DE60030533T2

DE60030533T2 - Winkelsensor, wodurch Klappern durch Spiel zwischen Zahnrädern innerhalb des Winkelsensor verhindert wird

Info

Publication number: DE60030533T2
Application number: DE60030533T
Authority: DE
Inventors: c/o Alps Electric Co. Hirofumi Okumura
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: EP1114765B1; US6396386B2; DE60030533D1; EP1114765A2; EP1114765A3; US20010003435A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelsensor, der z.B. den Lenkwinkel des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs detektiert, und betrifft im Spezielleren einen Winkelsensor, der den Rotationswinkel des Lenkrads mit hoher Genauigkeit als Ergebnis davon detektieren kann, dass ein durch Spiel zwischen Zahnrädern oder zwischen einem Zahnrad und einer Schraubspindel im Inneren des Winkelsensors erzeugtes Klappern verhindert werden kann.
2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
8 zeigt eine Draufsicht zur Veranschaulichung der inneren Konstruktion eines herkömmlichen Winkelsensors, wie er in der US-A-6 246 232 von dem Erfinder des Winkelsensors gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 vorgeschlagen worden ist. Der herkömmliche Winkelsensor wird z.B. zum Detektieren des Lenkwinkels eines Lenkrads eines Kraftfahrzeugs mit hoher Genauigkeit verwendet.
Bei dem in 8 dargestellten Winkelsensor 1 ist ein Drehelement 3 im Inneren eines Gehäuses 2 vorgesehen, das aus Kunstharzmaterial, wie z.B. Plastik, gebildet ist. Das Drehelement 3 ist ein zylindrisch ausgebildetes Element, das beispielsweise aus Kunstharzmaterial gebildet ist, und ist in Bezug auf das Gehäuse 2 drehbar gelagert. Das Lenkrad eines Kraftfahrzeugs ist in das Drehelement 3 eingeführt, und das Drehelement 3 dreht sich zusammen mit dem Lenkrad im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. Eine Vielzahl von Schraubverzahnungszähnen 3a ist entlang der gesamten Außenumfangsfläche des Drehelements 3 ausgebildet.
Eine Drehwelle 9 ist im Inneren des Gehäuses 2 drehbar vorgesehen, wobei die dargestellte Dimension X als zentrale Achse von dieser definiert ist. Auf der Drehwelle 9 ist ein Antriebszahnrad 8 angebracht. Eine Mehrzahl von Schraubverzahnungszähnen 8a ist entlang der gesamten Außenumfangsfläche des Antriebszahnrads 8 ausgebildet und wirkt mit den Schraubverzahnungszähnen 3a des Drehelements 3 zusammen. Die Drehwelle 9 ist aus einem Metallmaterial, wie z.B. Messing oder Aluminium, gebildet und weist eine Spiralgewindenut 9a auf, die vom Zentrum bis zu dem einen Ende von dieser ausgebildet ist. Auf der Drehwelle 9 ist ein Detektionselement 4 vorgesehen.
In dem Detektionselement 4 ist eine Durchgangsöffnung von der einen Endfläche bis zu der anderen Endfläche von diesem in der Bewegungsrichtung (d.h. in der Dimension X) gebildet. Ein Gewinde (nicht gezeigt), das mit der in der Drehwelle 9 ausgebildeten Gewindenut 9a zusammenwirkt, ist in der die Durchgangsöffnung bildenden Innenumfangsfläche ausgebildet. Ein zweiter Magnet 5B ist beispielsweise durch Einsatzformen an der Bodenfläche des Detektionselements 4 angebracht. Das Detektionselement 4 ist im Inneren des Gehäuses 2 derart geführt, dass es sich entlang einer geraden Linie in der Dimension X bewegt. Bei der Rotationsbewegung des Drehelements 3 drehen sich das Antriebszahnrad 8 und die Drehwelle 9, so dass eine Hin- und Herbewegung des Detektionselements 4 und des zweiten Magneten 5B in der Dimension X hervorgerufen wird.
Ein Hallelement 6B ist auf einer dem zweiten Magneten 5B gegenüber liegenden Seite an einem Fixierelement 7 in dem Gehäuse 2 vorgesehen. Ein magnetisierter erster Magnet 5A ist an der Außenumfangsfläche der Drehwelle 9 in integraler Weise angebracht. Ein zweites Hallelement 6A ist an dem Fixierelement 7 derart vorgesehen, dass es der Außenumfangsfläche des ersten Magneten 5A gegenüber liegt.
Wenn sich die Drehwelle 9 bei der Rotation des Drehelements 3 dreht, dreht sich auch der erste Magnet 5A und verursacht die Abgabe einer Sinuswelle. Gleichzeitig bewegt sich der zweite Magnet 5B in der Dimension X hin und her, so dass die Abgabe von Werten veranlasst wird, die sich in linearer Weise über den gesamten Rotationswinkelbereich des Lenkrads verändern. Durch Detektieren dieser Werte kann die Absolutposition des Lenkrads als Resultat des Drehwinkels (d.h. des Lenkwinkels) detektiert werden.
Bei dem Versuch, den Rotationswinkel (d.h. den Lenkwinkel) des Lenkrads unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Winkelsensors 1 mit hoher Genauigkeit zu detektieren, entsteht das Problem eines Klapperns aufgrund von Spiel zwischen den Schraubverzahnungszähnen 3a des Drehelements 3 und den Schraubverzahnungszähnen 8a des Antriebszahnrads 8.
