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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung gemäß dem ersten Teil von Anspruch 1, welche
insbesondere bei einem motorgetriebenen Servolenkungssystem
nützlich ist, welches zum Beispiel in einem Automobil
installiert ist (EP-A-0 174 202). Bei der aus dieser EP-A-0 174 202
bekannten Vorrichtung wird das Potentiometer durch einen
Schleifarm, der auf der Torsionsfeder montiert ist, und ein
resistives Element gebildet, welches an einer inneren
Randoberfläche eines sich axial erstreckenden Flansches der
Ausgangswelle montiert ist.
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Es ist eine Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung bekannt, bei
welcher die Lenkspindel in eine Eingangswelle und eine
Ausgangswelle unterteilt ist, eine Torsionsfeder zwischen der
Eingangs- und der Ausgangswelle vorgesehen ist, um sie zu
verbinden, eine Versetzung aufgrund einer Torsionskraft in der
Torsionsfeder in eine Hubversetzung mit Hilfe einer
Versetzungsumwandlungseinrichtung umgesetzt wird, welche durch ein
Getriebe gebildet wird, das zwischen der Eingangs- und der
Ausgangswelle vorgesehen ist, und die Hubversetzung durch ein
Hub-Potentiometer detektiert wird.
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Es ist weiterhin eine Detektionseinrichtung bekannt, welche so
konstruiert ist, daß eine solche Versetzung in der
Torsionsfeder in eine Rotationsversetzung mit Hilfe einer durch ein
Getriebe gebildeten Versetzungsumwandlungseinrichtung
umgewandelt wird und die Rotationsversetzung durch ein
Rotations-Potentiometer detektiert wird.
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Dementsprechend wird die detektierte Größe des Drehmoments
verwendet, um einen Motar für den Lenkvorgang zu drehen, um in
Übereinstimmung mit der detektierten Größe zu sein.
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Daher hat die herkömmliche
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung, welche die Versetzungsumwandlungseinrichtung verwendet,
welche aus dem Getriebe besteht, um die Torsionsversetzung in
eine Hubversetzung oder die Rotationsversetzung umzusetzen,
den Nachteil, daß die gesamte Anordnung kompliziert und groß
ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung zu schaffen, welche einfach
aufgebaut ist, ein geringes Gewicht und eine geringe Größe
aufweist, insbesondere mit Hinblick auf eine Verbesserung der
Potentiometeranordnung gegenüber der EP-A-0 174 202.
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Die vorangehende und weitere Aufgaben der vorliegenden
Erfindung wurden durch eine Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung
gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Entwicklungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen erwähnt. Die Merkmale der Erfindung werden aus
der folgenden konkreten Beschreibung anhand der beigefügten
Zeichnungen deutlicher, welche bevorzugte Ausführungsformen
der Ausführungsformen darstellen.
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In den Zeichnungen sind:
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Fig. 1 ein Querschnitt in Längsrichtung einer
Ausführungsform der
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 eine Vorderansicht einer Ausführungsform der
gedruckten Leiterplatte, welche in der
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet wird,
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer
Ausführungsform des Schleifkontakts, welcher für die
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung wie in
Figur 1 gezeigt verwendet wird,
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Fig. 4 eine Vorderansicht einer weiteren
Ausführungsform der gedruckten Leiterplatte, welche für
die vorliegende Erfindung verwendet wird,
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer
Ausführungsform des Nullpunkts-Schleifkontakts sowie
der für die vorliegende Erfindung verwendete
Schleifkontakt, und
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Fig. 6 ein Diagramm, welches eine Ausführungsform
einer für die vorliegende Erfindung
verwendeten Bürste zeigt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 ist ein Querschnitt in Längsrichtung einer
Ausführungsform der Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung.
