DE4337852A1 - Drehmomentdetektor und Drehmomentdetektorelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentdetektor, mit welchem das Drehmoment berührungslos gemessen werden kann, welches als externe Kraft an eine angetriebene Welle angelegt wird, beispielsweise eine Drehwelle.

Auf dem Kraftfahrzeuggebiet, beispielsweise bei Servolenkungseinrichtungen, Antischlupf-Bremseinrichtungen und Steuerungen für Automatikgetriebe besteht häufig ein Bedürfnis, das Drehmoment zu ermitteln, welches an angetriebene Wellen angelegt wird, beispielsweise an die Welle eines Lenkrades. Ein Beispiel für derartige Drehmomentdetektoren, die bei derartigen Anwendungen eingesetzt werden, ist ein magnetostriktiver Drehmomentdetektor, der in der ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldung (Kokai) Hei-1-94230 beschrieben wurde. Der Aufbau dieses Detektors wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben.

In der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine angetriebene Welle, welche eine Drehwelle ist; 7a und 7b sind Lager, welche die angetriebene Welle 1 drehbar haltern; und 3 ist ein Magnetspulenkörper, der ebenfalls durch die Lager gehaltert wird. Ein erstes magnetisches Teil 2a und zweites magnetisches Teil 2b, die jeweils aus einer Schicht aus einem magnetostriktiven Material bestehen, sind an der Umfangsoberfläche der angetriebenen Welle 1 befestigt, und axial voneinander beabstandet angeordnet. Das erste magnetische Teil 2a besteht aus mehreren dünnen Streifen, die in einem Winkel (Theta) von 45° in bezug auf die Zentralachse angeordnet sind, wogegen das zweite magnetische Teil 2b aus mehreren dünnen Streifen besteht, die in einem Winkel (Theta) von -45° angeordnet sind. Der Magnetspulenkörper 3 ist mit einer ersten Spule 5a und einem ersten Joch 4a versehen, dem ersten magnetischen Teil 2a zugeordnet, sowie mit einer zweite Spule 5b und einem zweiten Joch 4b, welche dem zweiten magnetischen Teil 2b zugeordnet sind. Die Joche 4a und 4b stellen Teile dar, die ein Ausbreiten magnetischer Flüsse nach außen verhindern. Durch die Bezugsziffer 100 ist eine Belastungsdetektorschaltung bezeichnet, die mit der ersten und zweiten Spule 5a und 5b verbunden ist.

Der in Fig. 10 dargestellte Drehmomentdetektor arbeitet auf folgende Weise. Wenn ein externes Drehmoment an die angetriebene Welle 1 angelegt wird, entwickelt sich eine Hauptbelastung auf der Oberfläche der angetriebenen Welle in den Richtungen, die durch Theta = ±45° festgelegt sind, worauf eine Zugkomponente der Belastung auf eins der magnetischen Teile 2a und 2b einwirkt, und eine Druckkomponente der Belastung auf das andere Teil einwirkt. Wenn diese Belastung hervorgerufen wird, ändert sich die Permeabilität der magnetischen Teile 2a und 2b, und die Änderungsrichtung, die bei der Entwicklung der Zugkräfte auftritt, ist der Richtung entgegengesetzt, die in dem Fall auftritt, in welchem sich die Druckbelastung entwickelt. Die Belastungsdetektorschaltung 100 stellt die Induktanzen der Spulen 5a und 5b fest, die sich in Reaktion auf die Änderungen der Permeabilität der magnetischen Teile entwickeln, berechnet das Drehmoment, welches auf die angetriebene Welle 1 ausgeübt wurde, und gibt eine dem Drehmoment proportionale Spannung aus.

Bei dem auf diese Weise ausgebildeten magnetostriktiven Drehmomentdetektor treten die folgenden Probleme auf. Zunächst einmal erfordert die Bereitstellung magnetischer Teile 2a und 2b als mehrere Streifen auf der Oberfläche der angetriebenen Welle 1 einen komplexen Herstellungsvorgang; darüber hinaus lösen sich die magnetischen Teile in Form von Streifen leicht, und gelegentlich entwickelte sich Korrosion an der Grenzfläche zwischen der Welle 1 und jedem magnetischen Teil.

Bei dem beschriebenen magnetostriktiven Drehmomentdetektor werden die Änderungen der Permeabilität, die in entgegengesetzten Richtungen in dem magnetischen Teil 2a, welches in der Richtung von +45° angeordnet ist, und dem magnetischen Teil 2b auftreten, welches in der Richtung von -45° angeordnet ist, über unterschiedliche Spulen 5a und 5b ermittelt; und dies ist zwar in der Hinsicht wirksam, daß die Temperaturcharakteristiken der magnetischen Teile, des externen Magnetfeldes und des magnetischen Restflusses kompensiert werden, jedoch können verschiedene Störungen wie beispielsweise ein axialer Temperaturgradient, nicht ausgeglichene externe Magnetfelder sowie ein magnetischer Restfluß nicht völlig kompensiert werden. Beispielsweise sind die magnetischen Teile 2a und 2b axial voneinander beabstandet angeordnet, so daß dann, falls die angetriebene Welle 1 einen axialen Temperaturgradienten aufweist, die magnetischen Teile unterschiedliche Temperaturen aufweisen, was schließlich einen Fehler bei dem Ergebnis der Ermittlung der Induktanz hervorruft.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Umstände entwickelt, und die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Drehmomentdetektors, der einen einfachen Aufbau aufweist, und dennoch weniger empfindlich auf Störungseinflüsse ist, beispielsweise einen axialen Temperaturgradienten, ein nicht ausgeglichenes äußeres Magnetfeld, und einen magnetischen Restfluß.

Das Erfordernis eines einfachen Aufbaus wird durch einen Drehmomentdetektor erfüllt, welcher eine angetriebene Welle aufweist, die magnetostriktiv ausgebildet wurde, einen Induktor, der auf einer zylindrischen Ebene vorgesehen ist, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche des Abschnitts der angetriebenen Welle beabstandet ist, die magnetostriktiv ausgebildet wurde, sowie eine Induktanzdetektorschaltung zur Ermittlung der Induktanz dieses Induktors, wobei der Induktor durch einen Strompfad gebildet wird, der in die Richtung zeigt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität des Abschnitts der angetriebenen Welle ändert, welcher magnetostriktiv ausgebildet wurde.

Das Erfordernis eines einfachen Aufbaus kann auch dadurch erzielt werden, daß ein Drehmomentdetektor vorgesehen wird, welcher eine angetriebene Welle aufweist, die magnetostriktiv ausgebildet wurde, einen Induktor, der auf einer zylindrischen Ebene vorgesehen ist, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der Antriebswelle beabstandet ist, und welcher aus einem Strompfad besteht, der in die Richtung zeigt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von der angetriebenen Welle empfangenen Drehmoments ändert, eine Einrichtung zum Zuführen eines Vorspannstroms zum Induktor, eine um die angetriebene Welle gewickelte Treiberspule, und eine Detektorschaltung zur Erfassung eines Stroms oder einer Spannung, welche in dem Induktor nach Einprägung eines Stroms auf die Treiberspule induziert werden.

Die Anforderung bezüglich einer Verringerung der Empfindlichkeit auf Störungen, beispielsweise in bezug auf einen axialen Temperaturgradienten, kann durch einen Drehmomentdetektor erfüllt werden, welcher eine Induktoranordnung verwendet, die aus einem ersten und einem zweiten Induktor besteht, welche aus Stromwegen bestehen, die in die Richtung zeigen, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändert, die in den beiden Richtungen der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von ihr empfangenen Drehmoments entwickelt, wobei der Drehmomentdetektor sich weiter dadurch auszeichnet, daß ein erster und ein zweiter Induktor auf solche Weise angeordnet sind, daß sie im wesentlichen in derselben Axialposition einander überlagert sind.