Genauer gesagt, wird bei dem vorstehend beschriebenen Winkelsensor 1 die Rotationsbewegung des Drehelements 3 detektiert, oder das Detektionselement 4 wird in der Dimension X bewegt, nachdem die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung umgesetzt worden ist. Wenn das Spiel zwischen den Schraubverzahnungszähnen 3a des Drehelements 3 und den Schraubverzahnungszähnen 8a des Antriebszahnrads 8 zu groß ist, führt somit das Klappern zwischen diesen zur Entstehung eines Fehlers bei der Bewegungsdistanz des Detektionselements 4, das in der Dimension X bewegt wird. Wenn die Rotationsrichtung des Drehelements 3 (oder des Lenkrads) geändert wird, wird die antriebsmäßige Bewegung des Antriebszahnrads 8 entsprechend dem Ausmaß des durch das Spiel verursachten Klapperns vermindert, so dass es zum Auftreten von Hysterese als Resultat von der Rotationsrichtung kommt, so dass der Fehlerbetrag zunimmt.
Bei dem herkömmlichen Winkelsensor 1 wird zwischen den Zahnrädern auftretendes Spiel dadurch verringert, dass das Ausmaß, in dem die Schraubverzahnungszähne 3a des Drehelements 8 und die Schraubverzahnungszähne 8a des Antriebszahnrads 8 miteinander in Berührung treten, beispielsweise durch Vorspannen entweder des Drehelements 3 in der Richtung Z2 zu dem Antriebszahnrad 8 hin oder des Antriebszahnrads 8 in der Richtung Z1 zu dem Drehelement 3 hin erhöht wird.
Wenn jedoch das Ausmaß, in dem das Drehelement 3 und das Antriebszahnrad 8 miteinander in Berührung treten, in einem Ausmaß erhöht wird, dass kein Klappern auftritt, wird die zwischen den Zahnrädern erzeugte Vorspannkraft zu groß, so dass das Drehmoment groß wird und die Drehwelle 9 beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnung verformt wird, so dass es unmöglich wird, das Detektionselement 4 in der Dimension X in gleichmäßiger Weise zu führen. Außerdem hat die Drehwelle 9 eine einfache Stangenkonstruktion, bei der beide Enden abgestützt sind, so dass bei der Wirkung einer Vorspannkraft die Verlagerung in dem Bereich, der der Zusammenwirkungsstelle des Drehelements 3 und des Antriebszahnrads 8 entspricht (d.h. der zentrale Bereich) am stärksten ist, während die Verlagerung in Richtung auf die beiden Enden der Drehwelle 9 geringer wird. Somit ist die Änderungsrate der Stärke des Magnetfeldes in der Dimension Z in Bezug auf die Bewegungsdistanz des zweiten Magneten 5B und des Detektionselements 4 in Bezug auf die Bewegungsrichtung nicht mehr linear. Darüber hinaus ändert sich die Distanz zwischen dem ersten Magneten 5A und dem ersten Hallelement 6A derart, dass sich kein vorbestimmter Ausgangswert mehr erzielen lässt. Die Bewegungsstrecke des Detektionselements 4 lässt sich somit nicht mehr exakt detektieren, so dass die Genauigkeit, mit der der Rotationswinkel (d.h. der Lenkwinkel) des Drehelements 3 (oder des Lenkrads) detektiert wird, verringert wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Winkelsensor 1 sind das Detektionselement 4 und die Gewindespindel 9a derart ausgebildet, dass nur die Gewindespindel 9a mit dem in der Durchgangsöffnung 4A der Detektionsöffnung 4 ausgebildeten Gewinde zusammenwirkt. Daher entsteht Spiel tendenziell zwischen dem Gewinde des Detektionselements 4 und den Gewindenuten der Gewindespindel 9a. Das Spiel führt tendenziell zu einem Klappern des Detektionselements 4 in der Axialrichtung (d.h. in der Dimension X), so dass sich keine exakte Bewegungsdistanz in Abhängigkeit von dem Rotationswinkel des Drehelements 3 durch das Detektionselement 4 ermitteln lässt. Daher kann das Hallelement 6B nicht mehr dafür verwendet werden, den zu detektierenden Rotationswinkel einer Welle, wie z.B. eines Lenkrads, mit hoher Genauigkeit zu detektieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zum Überwinden der vorstehend geschilderten herkömmlichen Probleme besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Winkelsensors, der den Rotationswinkel eines Drehelements mit hoher Genauigkeit detektieren kann, indem Spiel zwischen einem Antriebszahnrad und einer Verzahnung des Drehelements verringert ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Winkelsensors, bei dem eine Voranbewegung eines Detektionselements, das sich in Abhängigkeit von der Rotationsbewegung einer Gewindespindel hin und her bewegt, mit hoher Genauigkeit ausführen lässt.
Diese Ziele sind durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht worden. Die Unteransprüche 2 bis 4 definieren weitere Verbesserungen der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine im Schnitt dargestellte Frontansicht der inneren Konstruktion eines Winkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine auseinander gezogene Perspektivansicht des Hauptbereichs des Winkelsensors;
3 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Hauptbereichs des Winkelsensors;
4 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie 4-4 in 3;
5 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 5-5 in 1;
6 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie 6-6 in 5;
7 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Winkelsensors; und
8 eine Draufsicht auf die innere Konstruktion eines herkömmlichen Winkelsensors.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Es folgt nun eine Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
1 zeigt eine im Schnitt dargestellte Frontansicht der inneren Konstruktion eines ersten Ausführungsbeispiels eines Winkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Winkelsensor wird z.B. zum Detektieren des Lenkwinkels eines Lenkrads eines Kraftfahrzeugs mit hoher Genauigkeit verwendet. 2 zeigt eine auseinander gezogene Perspektivansicht des Hauptbereichs des Winkelsensors. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Hauptbereichs des Winkelsensors. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie 4-4 in 3. 5 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie 5-5 in 1. 6 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie 6-6 in 5.