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Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Eingangswelle und
Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Ausgangswelle, welche beide mit ihren
axialen Zentren ausgerichtet sind, so daß sie dadurch eine
Lenkspindel bilden. Eine Torsionsfeder 3 ist zwischen der
Eingangs- und der Ausgangswelle angeordnet. Ein Ende der
Torsionsfeder ist in eine Bohrung 1a eingepaßt, welche in der
Eingangswelle in axialer Richtung ausgebildet ist und durch
einen Paßstift 4 fixiert und das andere Ende ist gewaltsam in
eine Bohrung 2a eingeführt, welche in der Ausgangswelle in
deren axialer Richtung ausgebildet ist. Das andere Ende der
Torsionsfeder kann lose in die Bohrung 2a eingeführt und durch
einen Paßstift fixiert sein.
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Bezugszeichen 6 bezeichnet ein erstes Gehäuse, welches durch
ein feststehendes Teil (nicht gezeigt) unterstützt wird und
welches seinerseits die Eingangswelle 1 über ein Lager 8
trägt. Bezugszeichen 7 bezeichnet ein zweites Gehäuse, welches
mit dem ersten Gehäuse 6 über Paßschrauben 10 verbunden ist
und die Ausgangswelle 2 über ein Lager 9 trägt.
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Bezugszeichen 11 bezeichnet einen Schleifringhalter, welcher
aus einem harzartigen Material besteht, fest mit der
Eingangswelle 1 verbunden ist und mit einem Flansch 11a an seinem
einen Endabschnitt versehen ist. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet
eine Vielzahl von Schleifringen, welche in den Halter 11
eingebettet sind, wobei jeder der Schleifringe eine
Verbindungsleitung 13 besitzt, welche sich auf der Seite des Flansches
11a erstreckt.
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Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine gedruckte Leiterplatte in
Form einer kreisförmigen Platte, welche fest an dem Flansch
11a des Halters 11 befestigt ist.
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Figur 2 zeigt die gedruckte Leiterplatte im Detail. Die
gedruckte Leiterplatte hat allgemein eine ringartige Form und
ist mit einem ausgeschnittenen Bereich 14a am inneren
Umfangsbereich, der es jeder der Verbindungsleitungen 13 gestattet,
hindurchzulaufen, und einem Paar von ausgeschnittenen
Bereichen 14b versehen, welche am äußeren Unfangsbereich in einer
Gegenüberstellung ausgebildet sind, um die Festlegung der
Position der gedruckten Leiterplatte zu gestatten. An einer
Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 14 sind Elemente 15
ausgebildet, um ein Potentiometer zu bilden. Insbesondere
bezeichnet Bezugsziffer 15a eine Widerstandsschicht, welche sich
in der Umfangsrichtung der gedruckten Leiterplatte 14
erstreckt, bei welcher ein Ende eine Elektrode 15b, welche sich
in der Umfangsrichtung erstreckt und das andere Ende eine
weitere Elektrode 15c bildet, welche der Elektrode 15b an
einer radial weiter außen liegenden Stelle gegenüberliegt.
Eine Ausgangselektrode 15d ist gegenüber der
Widerstandsschicht 15a an einer radial weiter innen gelegenen Position
vorgesehen.
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Die gedruckte Leiterplatte 14 ist weiterhin mit einer
Verstärkerschaltung und einer Regulierungsschaltung (nicht gezeigt)
für die Ausgangselektrode 15d versehen.
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Bezugnehmend auf Figur 1 ist ein Schleifkontakt 16 an einer
Oberfläche eines Paßrings 17 vorgesehen, welcher aus einem
isolierenden Material besteht, an dem äußeren Rand der
Ausgangswelle 2 angebracht ist und mit einer Paßschraube 18
befestigt ist. Der Schleifkontakt 16 ist so ausgebildet, daß er
sich in radialer Richtung der gedruckten Leiterplatte 14
erstreckt, so daß er einen elektrischen Kontakt sowohl mit der
Widerstandsschicht 15a als auch mit der Ausgangselektrode 15d
hat, wobei er Kontaktbereiche mit einer geringen Breite
besitzt, um mit diesen in Kontakt zu stehen.