Die Anforderung an eine Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber Störungen, beispielsweise einem axialen Temperaturgradienten, kann auch durch ein Drehmomentmeßelement erreicht werden, welches eine auf einem Substrat ausgebildete Induktoranordnung aufweist, wobei die Induktoranordnung aus einem ersten und einem zweiten Induktor besteht, die jeweils aus Stromwegen bestehen, welche in die Richtung zeigen, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung ändert, die in den beiden Richtungen der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von ihr empfangenen Drehmoments entwickelt, wenn das betreffende Drehmomenterfassungselement um den Abschnitt der angetriebenen Welle herum angeordnet wird, welcher magnetostriktiv ausgebildet wurde, wobei sich das Drehmomenterfassungselement weiter dadurch auszeichnet, daß der erste und der zweite Induktor auf solche Weise angeordnet sind, daß sie einander in derselben Axialposition überlagert sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht mit einer Darstellung des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht mit einer Darstellung des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht mit einer Darstellung des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Vorderansicht mit einer Darstellung eines solchen Drehmomentdetektorelements, bei welchem der Induktor des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung auf einem flexiblen Substrat vorgesehen ist;

Fig. 5 eine teilweise vergrößerte Ansicht des in Fig. 4 gezeigten Drehmomentdetektorelements;

Fig. 6 eine Perspektivansicht mit einer Darstellung eines solchen Drehmomentdetektorelements, bei welchem der Induktor des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung auf der Innenseite des Joches angeordnet ist;

Fig. 7 eine perspektivische Teilansicht mit einer Darstellung des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine teilweise Perspektivansicht mit einer Darstellung des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Teilansicht mit einer Darstellung des Drehmomentdetektors gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10 eine seitliche Teilansicht mit einer Darstellung eines Drehmomentdetektors nach dem Stand der Technik.

Wenn der erfindungsgemäße Drehmomentdetektor auf der angetriebenen Welle ein externes Drehmoment erfährt, entwickelt sich eine Hauptbelastung auf der Oberfläche der angetriebenen Welle in den Richtungen von Theta = ±45°, und es arbeitet eine Zugkomponente der Belastung in der Richtung von entweder Theta = +45° oder Theta = -45°, wogegen eine Druckkomponente der Belastung in der anderen Richtung wirkt.

Wenn sich die Belastung entwickelt, ändert sich die Permeabilität in dem magnetostriktiven Bereich. Ein Induktor ist um die angetriebene Welle herum vorgesehen, und um einen vorbestimmten Spalt von der Welle beabstandet, und der diesen Induktor umfassende Strompfad ist so vorgesehen, daß er in die Richtung zeigt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung ändert; daher kann der Magnetfluß, der um den Strompfad des Induktors herum erzeugt wird, infolge der Korkenzieherregel, wenn ein Strom (ac) durch den Strompfad fließen kann, durch die Permeabilitätsänderung beeinflußt werden, die in der Richtung der Hauptbelastung auftritt (also der Belastung, die sich in den Richtungen von Theta = +45° entwickelt), in dem magnetostriktiven Bereich der angetriebenen Welle. Die Permeabilität stellt eine Funktion des auf die angetriebene Welle ausgeübten Drehmoments dar, und die Induktanz des Induktors ist proportional dem Betrag der Magnetflußerzeugung pro Einheitsstrom; und daher kann das auf die angetriebene Welle ausgeübte Drehmoment dadurch ermittelt werden, daß die Induktanz des Induktors mit der Induktanzdetektorschaltung gemessen wird.

Der Drehmomentdetektor gemäß der Erfindung weist einen Induktor auf, der auf einer zylindrischen Ebene vorgesehen ist, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle beabstandet ist, und welcher aus einem Strompfad besteht, der in die Richtung zeigt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die voranstehend erwähnte Änderung der Permeabilität ändert. Da dieser Strompfad, der den Induktor umfaßt, mit einem Vorspannstrom (dc) versorgt wird, wird ein Magnetfluß um den Strompfad herum mit einem Betrag erzeugt, der sowohl zur Permeabilität der Oberfläche der angetriebenen Welle in der Richtung der Hauptbelastung als auch zum Vorspannstrom in einer Beziehung steht. Wenn man einen entsprechend großen Strom durch die Treiberspule in dem voranstehend beschriebenen Zustand fließen läßt, wird ein ausreichend großer Fluß entlang der Achse der getriebenen Welle erzeugt, um den Magnetfluß zu sättigen, der sich bereits auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge derartiger Effekte wie der Änderung der Permeabilität entwickelt hat, was schließlich dazu führt, daß die effektive Permeabilität der Oberfläche der angetriebenen Welle geändert wird. Dies führt dazu, daß die Induktanz oder Induktivität des Induktors sich ändert, um den Magnetfluß zu verringern, der durch den Induktor gelangt, worauf eine Spannung in dem Induktor durch die elektromotorische Kraft induziert wird, die dem Induktivitätsabfall entspricht. Die induzierte Spannung steht in einer Beziehung zur Permeabilität, die auf der Oberfläche der angetriebenen Welle in der Richtung der Hauptbelastungslinie aufgetreten ist, bevor der Strom durch die Treiberspule zugeführt wurde; mit anderen Worten steht die induzierte Spannung in einer Beziehung zur Belastung, und daher kann die Größe des auf die angetriebene Welle ausgeübten Drehmoments durch Messung der in dem Induktor induzierten Spannung ermittelt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich daher eine Drehmomenterfassung erzielen, ohne Streifen aus magnetischen Teilen auf der Oberfläche der angetriebenen Welle zur Verfügung zu stellen.

Der Drehmomentdetektor oder das Drehmomenterfassungselement gemäß der Erfindung weist eine Induktoranordnung auf, die aus einem ersten und einem zweiten Induktor besteht, die aus Stromwegen bestehen, die in die Richtungen zeigen, in welchen sich die Induktivität ändert, in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung, die in den zwei Richtungen der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von ihr empfangenen Drehmoments entwickelt. Wenn ein Wechselstrom durch die Stromwege in den jeweiligen Induktoren zugeführt wird, ändert sich die Induktanz in entgegengesetzten Richtungen, und daher kann die Größe des Drehmoments, welches auf die angetriebene Welle ausgeübt wurde, durch Ermittlung der Differenz zwischen den beiden Induktanzwerten ermittelt werden. Wenn ein Gleichspannungs-Vorspannungsstrom durch die Stromwege angelegt wird, wird ein Magnetfluß um die Induktoren entsprechend der Permeabilität in den beiden Richtungen der Hauptbelastungslinie erzeugt, jedoch wird beim Einprägen eines Stroms durch die Treiberspule dieser Magnetfluß gesättigt, und es wird in jedem Induktor eine Spannung erzeugt. In diesem Fall kann die Größe des an die angetriebene Welle ausgeübten Drehmoments dadurch ermittelt werden, daß die Differenz zwischen den in den jeweiligen Induktoren induzierten Spannungen festgestellt wird.

Im einzelnen sollte zunächst festgestellt werden, daß die Permeabilität der Oberfläche der angetriebenen Welle in dem Magnetfeld, welches durch einen Stromweg in einer vorgegebenen Richtung erzeugt wird, gleich der Permeabilität der Oberfläche der angetriebenen Welle in dem Magnetfeld ist, welches durch einen Stromweg erzeugt wird, welches gegenüber der vorgegebenen Richtung um 180° versetzt ist. In Reaktion auf eine Belastung, die sich in der Richtung von Theta = -45° entwickelt, ändert sich daher die Induktanz des in die Richtung von 45° zeigenden Stromweges in derselben Richtung wie die Induktanz des Stromweges, der in die Richtung von 225° zeigt. Durch Kombinieren dieser beiden Stromwege kann daher ein erster Induktor für den speziellen Zweck der Erfassung der Belastung konstruiert werden, die sich in der Richtung von Theta = -45° entwickelt. Entsprechend läßt sich ein zweiter Induktor zur Erfassung der Belastung, die sich in der Richtung von Theta = +45° entwickelt, dadurch entwickeln, daß zwei Stromwege kombiniert werden, von denen der eine in die Richtung von -45° zeigt, und der andere in die Richtung von -225° zeigt. Erfaßt man die Differenz zwischen den Belastungswerten, die aus den beiden Induktoreinheiten ermittelt werden, so kann man ein Ausgangssignal erzeugen, welches bezüglich der Wirkungen von Störungen kompensiert ist, so daß nur das angelegte Drehmoment berücksichtigt wird. Zusätzlich kann, anders als der Drehmomentdetektor nach dem Stand der Technik, die in den Ansprüchen 4 oder 10 beschriebene Vorrichtung die Belastungsänderungen ermitteln, die sich in derselben Axialposition ergeben haben, und daher ist die Vorrichtung weniger empfindlich auf Störeffekte wie beispielsweise einen axialen Temperaturgradienten, nicht ausgeglichene externe Magnetfelder, und einen magnetischen Restfluß.