Bei einem Winkelsensor 10, wie er in 1 gezeigt ist, bezeichnet das Bezugszeichen 12 ein Gehäuse, und das Bezugszeichen 13 bezeichnet ein Drehelement (oder ein erstes Zahnrad). Das Drehelement 13 ist ein zylindrisch ausgebildetes Element, das aus einem Kunstharzmaterial gebildet ist, und ist im Inneren des Gehäuses 12 derart gehaltert, dass es im dargestellten Uhrzeigersinn (d.h. in der Richtung α1) und im dargestellten Gegenuhrzeigersinn (d.h. in der Richtung α2) drehbar ist. Im Zentrum des Drehelements 13 ist eine Öffnung ausgebildet. Ein Lenkrad Sh (d.h. eine erste Drehwelle) eines Kraftfahrzeugs ist in diese Öffnung eingesetzt (siehe 2). Axial verlaufende Erhebungen 13a und 13b sind an der Innenumfangsfläche des Drehelements 13 ausgebildet und lassen sich in Vertiefungen (nicht gezeigt) einpassen, die in der Außenumfangsfläche des Lenkrads Sh ausgebildet sind. Bei Rotationsbewegung des Lenkrads Sh dreht sich auch das Drehelement 13. Wie in 2 gezeigt ist, ist ferner eine Schraubverzahnung 13A mit Zähnen, die in einem Winkel von ca. 45° zu einer Axialrichtung (d.h. der Dimension Y) schräg geschnitten sind, entlang der Außenumfangsfläche des Drehelements 13 ausgebildet.
Eine Gehäuseeinheit 17 ist an dem unteren Bereich des Gehäuses 12 (in der Richtung Z2 in 1) vorgesehen. Die Gehäuseeinheit 17 ist aus Kunstharzmaterial gebildet, das beispielsweise einem Spritzgießvorgang unterzogen worden ist, und ist an dem Bodenbereich des Gehäuses 2 angebracht, wie dies in 1 gezeigt ist. Abstützeinrichtungen 17a und 17b, die sich in der dargestellten Rich tung Z1 erstrecken, sind an den beiden Enden der Gehäuseeinheit 17 in der Richtung X1 und der Richtung X2 gebildet, wobei kreisförmige Abstützbereiche 17a1 und 17b1 in den Enden der entsprechenden Abstützeinrichtungen 17a und 17b ausgebildet sind. Weggeschnittene Bereiche 17a2 und 17b2, bei denen es sich um Öffnungen in den Rändern der entsprechenden Abstützbereiche 17a1 und 17b1 handelt, sind an den oberen Bereichen der Abstützbereiche 17a1 und 17b1 ausgebildet. Die beiden Enden einer Drehwelle 30 (die im Folgenden noch beschrieben wird) können durch die weggeschnittenen Bereiche 17a2 und 17b2 in den Abstützbereichen 17a1 und 17b1 montiert werden. Eine Abstützeinrichtung 17c, eine erste Basis 17d und eine zweite Basis 17e sind zwischen den Abstützeinrichtungen 17a und 17b vorgesehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist die hilfsweise vorgesehene Abstützeinrichtung 17c neben der dargestellten rechten Abstützeinrichtung 17a angeordnet. Die hilfsweise vorgesehene Abstützeinrichtung 17c kann beispielsweise jedoch auch neben der dargestellten linken Abstützeinrichtung 17b oder zwischen der ersten Basis 17d und der zweiten Basis 17e angeordnet sein.
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, ist die erste Basis 17d im Wesentlichen V-förmig ausgebildet. Ein Paar Hallelemente H1 (d.h. Detektionselemente) ist an den Rückseiten der schräg verlaufenden Flächen des V-förmigen Bereichs (d.h. im Inneren der ersten Basis 17d) unter Positionierung ihrer äußeren Formgebung vorgesehen. Bei der zweiten Basis 17e handelt es sich um einen rechtwinkligen Quader, der sich in der dargestellten Dimension X erstreckt. Schienen 17e1 und 17e2, die im Querschnitt vorstehende Formgebungen aufweisen, sind an beiden Seiten der oberen Oberfläche der zweiten Basis 17e derart ausgebildet, dass sie sich in der Dimension X erstrecken. Wie in den 1, 5 und 6 gezeigt ist, ist ein Hallelement H2 (d.h. ein Detektionselement) im Inneren der zweiten Basis 17e unter Positionierung seiner äußeren Formgebung vorgesehen. Ein zu detektierendes Detektionselement 20, das in der Dimension X verschiebbar ist, ist dem oberen Bereich der zweiten Basis 17e gegenüber liegend angeordnet. Ein MR-Element, eine Magnetfluss-Detektionsspule oder dergleichen kann anstelle des Hallelements H1 und des Hallelements H2 verwendet werden.
Das Detektionselement 20 besitzt einen Halter 21, eine Plattenfeder 22 sowie ein Einpasselement 23. Der Halter 21 ist aus Kunstharz gebildet und weist einen dar in ausgebildeten planaren rechteckigen Raum 21A auf. Vier Gleitelemente 21a, die in der dargestellten Dimension Y vorstehen, sind an den vier Ecken des Halters 21 vorgesehen, die den Raum 21A umschließen. Bei der Bodenfläche jedes Gleitelements 21a handelt es sich um eine glatte Oberfläche mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, wobei die in Richtung der Breite vorhandenen Distanzen zwischen den Bodenflächen der Gleitelemente 21a (d.h. die Distanzen zwischen den einander gegenüber liegenden Bodenflächen der Gleitelemente 21a in der Dimension Y) die gleichen sind wie die in der Breitenrichtung vorhandene Distanz zwischen den Schienen 17e1 und 17e2. Bei Platzierung der Gleitelemente 21a des Halters 21 auf den Schienen 17e1 und 17e2 kann sich der Halter 21 in der dargestellten Dimension X hin und her bewegen.