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Figur 3 zeigt eine Ausführungsform des Schleifkontakts 16 im
Detail. Der Schleifkontakt 16 besteht aus einer dünnen
Metallplatte, welche flexibel ist und einen geringen
Reibungskoeffizienten und eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt. Der
Schleifkontakt 16 besitzt einen sich radial erstreckenden
Endabschnitt, von welchem sich eine Vielzahl von dünnen
Zungenabschnitten als erste Kontaktstücke 16a in der Umfangsrichtung
der gedruckten Leiterplatte erstrecken, so daß jedes Ende der
Kontaktstücke 16a in Kontakt mit der Widerstandsschicht 15a
steht, und einen weiteren sich radial nach innen erstreckenden
Endabschnitt, von welchem sich eine Vielzahl von dünnen
Zungenabschnitten als zweite Kontaktstücke 16b in derselben
Richtung wie die ersten Kontaktstücke 16a erstrecken, so daß jedes
Ende der zweiten Kontaktstücke 16b in Kontakt mit der
Ausgangselektrode 15d steht.
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Wendet man sich Figur 1 zu, so wird eine Bürsteneinrichtung 19
durch einen Bürstenhalter 20, welcher aus einem harzartigen
Material besteht und an dem ersten Gehäuse 6 befestigt ist,
und eine Vielzahl von Bürsten 21 gebildet, welche jeweils aus
einem dünnen Draht einer Legierung bestehen, welcher flexibel
ist und einen geringen Reibungskoeffizienten und eine gute
elektrische Leitfähigkeit aufweist. Jedes freie Ende steht in
Schleifkontakt mit jedem der Schleifringe 12 und das
rückwärtige Ende ist an einem Endblock 22 befestigt, welcher in dem
Bürstenhalter 20 eingebettet ist. Jeder Endblock 22 ist mit
Zugleitungen 24 jeweils über einen Durchgangskondensator 23
verbunden. Der Durchgangskondensator 23 ist dafür da, um
Rauschen zu entfernen, welches in der
Drehkraft-Detektionsvorrichtung aufgrund einer Änderung im Kontaktdruck zwischen den
Bürsten 14 und den Schleifringen 12 entsteht, wobei die
Änderung in dem Kontaktdruck eine Änderung in dem Widerstand des
Kontakts bewirkt, wodurch externes Rauschen leicht aufgenommen
wird. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet eine Abdeckung zum
Abdecken des Bürstenhalters 20.
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Der Betrieb der Drehmomentdetektionsvorrichtung der
vorangehend genannten Ausführungsform wird beschrieben.
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Wenn ein Lenkrad nicht betätigt wird und es daher keinen
Unterschied in dem Drehmoment zwischen der Eingangs- und der
Ausgangswelle 1 bzw. 2 gibt, gibt es keine Versetzung in der
Torsionsfeder 3. Dementsprechend befindet sich der
Schleifkontakt 16 in der neutralen Position in seiner Umfangsrichtung
bezüglich der Widerstandsschicht 15a als dem Element 15 des
Potentiometers, wodurch kein Ausgang von dem Potentiometer
aufgrund einer Veränderung der Versetzung der Torsionsfeder
entsteht.
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Wenn das Lenkrad betätigt wird, erzeugt dies dort eine
Differenz des Drehmoments zwischen der Ausgangs- und der
Eingangswelle
1,2 und es tritt eine Torsionsversetzung in der
Torsionsfeder 3 auf. Als Folge davon ändert sich die
Kontaktstelle des Schleifkontakts 16 in der Drehrichtung relativ zu der
Widerstandsschicht 15a im Verhältnis zu dem Ausmaß der
Versetzung in der Torsionsfeder, wodurch ein Ausgangssignal von dem
Potentiometer im Verhältnis zu dem Ausmaß der Versetzung
erzeugt wird. In Abhängigkeit von der Richtung des Drehens des
Lenkrads auf die linke oder rechte Seite ändert sich die
Kontaktstelle des Schleifkontakts 16 in der Umfangsrichtung der
gedruckten Leiterplatte 14 bezüglich der neutralen Position
der Widerstandsschicht 15a zu einer Seite oder der
gegenüberliegenden Seite. Dementsprechend wird die Richtung der
Rotation, welche an die Ausgangswelle 2 angelegt werden soll, in
Abhängigkeit von einen detektierten Signal bestimmt.