Weiterhin ist bei der Erfindung erforderlich, daß sowohl bei dem ersten als auch dem zweiten Induktor die Stromwege in solchen Bereichen zusammengeschaltet sind, in welchen sie in der Richtung um 180° versetzt sind, und die Stromwege für die eingerichtete Verbindung erzeugen ungewünschte Induktanzen. Falls bezüglich dieses Effekts nichts unternommen wird, trägt dieser zu einem Fehler der Drehmomentmessung bei; allerdings findet sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten erfindungsgemäßen Induktor eine gegenseitige Überlappung bei der Einrichtung der Verbindung statt, und die Induktoren sind so miteinander verbunden, daß ein Wechselstrom oder ein Vorspannstrom in entgegengesetzten Richtungen fließt, und daher wird insgesamt der in einem Stromweg fließende Strom durch den in einem anderen Weg fließende Strom ausgeschaltet, und das erzeugte resultierende Magnetfeld ist im wesentlichen gleich Null; daher wird die Erzeugung einer ungewünschten Induktanz auf einen genügend geringen Pegel unterdrückt, der keine wesentlichen Meßfehler hervorruft.

Darüber hinaus besteht bei der vorliegenden Erfindung der Induktor aus mehreren Induktorelementen, die in gleichen Abständen auf einer kreisförmigen Ebene angeordnet sind, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle beabstandet ist. Diese Anordnung ist in der Hinsicht wirksam, daß sie den Fehler verringert, der entstehen könnte, falls die angetriebene Welle exzentrisch ist.

Weiterhin wird bei dem Drehmomentdetektor gemäß der Erfindung ein Stromwegbereitstellungsmuster auf einem flexiblen Substrat zur Verfügung gestellt, und besteht ein Induktor daraus, daß dieses flexible Substrat auf eine kreisförmige Ebene aufgebracht wird, die um einen vorbestimmten Spalt von der magnetostriktiven Oberfläche der angetriebenen Welle entfernt ist. Daher ist der Aufbau des Induktors genügend einfach, um eine Verringerung der Kosten hervorzurufen.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung ein zylindrisches Joch außen von dem Induktor oder außerhalb des Induktors und der Treiberspule vorgesehen; dies stellt den Vorteil zur Verfügung, daß selbst dann, wenn der Stromweg durch ein kurzes Muster gebildet wird, die erforderliche Induktanz von dem Induktor sichergestellt werden kann, welcher daher eine höhere Empfindlichkeit aufweist und weniger empfindlich auf die Wirkungen eines äußeren Magnetfelds reagiert.

Drehmomentdetektoren entsprechend verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 beschrieben.

AUSFÜHRUNGSFORM 1

Fig. 1 zeigt einen Drehmomentdetektor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser umfaßt: eine angetriebene Welle 1, welche eine Drehwelle darstellt; ein magnetisches Teil 2, welches in zylindrischer Form an der Umfangsoberfläche der angetriebenen Welle 1 befestigt ist, und welches aus einer Schicht aus einem magnetostriktiven Material besteht; einen Magnetspulenkörper 3, der drehbar um die angetriebene Welle herum vorgesehen ist, und welcher durch (nicht dargestellte) Lager gehaltert wird; einen Induktor 5, der auf dem Magnetspulenkörper 3 vorgesehen ist, und welcher einen Stromweg aufweist, der in die Richtung eines Winkels Theta = 45° in bezug auf die angetriebene Welle zeigt, und welcher um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche des magnetischen Teils 2 beabstandet ist; eine Induktanzdetektorschaltung 100, die mit dem Induktor 5 nicht nur dazu verbunden ist, einen Wechselstrom dazu zu veranlassen, in dem Induktor zu fließen, sondern auch dazu, die Induktanz des Induktors 5 festzustellen; sowie eine Drehmomentberechnungsschaltung 101, die mit der Induktanzdetektorschaltung 100 verbunden ist.

Der Induktor 3 wird typischerweise aus einem guten Leiter wie beispielsweise einem Kupferdraht hergestellt.

Der in Fig. 1 gezeigte Drehmomentdetektor arbeitet auf die nachstehend angegebene Weise. Wenn von außen ein Drehmoment auf die angetriebene Welle 1 ausgeübt wird, entwickelt sich eine Belastung in den Richtungen der Hauptbelastungslinie, die um Theta = ±45° gegenüber der Zentralachse des magnetischen Teils 2 geneigt sind; dies führt dazu, daß die magnetische Charakteristik des magnetischen Teils 2 anisotrop wird, und die Permeabilität in der Richtung von Theta = +45° sich entgegengesetzt zur Permeabilität in der Richtung von Theta = -45° ändert. Wenn man dann einen Strom dazu veranlaßt, daß er in dem Stromweg des Induktors 5 fließt, der im Winkel von 45° in bezug auf die Zentralachse der angetriebenen Welle 1 angeordnet ist, wird um den Stromweg herum ein Magnetfeld H in einem Winkel von Theta = -45° entsprechend der Korkenzieherregel erzeugt, und daher verläuft offensichtlich die Richtung dieses Magnetfeldes H parallel zur Hauptbelastung, die in der Richtung von -45° auftritt. Der durch das Feld H erzeugte Magnetfluß Phi ist eine Funktion der Permeabilität des magnetischen Teils 2 in der Richtung von Theta = -45° (ausgedrückt durch B = µH, wobei B die Dichte des Flusses Phi ist, und µ die Permeabilität). Die Induktanz des Induktors ist proportional dem Betrag, um welchen der Fluß Phi pro Einheitsstrom I erzeugt wird (ausgedrückt durch L =Phi/I, wobei L die Induktanz oder Induktivität ist). Wenn man daher die Induktanz des Induktors durch die Induktanzdetektorschaltung 100 ermittelt, und hierdurch eine drehmomentabhängige Spannung V auf der Grundlage der Korrektionsberechnung durchgeführt wird, die in der Drehmomentberechnungsschaltung 100 erfolgt, kann man daher das Drehmoment ermitteln, welches auf die angetriebene Welle 1 ausgeübt wurde. Um die voranstehende Erläuterung zusammenzufassen, erzeugt das Anlegen eines externen Drehmoments an die angetriebene Welle 1 eine Belastung, die sich in dem magnetischen Teil 2 in den Richtungen der Hauptbelastungslinie entwickelt, die um Theta = ±45° gegenüber der Zentrumsachse der angetriebenen Welle 1 entwickeln; die sich ergebende Anisotropie in den magnetischen Eigenschaften des magnetischen Teils 2 führt dazu, daß seine Permeabilität in der Richtung von Theta = ±45° sich in entgegengesetztem Sinn zur Permeabilität in der Richtung von Theta = -45° ändert; daher läßt sich dies so darstellen, daß der Induktor 5 aus einem Stromweg besteht, der in die Richtung zeigt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung an der Oberfläche der angetriebenen Welle 1 infolge des von ihr empfangenen Drehmoments ändert.

Wie voranstehend erläutert ist der Strompfad des Induktors 5 bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß er in die Richtung zeigt, in welcher sich die Induktanz des Induktors in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung des magnetischen Teils 2 infolge des von der angetriebenen Welle ändert, insbesondere in der Richtung, die um 45° gegenüber der Zentralachse der angetriebenen Welle geneigt ist, in welcher die größte Änderung der Induktanz auftritt, in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung, welche in der Richtung stattfindet, die um -45° gegenüber der Zentralachse geneigt ist, unter welcher die Belastung in dieser Richtung ausgeübt wird; infolge dieser Anordnung ermöglicht es die betreffende Ausführungsform, daß eine Drehmomenterfassung auf wirksame Weise auf der Grundlage der Induktivitätsänderung erreicht wird.