Ein zweiter Magnet M2 (ein zu detektierendes Detektionselement) ist aus einem magnetischen Material, beispielsweise Ferrit, gebildet, das derart magnetisiert ist, dass es ein Paar aus einem Nordpol und einem Südpol entlang der Axialrichtung aufweist, wobei der zweite Magnet M2 in dem Raum 21A in dem Halter 21 derart gehalten ist, dass die magnetisierte Oberfläche des zweiten Magneten M2 und das Hallelement H2 einander gegenüber liegen. Ein Befestigungsbereich 21f ist auf der dargestellten Seite Y des Halters 21 vorgesehen. An dem Befestigungsbereich 21f sind Erhebungen 21g und 21h ausgebildet, die in der dargestellten Richtung Z1 vorstehen.
Die Plattenfeder 22 und das Einpasselement 23 sind in dem oberen Bereich des Raums 21A vorgesehen. Die Plattenfeder 22 ist durch Pressen und/oder Stanzen oder durch Biegen eines einzigen Stücks einer dünnen Platte aus Metallmaterial oder Harzmaterial gebildet. Bei der Oberfläche der Plattenfeder 22 auf der dargestellten Seite Y1 (d.h. auf der Seite des festgelegten Endes) handelt es sich um eine Montagefläche 22A, während es sich bei der Oberfläche auf der dargestellten Seite Y2 (d.h. der Seite des freien Endes) um eine Montagefläche 22B handelt. Die Montageflächen 22A und 22B sind durch einen gekrümmten Bereich miteinander verbunden. Ein quadratischer Ausschnittbereich 22C ist in dem zentralen Bereich der Plattenfeder 22 gebildet. Kreuzförmige Schnitte 22a und 22b sind in der Montagefläche 22A der Plattenfeder 22 entlang der Bewegungsrichtung des Detektionselements 20 (d.h. der Dimension X) gebildet. Wenn die Erhebungen 21g und 21h des Halters 21 in die entsprechenden Schnitte 22a und 22b eingesetzt und fest in diese eingepasst sind, ist die auf der Seite Y1 gelegene Mon tagefläche 22A der Plattenfeder 22 an dem Befestigungsbereich 21f des Halters 21 befestigt. Auf diese Weise ist die Plattenfeder 22 durch den Befestigungsbereich 21f in einer frei tragenden Anordnung abgestützt. Die Montagefläche 22B (auf der Seite Y2) bildet das freie Ende, und die Richtung der Plattendicke der Plattenfeder 22 (d.h. die Richtung der Normallinie in einer Ebene = die dargestellte Dimension Z) bildet die Richtung mit Federvermögen. Positionieröffnungen 22c und 22d sind in beiden Enden der Montagefläche 22B auf der Seite des freien Endes entlang der Bewegungsrichtung des Detektionselements 20 (d.h. der Dimension X) gebildet. Abstützarme 22f und 22f, deren Enden in der Richtung Z1 gebogen sind und die sich in der dargestellten Richtung Y1 in dem Ausschnittbereich 22C erstrecken, sowie Abstützarme 22f und 22f, deren Enden ebenfalls in der Richtung Z1 gekrümmt sind und die sich in der Richtung Y2 in dem Ausschnittbereich 22C erstrecken, sind in integraler Weise zwischen den Öffnungen 22c und 22d ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, wird das Einpasselement 23 derart auf der Montagefläche 22B der Plattenfeder 22 befestigt, dass die Längsrichtung des Einpasselements 23 parallel zu der Bewegungsrichtung des Detektionselements 20 (d.h. der Dimension X) ist. Das Einpasselement 23 ist aus einem Harzmaterial gebildet, und eine Durchgangsöffnung ist in beiden Enden einer Basis 23A in der Richtung X1 und der Richtung X2 von der einen Endfläche bis zu der anderen Endfläche einer Säulenkonfiguration gebildet. Ferner ist ein Paar hohler, halbsäulenförmiger Einpassbereiche 23a und 23b an beiden Seiten des Einpasselements 23 durch Schneiden der Säulenkonfiguration in einer zu der XY-Ebene parallelen Ebene gebildet. Mit anderen Worten sind die Einpassbereiche 23a und 23b im Querschnitt U-förmig ausgebildet. An den Innenflächen 23c und 23c der entsprechenden Einpassbereiche 23a und 23b sind Innengewinde ausgebildet.
Erhebungen 23d und 23e mit kleinem Durchmesser, die ähnliche Formgebungen wie die Erhebungen 21g und 21h des Halters 21 aufweisen, sind auf der Rückseite (d.h. der Fläche auf der Seite Z2) der Basis 23A des Einpasselements 23 derart ausgebildet, dass sie in der dargestellten Richtung Z2 vorstehen (siehe 6). Durch Einsetzen der Erhebungen 23d und 23e in die entsprechenden Öffnungen 22c und 22d, die in der Montagefläche 22B der Plattenfeder 22 ausgebildet sind, sowie durch Positionieren von diesen sowie durch Breitdrücken der Abstützarme 22f, 22f, 22f und 22f auf der Basis 23A des Einpasselements 23 wird das Einpasselement 23 durch die Montagefläche 22B fest gehalten, so dass das Einpasselement 23 durch das freie Ende der Plattenfeder 22 gehalten ist.