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Bei der vorangehend genannten Ausführungsform sind die
Schleifringe 12 und die gedruckte Leiterplatte 14 an der
Eingangswelle 1 montiert und der Schleifkontakt ist an der
Ausgangswelle 2 montiert. Diese Teile können jedoch zur
Befestigung an der Eingangs- und der Ausgangswelle ausgewechselt
werden.
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Dementsprechend sind bei der obengenannten Ausführungsform die
gedruckte Leiterplatte, welche mit der Widerstandsschicht und
den Elektroden, welche ein Potentiometer bilden, versehen ist,
und die Schleifringe zum Übertragen von Signalen von den
Elektroden nach außen entweder an der Eingangswelle oder der
Ausgangswelle montiert und der Schleifkontakt ist auf der anderen
montiert, wobei sich der Schleifkontakt in radialer Richtung
erstreckt, um in Kontakt mit der Widerstandsschicht und der
Ausgangselektrode der gedruckten Leiterplatte zu stehen. Dem
entsprechend kann die gesamte Konstruktion einer
Signaldetektionsanordnung für die Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung
einfach und von geringer Größe sein.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. In den Figuren 4 und 5 bezeichnen dieselben
Bezugsziffern wie in den Figuren 1 bis 3 dieselben oder
entsprechende Teile und daher wird auf die Beschreibung dieser Teile
verzichtet.
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Wie in Figur 4 gezeigt, ist eine Nullpunkt-Detektionseinheit
26 in einer symmetrischen Position zu dem Potentiometer 15
bezüglich einer Linie X-X ausgebildet. Insbesondere ist die
Nullpunkt-Detektionseinheit 26 in einem Raumbereich
ausgebildet, welcher auf der Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 14
ungenutzt bleibt. Die Nullpunkt-Detektionseinheit 26 umfaßt
eine Nullpunktselektrode 26a mit einem sich im Umfangsrichtung
erstreckenden Ende, einen Nullpunkts-Kontaktabschnitt 26b mit
geringer Breite, welcher sich radial nach innen auf der
gedruckten Leiterplatte 14 erstreckt und eine korrespondierende
Elektrode 26c, welche an der inneren Umfangsseite ausgebildet
ist, so daß sie dem Nullpunkts-Kontaktabschnitt 26b mit einem
Zwischenraum gegenüberliegt. Die Elektrode 26a und die
korrespondierende Elektrode 26c sind jeweils mit den
Schleifringen 12 über Verbindungsleitungen 13 verbunden.
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Figur 5 zeigt einen Nullpunkts-Schleifkontakt 27, welcher aus
dem gleichen Material wie der Schleifkontakt 16 besteht,
welcher an der Oberfläche des Paßrings 17 ausgebildet ist, auf
welchem der Schleifkontakt 16, wie mit Bezug auf Figur 3
beschrieben, ausgebildet ist. Der Nullpunkts-Schleifkontakt 27
besitzt einen Abschnitt, in welchem eine Vielzahl von
Kontaktstücken 27a sich in der Umfangsrichtung des Paßrings 17
erstrecken, so daß jedes Ende der Kontaktstücke 27a in Kontakt
mit dem Nullpunkts-Kontaktabschnitt 26b steht, wenn der
Paßring 17 und die gedruckte Leiterplatte 14 zu der
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtung zusammengesetzt sind. Der
Nullpunkts-Schleifkontakt 27 besitzt einen weiteren Abschnitt, in
welchen eine Vielzahl von Kontaktstücken 27b derart
ausgebildet sind, daß sie sich in dieselbe Richtung wie die
Kontaktstücke 27a erstrecken, so daß jedes Ende der Kontaktstücke 27b
in Kontakt mit der korrespondierenden Elektrode 26c steht,
wenn der Paßring 17 und die gedruckte Leiterplatte 14
zusammengesetzt sind.