Als weiterer Vorteil der vorliegenden Ausführungsform ist der Induktor 5 mit einer Richtungswirkung versehen, so daß das magnetische Teil 2 nicht in Streifen ausgebildet sein muß, sondern in einer zylindrischen Form um die angetriebene Welle 1 herum vorgesehen werden kann. Daher kann das Verfahren zur Herstellung des Drehmomentdetektors vereinfacht werden, und jegliche Beeinträchtigung vermieden werden, beispielsweise die hohe Wahrscheinlichkeit einer Trennung der Streifen und einer Korrosion, die sonst auftreten würden, wenn das magnetische Teil als mehrere Streifen ausgebildet wäre, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß ein kleinerer Spalt zwischen dem magnetischen Teil 2 und dem Induktor 5 vorhanden ist.

AUSFÜHRUNGSFORM 2

Bei dem Drehmomentdetektor der Ausführungsform 1 besteht der Induktor 5 aus einem einzigen Stromweg, der in die Richtung zeigt, die um 45° in bezug auf die angetriebene Welle 1 geneigt ist, jedoch stellt dies ein verhältnismäßig vereinfachtes Bild der vorliegenden Erfindung dar, und bei nur einem Stromweg ist die Induktivität des Induktors 5 so gering, daß eine wesentliche Schwierigkeit bezüglich ihrer Ermittlung eingeführt wird. Daher erfordert in der Praxis die Erfassung einer Hauptbelastung in einer Richtung den Einsatz mehrerer Stromwege in solchen Richtungen, daß sie empfindlich auf die Wirkung der Hauptbelastung reagieren.

Ein spezifisches Beispiel eines Falles, in welchem diese Anforderung erfüllt ist, ist in Fig. 2 als Ausführungsform 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist ein flexibles Substrat 6, welches typischerweise aus einem Polyimidharz hergestellt ist, ein parallellogrammförmiges Induktorelement 18a auf, welches auf ihm ausgebildet ist.

Das Induktorelement 18a besteht aus der Kombination eines ersten Strompfades 7, der in die Richtung von 450 zeigt, und eines zweiten Stromwegs 8, der in die entgegengesetzte Richtung von 225° zeigt (beide Stromwege dienen zur Ermittlung einer Belastung in der Richtung von Theta = -45°) und besteht aus Verbindungsstromwegen 11, welche in die Richtungen von Theta = 90° und Theta = 270° zeigen, um die Stromwege 7 und 8 miteinander zu verbinden, die voneinander beabstandet sind. Mehrere derartige Kombinationen sind an gleichen Entfernungen angeordnet und in Reihe mit einem ersten Induktor 5a geschaltet. Entsprechend ist ein Parallellogramm-Induktorelement 18a auf dem Substrat ausgebildet, und besteht aus einer Kombination eines dritten Stromweges 9, der in die Richtung von -45° zeigt, und eines vierten Stromweges 10, der in die entgegengesetzte Richtung von -225° zeigt (beide Stromwege dienen zur Erfassung einer Belastung in der Richtung von Theta = 45°), und entsprechend ist ein Verbindungsstromweg 12 vorgesehen, der in die Richtungen von Theta = -90° und Theta = -270° zeigt, um die Stromwege 9 und 10 zu verbinden, die voneinander beabstandet sind. Mehrere derartige Kombinationen sind ebenfalls in gleichen Entfernungen angeordnet und in Reihe geschaltet, um einen zweiten Induktor 5b zu bilden. Auf diese Weise wird das Drehmomentdetektorelement in der Ausführungsform 2 gebildet. Mit der Bezugsziffer 4 in Fig. 2 ist ein Joch bezeichnet, welches um das flexible Substrat 6 herum vorgesehen ist, um ein Auslecken des Magnetflusses aus dem Element zu verhindern.

Der erste und zweite Induktor 5a und 5b sind auf solche Weise angeordnet, daß sie im wesentlichen in derselben Axiallage angeordnet sind, und darüber hinaus sind die Verbindungsstromwege 11 und 12 auf solche Weise angeordnet, daß sie einander an beiden Enden des ersten bis zum vierten Stromweg 7 bis 10 überlappen.

Nachstehend wird beschrieben, wie der Drehmomentdetektor der momentan betrachteten Ausführungsform arbeitet. Wenn ein Drehmoment von außen auf die angetriebene Welle 1 ausgeübt wird, entwickelt sich eine Anisotropie in der magnetischen Charakteristik des magnetischen Teils 2, worauf die Induktanz oder Induktivität des ersten Induktors 5a sich in entgegengesetzter Richtung zur der Induktanz oder Induktivität des zweiten Induktors 5b ändert. Auf diese Weise wird ein magnetischer Fluß in dem ersten Induktor 5a in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung des magnetischen Teils 2 in der Richtung von -45° erzeugt, wogegen ein magnetischer Fluß in dem zweiten Induktor 5b in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung des magnetischen Teils 2 in der Richtung von 45° erzeugt wird. Die Induktanz-Erfassungsschaltung 100 stellt die Induktanzen fest, die sich auf den Magnetfluß beziehen, der in den beiden Induktoren erzeugt wird. Auf der Grundlage der Differenz, die zwischen den Ausgängen der beiden Induktoren 5a und 5b auftritt, berechnet die Drehmomentberechnungsschaltung 101 das Drehmoment, welches an die angetriebene Welle 1 angelegt wurde, und gibt eine drehmomentabhängige Spannung V aus, wobei sämtliche Einwirkungen von Störungen ordnungsgemäß ausgeschaltet wurden.

Bei der Ausführungsform 2 sind beide Induktoren 5a und 5b auf dem Substrat 6 vorgesehen, und dies stellt den Vorteil zur Verfügung, daß ein einfacher Aufbau zur Bereitstellung des ersten Induktors 5a und des zweiten Induktors 5b in demselben Bereich in Axialrichtung zur Verfügung gestellt wird, wodurch die Permeabilitätsänderung des magnetischen Teils 2 mit zwei Induktoren in derselben Position ermittelt werden kann, was es ermöglicht, eine Drehmomenterfassung durchzuführen, wobei ein ausreichender Schutz gegen unterschiedliche Störungen bereitgestellt wird, beispielsweise einen axialen Temperaturgradienten, ein nicht ausgeglichenes äußeres Magnetfeld, und einen magnetischen Restfluß.

Darüber hinaus sind mehrere Induktorelemente 18a und 18b in gleichen Abständen auf einer kreisförmigen Ebene angeordnet, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle beabstandet ist. Diese Anordnung ist in der Hinsicht wirksam, daß sie den Fehler verringert, der dann auftreten könnte, falls die angetriebene Welle exzentrisch ist.

Man könnte vermuten, daß der Stromweg 11 zur Verbindung des ersten und zweiten Stromweges 7 und 8, ebenso wie der Stromweg 12 zur Verbindung des dritten und vierten Stromweges 9 und 10, potentiell negative Wirkungen auf die Exaktheit der Messung haben könnten. Allerdings ist dies nicht der Fall bei der momentan betrachteten Ausführungsform, in welcher die Verbindungsstrompfade 11 und 12 so angeordnet sind, daß sie einander im wesentlichen überlappen, und wobei der Strom in diesen überlappenden Abschnitten in entgegengesetzten Richtungen fließt; daher wird insgesamt der in dem Pfad 11 fließende Strom durch den im Pfad 12 fließende Strom eliminiert, und das erzeugte Nettomagnetfeld ist in der Praxis gleich Null, und daher ist die Erzeugung einer ungewünschten Induktanz auf einen ausreichend geringen Pegel verringert, welcher keine wesentlichen Meßfehler hervorruft.

Darüber hinaus ist jedes mögliche Austreten eines Magnetflusses durch das Joch 4 verhindert, und dies stellt eine Induktanz der erforderlichen Intensität für die Drehmomenterfassung sicher, selbst wenn die Induktoren aus Strompfaden mit einem kurzen Muster bestehen.

AUSFÜHRUNGSFORM 3

Bei der Ausführungsform 2 zeigt der Verbindungsstromweg 11 des ersten Induktors 5a in die Richtungen von Theta = 90° und Theta = -270°, wogegen der Verbindungsstromweg 12 des zweiten Induktors 5b in die Richtungen von Theta = -90° und Theta = -270° zeigt. Falls gewünscht, können die beiden Verbindungsstromwege so ausgelegt werden, daß sie in andere Richtungen zeigen, wie in Fig. 3 angegeben, wobei der Verbindungsstromweg 11 des ersten Induktors 5a in die Richtungen von Theta = 180° und Theta = 0° zeigt, wogegen der Verbindungsstromweg 12 des zweiten Induktors 5b in die Richtungen von Theta = 0° und Theta = 180° zeigt. Diese Anordnung erzeugt dasselbe Ergebnis wie die Ausführungsform 2.

