des ersten Zylin ders gegenüberliegt und
eine Wellen-Steuereinrichtung (9, 10), um den Drehbe reich der ersten und der zweiten Welle (1 a, 1 c) derart zu steuern, daß er denjenigen Zustand nicht umfaßt, bei dem die Zähne des ersten und des zweiten Zylinders vollständig gegenüberliegend angeordnet sind oder voll ständig nicht gegenüberliegend angeordnet sind.

13. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Zylinder (6, 7) gegenüber liegende axiale Endkanten umfaßt, wobei eine dieser Endkanten eine kleinere Dicke aufweist als die andere.

14. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Zylinder (6, 7) an ihrer Außenseite eine große Anzahl von Nuten oder Rillen (6 d, 7 d) aufweisen, die sich in Axialrichtung der Zy linder erstrecken.

15. Drehmoment-Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er folgendes umfaßt:
eine Mehrzahl von Lagern (3 a, 3 b), die mit der ersten und der zweiten Welle (1 a, 1 c) koaxial sind, axial voneinander beabstandet sind und fest im Gehäuse (2) befestigt sind und
zwei zylindrische Glieder (4 a, 4 b) aus nicht magneti schem Material, welche in jeweils eines der Lager fest eingepaßt sind, wobei der erste und der zweite Zylinder (6, 7) getrennt fest auf den zylindrischen Gliedern (4 a, 4 b) befestigt sind.