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Die Position des Nullpunkts-Schleifkontakts 27 ist so
festgelegt, daß er in Kontakt mit dem Nullpunkts-Kontaktabschnitt
26b nur dann steht, wenn die Differenz in dem Drehmoment
zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 1,2 null ist,
nämlich wenn es keine Versetzung in der Torsionsfeder 3 gibt.
Wenn ein geringfügiger Unterschied im Drehmoment erzeugt wird,
so daß eine Rotationsversetzung mit einem kleinen
Rotationswinkel a erzeugt wird, wird der Schleifkontakt 27 von dem
Nullpunkts-Kontaktabschnitt 26b weggeführt, wodurch ein
Nullpunkt-Detektionssignal unterbrochen wird, welches anzeigt, daß
es ein Drehmoment in der Lenkspindel gibt. Dementsprechend
wird die Breite des Nullpunkts-Kontaktabschnitts 26b so klein
wie möglich gemacht, um die Genauigkeit zum Detektieren des
Nullpunktes zu erhöhen. Insbesondere ist es wünschenswert, daß
der Nullpunkts-Kontaktabschnitt 26b eine lineare Form in der
Radialrichtung besitzt.
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Beim Betrieb der vorangehend genannten Ausführungsform wird
dann, wenn das Lenkrad nicht betätigt wird und es daher keine
Differenz im Drehmoment zwischen der Eingangs- und der
Ausgangswelle 1,2 gibt, keine Torsionsversetzung in der
Torsionsfeder 3 erzeugt. Dementsprechend befindet sich der
Schleifkontakt 16 in der neutralen (mittleren) Position in der
Umfangsrichtung der gedruckten Leiterplatte bezüglich der
Widerstandsschicht 15a als Element des Potentiometers 15 und es
gibt keinen Ausgang des Potentiometers.
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Da sich der Nullpunkts-Schleifkontakt 27 so erstreckt, daß er
in Kontakt sowohl mit dem Nullpunkts-Kontaktabschnitt 26b als
auch mit der korrespondierenden Elektrode 26c steht, und ein
Signal wird erzeugt, welches anzeigt, daß es eine Leitung
zwischen den beiden Elementen 26b und 26c gibt, und als
Drehmoment-Nullpunkt für das Lenkrad detektiert. Das Signal des
Drehmoment-Nullpunkts hindert den Motor daran, das Lenkrad zu
treiben.
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Wenn das Lenkrad betätigt wird, um eine Drehmomentdifferenz
zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 1,2 zu
verursachen, erzeugt es eine Versetzung in der Torsionsfeder 3. Dann
wird die Position des Schleifkontakts 16, welcher in Kontakt
mit der Widerstandsschicht 15a steht, relativ durch eine
Drehbewegung im Verhältnis zu dem Ausmaß der Versetzung in der
Torsionsfeder verändert, wodurch ein Ausgangssignal von dem
Potentiometer im Verhältnis zu den Ausmaß der Versetzung
erzeugt wird.
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Durch die Änderung in der Position des Schleifkontakts 16
gerät der Nullpunkts-Schleifkontakt 27 aufgrund der relativen
Bewegung in der Umfangsrichtung aus dem
Nullpunkts-Kontaktabschnitt 26b, wodurch der Zustand der elektrischen Leitung
zwischen der korrespondierenden Elektrode 27c und dem
Schleifkontakt 27 unterbrochen wird und dementsprechend ein
Lenkdrehmoment detektiert wird. Zur selben Zeit wird die Bedingung zum
Hindern des Motors am Antreiben der Servolenkung aufgehoben.