AUSFÜHRUNGSFORM 4

In den Fig. 2 und 3 ist jedes der Parallelogrammebenen-Spulenelemente, welche den ersten und zweiten Induktor 5a und 5b bilden, so gezeigt, daß es aus 1,5 Windungen besteht, und zwar zu dem speziellen Zweck, ein klares Bild der Verbindung der Stromwege zu ermöglichen. Allerdings werden in der Praxis vorzugsweise mehrere Spulenwindungen eingesetzt, um die Induktanz zu vergrößern, und daher die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Ein spezifisches Beispiel für einen Fall, in welchem diese Bedingung erfüllt ist, ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Fig. 4 zeigt ein Drehmomentdetektorelement, in welchem ein Substrat 6, das aus zwei flexiblen Schichten besteht, mit einem ersten Induktor 5a auf der Rückseite und einem zweiten Induktor 5b auf der Vorderseite versehen ist. Der erste Induktor 5a besteht aus vier Elementen 18a, und auch der zweite Induktor 5b besteht aus vier Elementen 18b. Nur die Umfänge dieser Induktorelemente sind in Fig. 4 gezeigt (es wird darauf hingewiesen, daß das Substrat 6, welches bei dieser Ausführungsform verwendet wird, transparent ist, so daß der erste Induktor 5a auf der Rückseite durch das Substrat hindurch gesehen werden kann).

Die Induktorelemente 18a und 18b sind teilweise vergrößert in Fig. 5 gezeigt; ein Kupferdraht 14 ist in 14 Wicklungen für jedes Induktorelement gewickelt, um eine ausreichende Intensität der Induktanz oder Induktivität zur Verfügung zu stellen, welche die gewünschte Drehmomenterfassung ermöglicht. Wie bereits erwähnt, besteht der erste Induktor 5a aus dem ersten und zweiten Stromweg 7 und 8, die innerhalb des Bereiches A angeordnet sind, und aus dem Verbindungsstromweg 11, der außerhalb des Bereiches A vorgesehen ist (obwohl nicht in Fig. 5 gezeigt). Die einzelnen Elemente des ersten Induktors 5a sind durch Verbindungsabschnitte 13 miteinander verbunden. Der Verbindungsstromweg 11 besteht nicht nur aus dem Abschnitt, der in die Richtungen von Theta = 90° und Theta = 270° zeigt; um sicherzustellen, daß er mit dem Verbindungsstromweg 12 des zweiten Induktors 5b in mehr Bereichen überlappt, weist der Stromweg 11 einen zusätzlichen Abschnitt auf, der in die Richtungen von Theta = 135° und Theta = 315° zeigt. Der zweite Induktor 5b ist auf dieselbe Weise aufgebaut.

Das Substrat 6, bei welchem die Induktoren auf die gerade voranstehend beschriebene Weise vorgesehen sind, stellt ein Drehmomentdetektorelement zur Verfügung, welches entweder auf dem Außenumfang des Magnetspulenkörpers 3 oder auf dem Innenumfang des Joches 4 angebracht ist. Ein Beispiel für die Anbringung des Substrates 6 ist in Fig. 6 gezeigt; bei dem in Fig. 6 dargestellten Fall ist der Magnetspulenkörper 3 nicht vorgesehen, und das Substrat 6 ist auf dem Innenumfang des Joches 4 angebracht und befestigt.

Die angetriebene Welle 1 soll an der Innenseite jedes Induktors durch Lager gehaltert sein, jedoch muß in Fig. 6 die Welle noch zusammengebaut werden. Mit 16a bis 16d in Fig. 4 sind Löcher bezeichnet, welche die Befestigung des Substrates 6 an dem Joch 4 unterstützen, und bei der Anbringung des Substrats in zylindrischer Form werden diese Löcher gegenseitig ausgerichtet, und zwar auf solche Weise, daß sich die Löcher 16a und 16b überlappen, und sich die Löcher 16c und 16d überlappen. Falls diese Bedingung erfüllt wird, so überlappen die Verbindungsstromwege 11 und 12 einander in der zylindrischen Ebene, die sich nicht im flachen Zustand überlappen, und veranlassen die Induktorelemente 18a und 18b dazu, daß diese in gleichen Abständen über der Zylinderoberfläche angeordnet sind. Ein Klemmenabschnitt 15 ist an einem Ende des Substrates 6 vorgesehen und weist vier Klemmen 15a bis 15d auf; zwei dieser Klemmen sind mit dem ersten Induktor 5a verbunden, und die anderen beiden sind mit dem zweiten Induktor 5b verbunden. Der Klemmenabschnitt 15 steht zur Außenseite des Joches 4 durch einen Ausschnitt vor, wie in Fig. 6 gezeigt.

Auch der voranstehend beschriebene Aufbau kann eine Drehmomenterfassung mit akzeptabler Genauigkeit zur Verfügung stellen.

AUSFÜHRUNGSFORM 5

Bei jeder der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen kann ein Wechselstrom in dem Induktor fließen, und die Induktanz oder Induktivität dieses Induktors, die sich in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität des magnetischen Teils 2 infolge des Drehmoments ändert, welches auf die angetriebene Welle 1 ausgeübt wurde, wird mit der Impedanzdetektorschaltung 100 festgestellt, um so das angelegte Drehmoment zu ermitteln. Bei dieser Vorgehensweise sind nur der Induktor und die Detektorschaltung als die wesentlichen Bestandteile für die Drehmomenterfassung erforderlich, und daher besteht hier der Vorteil darin, daß eine Drehmomenterfassung mit einer einfachen Konstruktion möglich ist; allerdings besteht in der Praxis immer noch die nachstehend beschriebene Schwierigkeit. Der Stromweg, welcher den Induktor bildet, weist einen inhärenten Widerstand auf, und wenn ein Wechselstrom an diesen Induktor angelegt wird, ist ein Wert, der durch den Widerstand des Stromweges bestimmt wird, als Gleichspannungskomponente in der Spannung enthalten, welche während der Induktanzerfassung der Induktanzdetektorschaltung zugeführt wird. Da es schwierig ist, allein diese Gleichspannungskomponente von dem Wechselstrom zu subtrahieren, enthält das Ergebnis der Induktanzerfassung unvermeidlicherweise einen Fehler, welcher dem inhärenten Widerstand des Stromweges entspricht. Der Betrag dieses Fehlers war besonders groß, wenn ein dünner Draht als der Stromweg verwendet wird.

Die Ausführungsform 5 stellt einen Drehmomentdetektor dar, der so ausgebildet ist, daß er mit diesem Problem fertig wird. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, weist der Detektor die nachstehend angegebenen, zusätzlichen Bauteile auf: eine Treiberspule 17, die auf den Spulenkörper 3 und daher auf die angetriebene Welle 1 aufgewickelt ist; eine Treiberschaltung 102 zur Versorgung der Treiberspule 17 mit einem Strom; und eine Belastungsdetektorschaltung 103, welche die Induktanzdetektorschaltung 100 und die Drehmomentdetektorschaltung 101 ersetzt, welche bei den Ausführungsformen 1 bis 4 verwendet werden. Die Belastungsdetektorschaltung 103 umfaßt eine Einrichtung zum Zuführen eines Vorspannungs-Gleichstroms zum Induktor, eine Einrichtung zur Ermittlung der sich in dem Induktor entwickelten Spannung und eine Einrichtung zur Berechnung des angelegten Drehmoments auf der Grundlage der erfaßten Spannung. Die anderen Bauteile des in Fig. 7 gezeigten Drehmomentdetektors sind mit denen der Vorrichtung der Ausführungsform 1 identisch und müssen nicht im einzelnen beschrieben werden.