Wenn das Einpasselement 23 an der Montagefläche 22B der Plattenfeder 22 befestigt ist, ist somit das Einpasselement 23 direkt über dem Raum 21A des Halters 21 platziert. Durch die Federkraft der Plattenfeder 22 wird das Einpasselement 23 in der dargestellten Richtung Z1 in federnd nachgiebiger Weise abgestützt, so dass es in federnd nachgiebiger Weise gegen eine Gewindespindel 30a (die im Folgenden noch beschrieben wird) drückt.
In der gleichen Ebene wie die Plattenfeder 22, die durch eine Platte gebildet ist, sowie an den beiden Enden (d.h. dem festgelegten Ende auf der Seite Y und dem freien Ende auf der Seite Y2) der Plattenfeder 22, die durch einen Spalt in einer Richtung (d.h. der Dimension Y oder einer Plattenoberflächenrichtung) rechtwinklig zu der Bewegungsrichtung des Detektionselements 20 (d.h. der Dimension X) getrennt sind, sind der Halter 21 und das Einpasselement 23 entlang der Bewegungsrichtung des Detektionselements 20 (d.h. entlang der Dimension X) befestigt. Mit anderen Worten sind der Halter 21 und das Einpasselement 23 derart befestigt, dass die Längsrichtungen von diesen parallel zu der Bewegungsrichtung des Detektionselements 20 verlaufen. Auf diese Weise ist eine dünnere Ausbildung von diesen möglich, wobei ferner ein Verdrehen verhindert werden kann, das tendenziell auf der Seite des freien Endes der Plattenfeder 22 auftritt. Da die Plattenfeder 22 ferner durch das Einpasselement 23 gehalten werden kann und sich diese in einfacher Weise an dem Halter 21 montieren lassen, lässt sich der Montagevorgang in einfacher Weise ausführen.
Ein Antriebszahnrad 36 (d.h. ein zweites Zahnrad) ist auf der Drehwelle 30 (d.h. einer zweiten Drehwelle) derart angebracht, dass es zusammen mit der Drehwelle 30 drehbar ist. Eine Schraubverzahnung 36A mit dem gleichen Modul wie die Schraubverzahnung 13A, die entlang der Außenumfangsfläche des Drehelements 13 ausgebildet ist, ist entlang der Außenumfangsfläche des Antriebszahnrads 36 ausgebildet. Die Gewindespindel 30a, die schraubenlinienförmig ausgebildet ist, ist ausgehend von dem dem Antriebszahnrad 36 benachbarten Bereich der Drehwelle 30 bis zu dem linken Ende der Drehwelle 30 ausgebildet. Die Steigung zwischen den Gewindenuten der Gewindespindel 30a ist die gleiche wie die Steigung der Innengewinde, die in den Innenflächen 23c und 23c der entsprechenden Einpassbereiche 23a und 23b ausgebildet sind.
Wenn die beiden Enden der Drehwelle 30 zwischen dem Abstützbereich 17a1 der Abstützeinrichtung 17a und dem Abstützbereich 17b1 der Abstützeinrichtung 17b abgestützt sind, ist die Gewindespindel 30a derart angeordnet, dass sie direkt über dem Einpasselement 23 positioniert ist, das an dem freien Ende der Plattenfeder 22 vorgesehen ist. Die Einpassbereiche 23a und 23b des Einpasselements 23, die an dem freien Ende der Plattenfeder 22 vorgesehen sind, können mit der Gewindespindel 30a in der dargestellten Richtung Z1 zusammenwirken.
Da es hierbei in der vorstehend erläuterten Weise zu einem weniger häufigen Verdrehen der Plattenfeder 22 kommt, lässt sich das Einpasselement 23 in der Richtung Z1 horizontal vorspannen. Auf diese Weise lässt sich die Entstehung einer gekippten Vorspannkraft in Bezug auf die Gewindespindel 30a an den beiden Enden der Einpassbereiche 23a und 23b verhindern. Somit lässt sich die Gewindespindel 30a mit einer gleichmäßigen Vorspannkraft in federnd nachgiebiger Weise gegen die Einpassbereiche 23a und 23b drücken. Als Ergebnis hiervon können die Gewindespindel 30a und die Innenflächen 23c und 23c der entsprechenden Einpassbereiche 23a und 23b in gleichmäßigen engen Kontakt miteinander gebracht werden, so dass sich ein Klappern zwischen diesen verringern lässt.
Die Vorspannkraft der Plattenfeder 22 drückt das Einpasselement 23 auf die Gewindespindel 30a sowie den Halter 21 in Richtung auf die zweite Basis 17e (d.h. in die dargestellte Richtung Z2). Wenn das Einpasselement 23 derart vorgesehen wird, dass es in etwa im Zentrum des Bereichs zwischen den beiden Schienen 17e1 und 17e2 positioniert ist, wird die Last des Halters 21, der den zweiten Magneten M2 hält, durch jedes der Gleitelemente 21a in im Wesentlichen gleichmäßiger Weise auf die beiden Schienen 17e1 und 17e2 verteilt. Dadurch lässt sich das Auftreten von solchen Problemen, wie ein Kippen des Halters 21 und eine Wegbewegung der Gleitelemente 21a von den Schienen 17e1 und 17e2, verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, das Detektionselement 20 und den zweiten Magneten M2 stets parallel zu dem Hallelement H2 zu bewegen, so dass sich sehr kleine Rotationswinkel der ersten Drehwelle (d.h. des Lenkrads), bei der es sich um eine zu detektierende Detektionswelle handelt, in stabiler Weise detektieren lassen.