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Dementsprechend wird die Stelle des Kontakts des
Schleifkontakts 16 mit der Widerstandsschicht 15a durch die Betätigung
des Lenkrads bezüglich der neutralen Position in der
Umfangsrichtung entweder zu der linken Seite oder der rechten Seite
geändert, wodurch die Drehrichtung für die Ausgangswelle 2
durch die Änderung in dem Wert des detektierten Signals
bestimmt wird.
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Die vorangehend genannte Ausführungsform beseitigt das
Problem, daß, wie man bei einem analogen Detektionsverfahren in
dem herkömmlichen Potentiometer sieht, der Widerstand in der
Widerstandsschicht nicht immer gleichförmig über seine gesamte
Fläche ist, weil sich die Umgebungstemperatur ändert, was ein
Driften des Nullpunkts verursacht, wodurch eine Inkonsistenz
zwischen dem Nullpunkt in dem Lenkdrehmoment und dem Nullpunkt
der Drehkraft-Detektionsvorrichtung entsteht.
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Weiterhin ist in der vorangehend genannten Ausführungsform der
Nullpunkts-Schleifkontakt, welcher sich in radialer Richtung
erstreckt, um in Kontakt mit dem Nullpunkts-Kontaktabschnitt
der Nullpunkts-Elektrode und der korrespondierenden Elektrode
zu stehen, ebenso wie der Schleifkontakt, welcher die
Widerstandsschicht und die Ausgangselektrode auf der gedruckten
Leiterplatte überspannt, entweder auf der Eingangswelle oder
der Ausgangswelle befestigt. Dementsprechend wird die gesamte
Konstruktion der Drehkraft-Detektionsvorrichtung einfach, von
geringer Größe und verringert das Gewicht. Zusätzlich kann
eine korrekte Detektion des Nullpunkts in dem Lenkdrehmoment
erreicht werden, um dadurch die Leistung eines
Servolenkungssystems zu verbessern.
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Figur 6 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform der
Bürste, welche für die Drehkraft-Detektionsvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Bezugsziffer 22 bezeichnet einen Endblock, welcher an dem
Bürstenhalter 20 wie in Figur 1 gezeigt befestigt ist, und
Bezugsziffer 21 bezeichnet eine Bürste, welche aus Nickel oder
einer Legierung der Nickelreihe besteht und durch ein Paar von
länglichen Körpern 21a, 21b gebildet wird. Jedes Ende der
länglichen Körper 21a, 21b ist elektrisch und mechanisch mit
dem Endblock 22 verbunden und ihre freien Enden stehen in
Kontakt mit einem Schleifring, so daß sie ihn zwischen sich
halten.
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Der Grund, warum Nickel oder eine Legierung der Nickelreihe
für die Bürste verwendet wird, besteht darin, Nachteile in
einer herkömmlichen Flachplatten-Bürste aus Phosphorbronze zu
beseitigen, welche allgemein für
Lenkdrehkraft-Detektionsvorrichtungen verwendet wird: a) sie nützt sich sehr schnell ab,
weil sie Kupfer enthält, b) die Herstellungskosten sind hoch,
c) ein gleichförmiger Kontaktdruck kann nicht gewährleistet
werden, d) sie besitzt eine geringe Haltbarkeit und e) die
Zuverlässigkeit ihrer Wirksamkeit ist daher gering.
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Bei der Bürste 21, welche aus zwei dünnen länglichen Körpern
21a, 21b besteht, welche den Schleifring 12, der mit der
Eingangswelle 1 gedreht wird, zwischen sich halten, funktioniert
selbst dann, wenn ein längliches Bürstenelement aufgrund von
Abnutzung beim Gebrauch fehlerhaft wird, das andere
Bürstenelement normal, um Signale zu detektieren. Der Druck des
Kontakts der Bürste 21 mit dem Schleifring 12 kann zum Beispiel
durch Ändern des Abstands zwischen dem Endblock 22, der die
Bürstenelemente 21a, 21b festhält, und dem Schleifring 12
eingestellt werden.