Der Drehmomentdetektor der Ausführungsform 5 arbeitet auf folgende Weise. Die Belastungserfassungsschaltung 103 liefert einen vorbestimmten Vorspannungsstrom I (Gleichstrom) an den Stromweg des Induktors 5. Auf der Grundlage der Korkenzieherregel erzeugt der angelegte Vorspannungsstrom I ein Magnetfeld H um den Stromweg herum in der Richtung von -45°. Wie im Falle der Ausführungsform 1 stellt der Magnetfluß Phi, der durch das Feld H erzeugt wird, eine Funktion der Permeabilität des magnetischen Teils 2 in der Richtung von Theta = -45° dar, und die Induktanz oder Induktivität L des Stromweges, der den Induktor 5 umfaßt, ist eine Funktion des Flusses Phi, der durch den Strom I erzeugt wird. Wenn ein externes Drehmoment an die angetriebene Welle 1 angelegt wird, entwickelt sich eine Belastung, die aus einer Zugkomponente und einer Druckkomponente besteht, in dem magnetischen Teil 2 in zwei Richtungen, die um ±45° gegenüber der Zentrumsachse der angetriebenen Welle 1 geneigt sind, worauf in der magnetischen Charakteristik des magnetischen Teils 2 eine Anisotropie auftritt. Dies führt dazu, daß sich die Permeabilität des magnetischen Teils 2 in der Richtung von Theta = 45° und in der Richtung von Theta = -45° in entgegengesetzten Richtungen ändert, und der Fluß Phi und ebenso die Induktivität L ändern sich entsprechend. Allerdings ist der Vorspannungsstrom I ein Gleichstrom, so daß selbst dann, wenn sich der Fluß Phi um den Induktor 5 herum in Reaktion auf die voranstehend erwähnte Permeabilitätsänderung ändert, keine entsprechende induzierte Spannung auftritt, die durch die Belastungsdetektorschaltung 103 festgestellt werden kann.

Diese Schwierigkeit wird bei der Ausführungsform 5 auf die nachstehend angegebene Weise ausgeräumt. Wenn der Induktor 5 einen Magnetfluß Phi erzeugt, liefert die Treiberschaltung 102 einen ausreichend hohen Strom an die Treiberspule 17, welche dann einen ausreichend hohen Fluß Alpha entlang der Achse der angetriebenen Welle 1 erzeugt, um den Fluß Phi um das magnetische Teil 2 herum zu sättigen. Wenn der Fluß Phi gesättigt ist, nimmt die effektive Permeabilität des magnetischen Teils 2 ab, worauf die Induktanz oder Induktivität des Induktors 5 absinkt, und so den Fluß Phi verringert, der durch den Induktor 5 gelangt, wodurch eine elektromotorische Kraft auf den Induktor 5 ausgeübt wird, so daß eine Spannung induziert wird. Die induzierte Spannung steht in einer Beziehung zur Permeabilität des magnetischen Teils 2 in der Richtung der Hauptbelastungslinie, welche auftrat, bevor Strom an die Treiberspule angelegt wurde, und steht in einer Beziehung zur Belastung; daher kann man durch Messung der induzierten Spannung durch die Belastungsdetektorschaltung 103 die Größe des Drehmoments ermitteln, welches an die angetriebene Welle 1 angelegt wird. Im vorliegenden Fall wird weiter ein Wechselstrom an die Treiberspule 17 angelegt, so daß der Wert des in der Treiberspule 17 fließenden Strom periodisch von Null bis zu einem Maximum geändert wird, wodurch der Fluß Alpha zyklisch auf Null verringert oder auf einen entsprechend hohen Pegel erhöht wird, so daß eine zyklische Drehmomenterfassung durchgeführt wird. Dies stellt jedoch nicht den einzigen Fall der vorliegenden Erfindung dar, und es kann eine getrennte Wechselstromquelle auf solche Weise betrieben werden, daß die Periode der Stromeinprägung auf die Treiberspule 17 mit der Periode einer nicht erfolgenden Einprägung abwechselt.

Wie bei der Ausführungsform 1 weist der Drehmomentdetektor der Ausführungsform eine Richtungswirkung in dem Induktor auf, und daher muß das magnetische Teil 2 nicht in Streifenform wie beim Stand der Technik vorgesehen sein, sondern kann an der zylindrischen Ebene auf dem Umfang der angetriebenen Welle 1 befestigt sein; dies trägt nicht nur zu einem vereinfachten Herstellungsvorgang bei, sondern schaltet auch jegliche Probleme aus, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit einer Streifentrennung und der Korrosion zusammenhängen, welche bei der Verwendung magnetischer Teile in Streifenform aufgetreten sind.

In der Ausführungsform 5 wird ein Vorspannungs-Gleichstrom an den Induktor angelegt, jedoch wird gleichzeitig ein Strom der Treiberspule 17 aufgeprägt, um eine Flußsättigung hervorzurufen, und die sich ergebende Verringerung der Induktanz oder Induktivität induziert eine ausreichende Spannung in dem Induktor, die festgestellt werden kann. Da die induzierte Spannung eine Gleichspannung ist, kann der Effekt des inhärenten Widerstands des Stromweges, welcher den Induktor bildet, einfach ausgeschaltet werden, um so eine korrekte Drehmomenterfassung sicherzustellen.

AUSFÜHRUNGSFORM 6

Die Ausführungsform 5 kann so abgeändert werden, daß eine praktischere Version entsteht, nämlich gemäß der Ausführungsform 6, die in Fig. 8 gezeigt ist. Die Konstruktion der Ausführungsform 6 ist im wesentlichen die gleiche wie bei der Ausführungsform 2, abgesehen von der Treiberspule 17, der Treiberschaltung 102 und der Belastungsdetektorschaltung 103, und daher erfolgt keine Beschreibung der Bauteile, die bei diesen beiden Ausführungsformen gemeinsam vorgesehen sind.

Der durchzuführende Drehmomenterfassungsvorgang bei dieser Ausführungsform ist im wesentlichen derselbe wie bei der Ausführungsform 5. Wie bei der Ausführungsform 2 weist der in Fig. 8 gezeigte Drehmomentdetektor eine Induktoranordnung auf, die aus in zwei Richtungen verlaufenden Induktoren 5a und 5b besteht, die jeweils aus mehreren Elementen bestehen (der Induktor 5a besteht aus Elementen 18a, wogegen der Induktor 5b aus Elementen 18b besteht). Die Induktorelemente 18a und 18b sind auf solche Weise auf dem flexiblen Substrat 6 angeordnet, daß die Induktoren 5a und 5b einander im wesentlichen in der Axialrichtung überlagert sind; dies stellt den Vorteil einer einfachen Konstruktion zur Verfügung, und dennoch kann ein ausreichender Spannungswert, der eine korrekte Drehmomenterfassung ermöglicht, in der Induktoranordnung induziert werden, und darüber hinaus können negative Effekte von Störungen, beispielsweise eines axialen Temperaturgradienten, wirksam ausgeschaltet werden, um so eine korrekte Drehmomenterfassung sicherzustellen. Darüber hinaus sind mehrere Induktorelemente 18a und 18b auf der zylindrischen Ebene angeordnet, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle 1 beabstandet ist, und daher besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Fehlern infolge einer möglichen Exzentrizität der angetriebenen Wellen. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß die Verbindungsstromwege 11 und 12 so angeordnet sind, daß sie einander im wesentlichen überlappen, und daher können irgendwelche negativen Effekte ausgeschaltet werden, welche diese Stromwege bezüglich der Ergebnisse der Drehmomenterfassung haben könnten.

AUSFÜHRUNGSFORM 7

Fig. 9 zeigt einen Drehmomentdetektor gemäß der Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau dieses Detektors ist im wesentlichen derselbe wie bei der Ausführungsform 3, abgesehen von der Treiberspule 17, der Treiberschaltung 102 und der Belastungsdetektorschaltung 103. Der Betrieb und die Vorteile dieses Detektors sind die gleichen wie bei der Ausführungsform 6, und daher erfolgt keine erneute Beschreibung dieser Einzelheiten.

AUSFÜHRUNGSFORM 8

Die Induktoranordnung, die bei der Ausführungsform 4 unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 8 beschrieben wurde, kann auch bei den Ausführungsformen 5 bis 7 verwendet werden, und diese Abänderung kann als Ausführungsform 8 bezeichnet werden. Während der Aufbau der Induktoranordnung, die hierdurch ersetzt werden kann, im wesentlichen derselbe ist wie bei der Ausführungsform 4 beschrieben, weist die Induktoranordnung, die speziell bei der vorliegenden Ausführungsform 8 verwendet werden soll, die Treiberspule 17 auf, die um den Induktor herum vorgesehen ist; daher wird zum Zusammenschalten des Substrates 6, auf welchem die Induktoranordnung vorgesehen ist, das Substrat 6 zuerst zur Ausbildung einer zylindrischen Ebene aufgerollt, die geringfügig kleiner ist als der Innenumfang des Joches 4, und dann wird nach dem Wickeln der Treiberspule 17 um das zylindrische Substrat 6 herum das Substrat 6 in das Joch 4 eingeführt und an dessen Innenumfang befestigt.