Ein dicker axial verlaufender Bereich 36a und ein dünner axial verlaufender Bereich 36b, die sich längs des axialen zentralen Bereichs des Antriebszahnrads 36 in der Richtung X1 erstrecken, sind auf der dargestellten rechten Endseite des Antriebszahnrads 36 gebildet. Der dünne axial verlaufende Bereich 36b ist in der dargestellten Richtung X1 in kontinuierlicher Weise mit dem dicken axial verlaufenden Bereich 36a ausgebildet. Ein Hilfszahnrad (d.h. ein drittes Zahnrad) 40 ist auf den dicken axial verlaufenden Bereich 36a drehbar aufgesetzt. Ein Vorspannelement 50A ist zwischen der rechten Endfläche des Antriebszahnrads 36 und dem Hilfszahnrad 40 vorgesehen. Bei dem Vorspannelement 50A, das bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet wird, handelt es sich z.B. um eine Torsionsfeder 50. Das eine Ende 50a des Vorspannelements 50A ist in der dargestellten Richtung X2 verlaufend ausgebildet und in eine Einführöffnung 36c eingesetzt, die in dem Antriebszahnrad 36 ausgebildet ist, wie dies in 3 gezeigt ist. Das andere Ende 50b des Vorspannelements 50A ist durch einen Arretierbereich 40a festgelegt, der an einer gegenüber liegenden Fläche des Hilfszahnrads 40 ausgebildet ist. Das Vorspannelement ist in einem zusammengedrehten Zustand angebracht, so dass es einen kleinen Innendurchmesser aufweist. Außerdem ist es einer Kraft ausgesetzt, die ausreichend ist, um eine Rotationsbewegung der Drehwelle 30 hervorzurufen. Ferner ist das Vorspannelement in einem geflexten Zustand in der Axialrichtung angebracht.
Eine Schraubverzahnung 40A ist entlang der Außenumfangsfläche des Hilfszahnrads 40 gebildet. Genauer gesagt ist der Außendurchmesser des Hilfszahnrads 40 auf der dem Antriebszahnrad 36 gegenüber liegenden Seite kleiner als der Außendurchmesser auf der entgegengesetzten Seite des Hilfszahnrads 40. Bei dem Bereich zwischen diesen Seiten des Zahnrads 40A handelt es sich um einen Bereich in Form eines schraubverzahnten Zahnrads mit umgekehrt kugelförmiger Oberfläche mit einer durchmessermäßigen Krümmung, die gleich der der Schraubverzahnung 13A ist, die auf der Außenumfangsfläche des Drehelements 13 ausgebildet ist. Wie in 1 gezeigt ist, sind mit anderen Worten die Zähne des Hilfszahnrads 40 im Axialschnitt schraubenförmig entlang einer Umfangsrichtung des Drehelements 13 ausgebildet. Auf diese Weise ist das Hilfszahnrad 40 derart ausgebildet, dass es in zuverlässiger Weise mit der Verzahnung des Dreh elements 13 zusammenwirkt, und zwar an einer Stelle, die von einer imaginären Normallinie O-O' in der dargestellten Richtung X1 (siehe 3) abgelegen ist. Das Hilfszahnrad 40 kann ein Kegelrad sein, bei dem die Zähne von diesem im Axialschnitt entlang der Umfangsrichtung des Drehelements 13 linear gekippt bzw. geneigt sind.
Eine ringförmige Unterlegscheibe 55 und eine erster Magnet M1 sind auf der dargestellten rechten Endseite des Hilfszahnrads 40 vorgesehen. Der Innendurchmesser des ersten Magneten M1 ist im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des dünnen axial verlaufenden Bereiches 36b des Antriebszahnrads 36. Der erste Magnet M1 kann auf der Drehwelle 30 befestigt werden, indem der erste Magnet M1 auf den dünnen axial verlaufenden Bereich 36b gepasst wird.
Beide Oberflächen der Unterlegscheibe 55 sind glatte Oberflächen mit geringem Reibungskoeffizienten. Gleitreibung zwischen einer Endfläche des Hilfszahnrads 40 und einer Endfläche des ersten Magneten M1 lässt sich durch Anordnen der Unterlegscheibe 55 zwischen dem Hilfszahnrad 40 und dem ersten Magneten M1 reduzieren. Um eine Verlagerung des Hilfszahnrads 40 und des ersten Magneten M1 zu verhindern, ist vorzugsweise eine Schnellschlussmutter 56 derart vorgesehen, dass sie mit der Endfläche des ersten Magneten M1 und der Endfläche des Antriebszahnrads 36 in Berührung tritt.
Die Drehwelle 30, auf der das Antriebszahnrad 36, das Hilfszahnrad 40, das Vorspannelement 50A, die Unterlegscheibe 55 und der Magnet M1 angeordnet sind, ist zwischen dem Abstützbereich 17a1 der Abstützeinrichtung 17a und dem Abstützbereich 17b1 der Abstützeinrichtung 17b gehaltert. Hierbei sind Lager 60 und 60 an beiden Enden der Drehwelle 30 angebracht. Die Lager 60 und 60 sind durch Formen aus Kunstharzmaterial gebildet. Jedes Lager 60 besitzt einen zylindrischen Lagerbereich 61 und einen Flansch 62, der an der einen Oberfläche des entsprechenden Lagerbereichs 61 gebildet ist. Während beide Enden der Drehwelle 30 in die Lager 60 und 60 eingeführt sind, sind die Außenumfangsflächen der Lagerbereiche 61 und 61 durch den Abstützbereich 17a1 der Abstützeinrichtung 17a bzw. den Abstützbereich 17b1 der Abstützeinrichtung 17b abgestützt.
Dies verhindert ein Verschieben der Drehwelle 30 in der Radialrichtung (d.h. der zu der Drehwelle 30 rechtwinkligen Richtung).