Bei den Ausführungsformen 5 bis 8 kann die Signalform des Stroms, der an die Treiberspule 17 angelegt werden soll, so gewählt sein, daß der Magnetfluß, welchen er erzeugt, die B-H-Charakteristik des magnetischen Teils 2 von einem Bereich, in welchem eine Linearität aufrechterhalten wird (dem Bereich, in welchem H oder das Magnetfeld sich auf vorbestimmte Weise in Reaktion auf die Änderung von B ändert, nämlich den magnetischen Fluß) zu einem nicht linearen Bereich verschiebt (in welchem die B-H-Charakteristik von dem vorbestimmten Profil abweicht), und in dem nicht linearen Bereich kann ein Zustand erzeugt werden, der im wesentlichen der Sättigung des Magnetflusses um die angetriebene Welle 1 herum äquivalent ist. Beispiele für Signalformen, welche diesen Effekt hervorrufen können, umfassen eine kontinuierliche gepulste Welle, eine Sinuswelle, eine Dreieckswelle usw.

Bei den Ausführungsformen 5 bis 8 wird ein Vorspannungsstrom dem Induktor zugeführt, und dieser Vorspannungsstrom kann von einer Konstantspannungsquelle geliefert werden, oder es kann alternativ hierzu ein Strom, der sich synchron zum Strom ändert, der an die Treiberspule 17 angelegt werden soll, als ein Vorspannungsstrom zugeführt werden. Bei den Ausführungsformen 5 bis 8 wird die Spannung erfaßt, die in dem Stromweg des Induktors induziert wird, jedoch kann, falls gewünscht, der Strom erfaßt werden, der in diesem Stromweg induziert wird.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die bezüglich der Ausführungsformen 4 und 8 beschriebenen Drehmomentdetektoren durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung tatsächlich gebaut wurden, und es stellte sich heraus, daß sie normal arbeiteten.

Falls man bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen besondere Befürchtungen in bezug auf den Winkel hat, welchen der Stromweg des Induktors 5 mit der angetriebenen Welle 1 bildet, so ist das Dimensions-Längenverhältnis des Induktors 5 oder des Substrats 6 so weit eingeschränkt, daß die Freiheit bei der Konstruktion eingeschränkt ist; daher kann die Richtung, in welcher der Stromweg zeigen soll, innerhalb des Bereiches von ±45° (exklusiv) von der Richtung abweichen, die senkrecht zur Hauptbelastungslinie verläuft (der Richtung, in welcher sich die Permeabilität des magnetischen Teils ändert).

Bei sämtlichen hier beschriebenen Fällen ist das magnetische Teil 2 an der Oberfläche der angetriebenen Welle 1 befestigt, jedoch kann, falls gewünscht, die angetriebene Welle 1 selbst aus einem magnetostriktiven Material bestehen.

Der Drehmomentdetektor oder das Drehmomentdetektorelement gemäß der vorliegenden Erfindung stellt unterschiedliche Vorteile zur Verfügung, die nachstehend beschrieben sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehmomentdetektor ist der Induktor auf einer zylindrischen Ebene vorgesehen, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle beabstandet ist, und der Induktor besteht aus einem Stromweg, der in die Richtung zeigt, in welcher sich seine Induktanz oder Induktivität in Reaktion auf das Drehmoment ändert, welches von der angetriebenen Welle aufgenommen wird, nämlich in der Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Hauptbelastungslinie auf der Oberfläche der angetriebenen Welle verläuft, wodurch das angelegte Drehmoment auf der Grundlage der Änderung der Induktanz oder Induktivität des Induktors ermittelt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Drehmomentdetektor wird ein Vorspannungsstrom hauptsächlich dem Induktor eingeprägt, und dann wird ein Strom an die Treiberspule geliefert, die um die angetriebene Welle herum gewickelt ist, worauf ein Strom oder eine Spannung in dem Induktor mit einem für eine korrekte Messung ausreichenden Betrag induziert wird. Bei beiden Arten des Detektors ist die Konstruktion ausreichend vereinfacht, um eine Herstellung mit einfachen Schritten zu ermöglichen.

Darüber hinaus kann gemäß der Erfindung eine Induktoranordnung, die aus dem ersten und dem zweiten Induktor besteht, auf solche Weise vorgesehen sein, daß die beiden Induktoren einander an demselben Ort in Axialrichtung überlagert sind, und dies ermöglicht es, einen Drehmomentdetektor zu konstruieren, der weniger empfindlich auf Störwirkungen reagiert, beispielsweise einen axialen Temperaturgradienten, ein nicht ausgeglichenes äußeres Magnetfeld sowie einen magnetischen Restfluß.

Wenn der erste und zweite Induktor so angeordnet sind, daß ihre Verbindungsleitungswege einander überlappen, um den Durchgang eines Stroms in entgegengesetzten Richtungen zuzulassen, wird die Erzeugung einer ungewünschten Induktanz oder Induktivität in den überlappenden Abschnitten auf einen ausreichend niedrigen Pegel verringert, der keine wesentlichen Meßfehler hervorruft.

Gemäß der Erfindung besteht der Induktor aus mehreren Elementen, die auf einer kreisförmigen Ebene angeordnet sind, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle beabstandet ist, und durch diese Anordnung kann der Fehler wirksam verringert werden, der auftritt, wenn die angetriebene Welle exzentrisch ist.

Wenn der Induktor auf einem flexiblen Substrat vorgesehen ist, werden die Vorgänge der Herstellung und der Montage des Induktors erleichtert. Darüber hinaus ist das Joch um den Induktor herum vorgesehen, und dies stellt sicher, daß aus einem Stromweg mit einem kurzen Muster leicht eine gewünschte Induktanz oder Induktivität erzeugt werden kann.

Claims (17)

1. Drehmomentdetektor, gekennzeichnet durch:
eine angetriebene Welle, welche magnetostriktiv ist;
einen Induktor, der auf einer zylindrischen Ebene vorgesehen ist, die um einen vorbestimmten Spalt von einer Oberfläche der magnetostriktiven angetriebenen Welle beabstandet ist, wobei der Induktor aus einem Stromweg besteht, der in eine Richtung gerichtet ist, in welcher sich die Induktanz oder Induktivität in Reaktion auf eine Änderung der Permeabilität der magnetostriktiven angetriebenen Welle infolge eines Drehmoments ändert, welches von der angetriebenen Welle aufgenommen wird; und
eine Induktanzdetektorschaltung zur Ermittlung einer Induktanz des Induktors.

2. Drehmomentdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor einen ersten und einen zweiten Induktor umfaßt, die aus Stromwegen bestehen, die zu der Richtung gerichtet sind, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung ändert, die in den beiden Richtungen der Hauptbelastungslinie auftritt, welche sich auf der Oberfläche der angetriebene Welle infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wobei der erste und zweite Induktor so angeordnet sind, daß sie einander im wesentlichen in derselben Axialposition überlagert sind.

3. Drehmomentdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor einen ersten und einen zweiten Induktor umfaßt,
daß der erste Induktor einen ersten Stromweg und einen zweiten Stromweg aufweist, die miteinander verbunden und voneinander um eine bestimmte Entfernung beabstandet sind, wobei der erste Stromweg in die Richtung von 45° weist, ± weniger als 45°, was die Richtung darstellt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung ändert, die in der Richtung von -45° der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wobei der zweite Stromweg in eine Richtung entgegengesetzt derer des ersten Stromweges zeigt,
daß der zweite Induktor einen dritten Stromweg und einen vierten Stromweg umfaßt, die miteinander verbunden und voneinander um eine bestimmte Entfernung beabstandet sind, wobei der dritte Stromweg in die Richtung von -45°, ± weniger als 45° zeigt, was die Richtung darstellt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Permeabilitätsänderung ändert, die in der Richtung von +45° der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wobei der vierte Stromweg in eine Richtung entgegengesetzt derer des dritten Stromweges zeigt,
und daß der erste und der zweite Induktor einander im wesentlichen in derselben Axialposition überlagert sind, und die Verbindungsbereiche zwischen dem ersten und dem zweiten Stromweg im wesentlichen die Verbindungsbereiche zwischen dem dritten und dem vierten Stromweg überlagern, so daß ein Strom in entgegengesetzten Richtungen in dem ersten und zweiten Induktor in den Abschnitten fließt, in welchen sich die Verbindungsbereiche überlappen.

4. Drehmomentdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor mehrere Induktorelemente aufweist, deren Induktanzen sich in derselben Richtung in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändern, welche auf der Oberfläche der angetriebenen Welle in der Richtung der Hauptbelastungslinie auftritt, wobei die Induktorelemente in gleichen Abständen auf einer zylindrischen Ebene angeordnet sind, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle beabstandet ist.

5. Drehmomentdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor ein Muster aufweist, welches einen Stromweg zur Verfügung stellt, welches auf einem flexiblen Substrat vorgesehen ist, und dieses Muster auf einer zylindrischen Ebene vorgesehen ist, welche um einen vorbestimmten Spalt von dem Abschnitt der angetriebenen Welle beabstandet ist, welcher magnetostriktiv ausgebildet ist.

6. Drehmomentdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Joch auf der Außenseite des Induktors vorgesehen ist.

7. Drehmomentdetektor, gekennzeichnet durch:
eine angetriebene Welle, welche magnetostriktiv ist;
einen auf einer zylindrischen Ebene vorgesehenen Induktor, der um einen vorbestimmten Spalt von einer Oberfläche der magnetostriktiven, angetriebenen Welle beabstandet ist und eine Strompfad aufweist, der in eine Richtung gerichtet ist, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf eine Änderung der Permeabilität einer Oberfläche der magnetostriktiven, angetriebenen Welle infolge eines Drehmoments ändert, welches von der angetriebenen Welle aufgenommen wird;
eine Einrichtung zum Zuführen eines Vorspannungsstroms oder Offset-Stroms zum Induktor;
eine um die angetriebene Welle herumgewickelte Treiberspule; und
eine Detektorspule zur Erfassung eines Stroms oder einer Spannung, welcher beziehungsweise welche in dem Induktor nach Einprägen eines Stroms auf die Treiberspule induziert wird.

8. Drehmomentdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor einen ersten und einen zweiten Induktor aufweist, die jeweils aus einem Stromweg bestehen, der in die Richtung gerichtet ist, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändert, die in den zwei Richtungen der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von ihr aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wobei der erste und der zweite Induktor auf solche Weise angeordnet sind, daß sie einander im wesentlichen in derselben Axialposition überlagert sind.

9. Drehmomentdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor aus einem ersten und einem zweiten Induktor besteht,
daß der erste Induktor einen ersten Stromweg und einen zweiten Stromweg umfaßt, welche verbunden und voneinander um eine bestimmte Entfernung beabstandet sind, wobei der erste Stromweg in die Richtung von 45° ± weniger als 45° weist, welche die Richtung darstellt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf eine Änderung der Permeabilität ändert, die in der Richtung von -45° der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wobei der zweite Stromweg in eine Richtung entgegengesetzt der Richtung des ersten Stromweges zeigt,
daß der zweite Induktor einen dritten Stromweg und einen vierten Stromweg aufweist, die miteinander verbunden und voneinander um eine bestimmte Entfernung beabstandet sind, wobei der dritte Stromweg in die Richtung von -45° ± weniger als 45° zeigt, welches die Richtung ist, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändert, die in der Richtung von +45° der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments entwickelt, und der vierte Stromweg in eine Richtung entgegengesetzt der Richtung des Stromweges des dritten Stromweges zeigt,
und daß der erste und zweite Induktor einander im wesentlichen in derselben Axialposition überlagert sind, und die Verbindungsbereiche zwischen dem ersten und dem zweiten Stromweg im wesentlichen die Verbindungsbereiche zwischen dem dritten und dem vierten Stromweg überlappen, so daß ein Strom in entgegengesetzten Richtungen in dem ersten und zweiten Induktor in den Abschnitten fließt, in welchen sich die Verbindungsbereiche überlappen.

10. Drehmomentdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor mehrere Induktorelemente aufweist, deren Induktanzen sich in derselben Richtung in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändern, welche auf der Oberfläche der angetriebenen Welle in der Richtung der Hauptbelastungslinie auftritt, wobei die Induktorelemente in gleichen Entfernungen auf einer zylindrischen Ebene angeordnet sind, die um einen vorbestimmten Spalt von der Oberfläche der angetriebenen Welle beabstandet ist.

11. Drehmomentdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor ein Stromweg-Ausbildungsmuster aufweist, welches auf einem flexiblen Substrat vorgesehen ist, wobei das Muster auf einer zylindrischen Ebene angeordnet ist, die um einen vorbestimmten Spalt von dem Abschnitt der angetriebenen Welle beabstandet ist, welcher magnetostriktiv ausgebildet ist.

12. Drehmomentdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Joch auf der Außenseite des Induktors und der Treiberspule vorgesehen ist.

13. Drehmomentdetektorelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Induktoranordnung aufweist, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und die Induktoranordnung umfaßt:
einen ersten und einen zweiten Induktor, die jeweils aus Stromwegen bestehen, die in die Richtung weisen, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf eine Änderung der Permeabilität ändert, die in den zwei Richtungen der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von ihr aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wenn das Drehmomentdetektorelement um den Abschnitt der angetriebenen Welle herum angeordnet ist, der magnetostriktiv ausgebildet ist, wobei der erste und zweite Induktor auf solche Weise angeordnet sind, daß sie einander im wesentlichen in derselben Axialposition überlagert sind.

14. Drehmomentdetektorelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Induktor einen ersten Stromweg und einen zweiten Stromweg aufweist, die verbunden und voneinander um eine bestimmte Entfernung beabstandet sind, und daß der erste Stromweg in die Richtung von 45° ± weniger als 45° zeigt, welche die Richtung darstellt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändert, die in der Richtung von -45° der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wenn das Drehmomentdetektorelement um den Abschnitt der angetriebenen Welle herum angeordnet ist, welcher magnetostriktiv ausgebildet ist, und daß der zweite Stromweg in eine Richtung entgegengesetzt der Richtung des ersten Stromweges zeigt, der zweite Induktor einen dritten Stromweg und einen vierten Stromweg aufweist, die verbunden und voneinander um eine bestimmte Entfernung beabstandet sind, wobei der dritte Stromweg in die Richtung von -45° ± weniger als 45° zeigt, welche die Richtung darstellt, in welcher sich die Induktanz in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändert, die in der Richtung von +45° der Hauptbelastungslinie auftritt, die sich auf der Oberfläche der angetriebenen Welle infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments entwickelt, wobei der vierte Stromweg in eine Richtung entgegengesetzt der Richtung des dritten Stromweges zeigt, und der erste und zweite Induktor einander im wesentlichen in derselben Axialposition überlagert sind, und die Verbindungsbereiche zwischen dem ersten und zweiten Stromweg im wesentlichen die Verbindungsbereiche zwischen dem dritten und vierten Stromweg überlappen, so daß ein Strom in entgegengesetzten Richtungen in dem ersten und zweiten Induktor in den Abschnitten fließt, in welchen diese Verbindungsbereiche einander überlappen.

15. Drehmomentdetektorelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor aus mehreren Induktorelementen besteht, deren Induktanzen sich in derselben Richtung in Reaktion auf die Änderung der Permeabilität ändern, die auf der Oberfläche der angetriebenen Welle in der Richtung der Hauptbelastungslinie auftritt, infolge des von dieser aufgenommenen Drehmoments, wenn das Drehmomentdetektorelement um den Abschnitt der Antriebswelle herum angeordnet ist, welcher magnetostriktiv ausgebildet ist, wobei die Induktorelemente in gleichen Abständen auf dem Substrat angeordnet sind.

16. Drehmomentdetektorelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Element an der Innenseite eines zylindrischen Joches angebracht ist.

17. Drehmomentdetektorelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Element an der Innenseite eines Joches angebracht ist, wobei eine Treiberspule auf die Außenseite des Drehmomentdetektorelements aufgewickelt ist.