Wie in 1 gezeigt ist, ist bei Anbringung der Drehwelle 30 im Inneren der Gehäuseeinheit 17 der Magnet M1 gegenüber von den schräg verlaufenden Flächen des im Wesentlichen V-förmigen Bereichs der ersten Basis 17d angeordnet. Die Einpassbereiche 23a und 23b des Einpasselements 23 wirken mit der Gewindespindel 30a zusammen. Das Antriebszahnrad 36 ist zwischen der ersten Basis 17d und der verschiebbaren zweiten Basis 17e angeordnet.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist die Gehäuseeinheit 17, an der die Drehwelle 30 und dergleichen angebracht sind, an dem Bodenbereich der Innenseite des Gehäuses 12 angebracht. Wenn das Drehelement 13 in dem Gehäuse 12 vorgesehen ist, wirken die Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 und die Schraubverzahnung 36A des Antriebszahnrads 36 in einem Schraubverzahnungs-Eingriff zusammen.
Wie in 3 gezeigt ist, ist hierbei das Zentrum des Antriebszahnrads 36 derart angeordnet, dass sich dieses an einem Schnittpunkt Q befindet, an dem eine rechtwinklige Linie (d.h. die imaginäre Normallinie O-O'), die sich von dem Zentrum O des Drehelements 13 (d.h. von der zentralen Achse des Lenkrads oder der ersten Drehwelle) nach unten in Richtung auf die Drehwelle 30 (d.h. die zweite Drehwelle) erstreckt, sowie die zentrale Rotationsachse der Drehwelle 30 einander schneiden. Das Hilfszahnrad (d.h. das dritte Zahnrad) 40 ist an einer Stelle angeordnet, die von dem Schnittpunkt Q in der dargestellten Richtung X1 abgelegen angeordnet ist.
Die Außenumfangsfläche des Hilfszahnrads 40 weist die Schraubverzahnung 40A mit umgekehrt kugelförmiger Oberfläche auf, so dass in der in 1 und 3 dargestellten Weise die gekrümmte Formgebung im Schnitt entlang dem Wälzkreis des Drehelements 13 angeordnet ist. Selbst an einer Stelle, die von dem Schnittpunkt Q in der dargestellten Richtung X1 abgelegen ist, ist es somit möglich, die umgekehrt kugelförmige Schraubverzahnung 40A des Hilfszahnrads 40 und die Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 miteinander zusammen zu wirken zu lassen. Vorzugsweise weisen die Scheitel der Zähne der umgekehrt kugelförmigen Schraubverzahnung 40A sowie die Schraubverzahnungen 13A und 36A Evolventenflächen auf.
Es folgt nun eine Beschreibung der Arbeitsweise, die das Auftreten von Spiel zwischen dem Antriebszahnrad 36A und dem schraubverzahnten Stirnrad 13A verhindert.
Da das Antriebszahnrad 36 auf der Drehwelle 30 fest angebracht ist, kann es sich nicht in Axialrichtung bewegen. Das Hilfszahnrad 40 ist über das Antriebszahnrad 36 derart auf der Drehwelle 30 angebracht, dass es durch die Drehwelle 30 in relativ drehbarer Weise gehalten ist. Die Axialbewegung des Hilfszahnrads 40 ist durch die Unterlegscheibe 50, den ersten Magneten M1 und die Schnellschlussmutter 56 unterbunden. Das Vorspannelement 50A, das zwischen dem Antriebszahnrad 36 und dem Hilfszahnrad 40 vorgesehen ist, übt eine Vorspannkraft auf das Antriebszahnrad 36 in der Richtung β2 aus sowie eine Vorspannkraft auf das Hilfszahnrad 40 in der Richtung β1 aus. Wie in 4 gezeigt ist, steht somit eine Zahnoberfläche 40A1 der Schraubverzahnung 40A des Hilfszahnrads 40 mit einer Zahnoberfläche 13A1 der Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 aus der Richtung β1 in Berührung. Während dieser Zeitdauer ist das Hilfszahnrad 40 dadurch positioniert, dass es durch das Vorspannelement 50A in federnd nachgiebiger Weise in Axialrichtung (d.h. die Richtung X2) gedrückt wird. Selbst wenn die Schraubverzahnungen, d.h. die schräg verlaufenden Oberflächen, miteinander in Berührung stehen, kommt es somit zu keiner Verschiebebewegung zwischen den beiden Zahnoberflächen, so dass beide der schraubverzahnten Stirnräder in stabiler Weise in enger Berührung miteinander stehen.
In Bezug auf den Bereich, in dem die Schraubverzahnung 13A und die Schraubverzahnung 40A miteinander in Berührung treten, wird hierbei eine Vorspannkraft (d.h. eine Rotationskraft) auf das Antriebszahnrad 36 in der Richtung β2 ausgeübt. Da sich das Hilfszahnrad 40 und die Drehwelle 30 relativ zueinander drehen, wie dies vorstehend erwähnt wurde, wird das auf der Drehwelle 30 vorgesehene Antriebszahnrad 36 rotationsmäßig bewegt, bis eine Zahnoberfläche 36A1 der Schraubverzahnung 36A mit einer Zahnoberfläche 13A2 der Schraubverzahnung 13A des drehbaren Zahnrads 13 in Berührung tritt. Selbst hierbei wird das Antriebszahnrad 36 in ähnlicher Weise in der Axialrichtung (d.h. der Richtung X2) positioniert, so dass keine axiale Gleitbewegung zwischen den Zähnen der Schraubverzahnungen auftritt, so dass diese stabil in federnd nachgiebiger Weise gegeneinander drücken.
Genauer gesagt übt das Vorspannelement 50A Rotationskräfte aus, die in entgegengesetzten Richtungen auf das Antriebszahnrad 36 und das Hilfszahnrad 40 wirken. Hierbei schließen die Zahnoberfläche 36A1 der Schraubverzahnung 36A des Antriebselements 36 sowie die Zahnoberfläche 40A1 der Schraubverzahnung 40A des Hilfszahnrads 40 die beiden Zahnoberflächen 13A1 und 13A2 der Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 von beiden Richtungen (d.h. der Richtung β1 und der Richtung β2) sandwichartig zwischen sich. Daher werden keine Spalte zwischen der Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 und der Schraubverzahnung 36A des Antriebszahnrads 36 sowie zwischen der Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 und der Schraubverzahnung 40A des Hilfszahnrads 40 erzeugt, so dass diese stets in Berührung miteinander gehalten bleiben können.
Als Ergebnis hiervon kann Klappern als Resultat von Spiel zwischen dem Drehelement 13 und dem Antriebszahnrad 36 reduziert werden, so dass die von dem Lenkrad Sh auf das Drehelement 13 ausgeübte Rotationskraft in wirksamer Weise auf das Antriebszahnrad 36 übertragen werden kann.
Ferner wirkt die Gewindespindel 30a mit den Einpassbereichen 23a und 23b des Einpasselements 23 zusammen. Hierbei sind die Einpassbereiche 23a und 23b durch die Vorspannkraft der Plattenfeder 22 in federnd nachgiebiger Weise in der Richtung Z1 gegen die Gewindespindel 30a gedrückt, so dass Spiel zwischen der Gewindespindel 30a und den inneren Oberflächen 23c und 23c der entsprechenden Einpassbereiche 23a und 23b vermindert werden kann.
Wenn der Winkelsensor 10 an dem Lenkrad Sh eines Kraftfahrzeugs angebracht ist und das Lenkrad Sh gedreht wird, dreht sich das Drehelement 13 entsprechend dieser Rotationsbewegung. Wenn z.B. das Drehelement 13 einmal im dargestellten Uhrzeigersinn (d.h. in der Richtung α1) gedreht wird, wirkt eine Rotationskraft in der dargestellten Richtung β2 auf das Hilfszahnrad 40 und das Antriebszahnrad 36, das mit dem Drehelement 13 zusammenwirkt, so dass die Drehwelle 30 und der erste Magnet M1 hierdurch acht Mal in der dargestellten Richtung β2 rotationsmäßig bewegt werden.
Die Außenumfangsfläche des ersten Magneten M1 ist derart magnetisiert, dass der Nordpol und der Südpol bei jeder Umdrehung des ersten Magneten M1 die Hallelemente H1 einmal oder zweimal passieren. Auf diese Weise detektiert das Paar der Hallelemente H1, das in der V-förmigen ersten Basis 17d gegenüber von dem ersten Magneten M1 vorgesehen ist, Änderungen in der Stärke des Magnetfeldes des Magneten M1, so dass eine Detektion der Rotationsrichtung sowie von sehr kleinen Rotationswinkeln des Drehelements 13 ermöglicht wird.
Wenn die Drehwelle 30 entweder in der Richtung β1 oder in der Richtung β2 gedreht wird, veranlasst die Gewindespindel 30a der Drehwelle 30, dass eine Voranbewegungskraft entweder in der dargestellten Richtung X1 oder in der dargestellten Richtung X2 (d.h. in einer der Druckrichtungen) auf die Einpassbereiche 23a und 23b einwirkt, die für den Halter 21 verwendet werden. Dies veranlasst die Gleitelemente 21a des Halters 21 zur Ausführung einer Gleitbewegung auf den Schienen 17e1 und 17e2 der zweiten Basis 17e sowie zur Ausführung einer linearen Bewegung entweder in der dargestellten Richtung X1 oder in der dargestellten Richtung X2. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Gewindespindel 30a der Drehwelle 30 und den Einpassbereichen 23a und 23b des Einpasselements 23 um Umsetzbereiche zum Umsetzen der Rotationsbewegung der Drehwelle 30 entweder in der Richtung β1 oder in der Richtung β2 in eine lineare Bewegung. Die Umsetzbereiche veranlassen das Detektionselement 20 zur Ausführung einer Bewegung entweder in der Richtung X1 oder in der Richtung X2, um dadurch ein Signal abzugeben, das innerhalb des gesamten Drehwinkelbereichs des Lenkrads Sh in linearer Weise variiert.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, spannt die Plattenfeder 22 das Einpasselement 23 in horizontaler Richtung vor, um ein Klappern zwischen der Gewindespindel 30a der Drehwelle 30 und den Innenflächen 23c und 23c der entsprechenden Einpassbereiche 23a und 23b zu verhindern, so dass sich das Detektionselement 20, das sich in Abhängigkeit von der Rotation der Gewindespindel 30a bewegt, mit höherer Genauigkeit voran bewegt. Mit anderen Worten kann die Linearität zwischen dem Rotationswinkel des Drehelements 13 und der Bewegungsdistanz des Detektionselements 20 verbessert werden. Wenn sich der an dem Detektionselement 20 vorgesehene zweite Magnet M2 bewegt und dabei dem Hallelement H2 gegenüber liegt, um durch das Hallelement H2 jegliche Veränderungen in der Z-Richtungskomponente des hierbei von dem zweiten Magneten M2 erzeugten Magnetfeldes zu detektieren, kann der ungefähre Rotationswinkel des Drehelements 13 mit hoher Genauigkeit detektiert werden. Mit anderen Worten kann das Hallelement H2 ein Ausgangssignal erzeugen, das dem Rotationswinkel des Drehelements 13 exakt entspricht (oder proportional zu diesem ist).
Selbst wenn die Formgebungen der Innengewinde an den Innenflächen 23c und 23c der entsprechenden Einpassbereiche 23a und 23b Verschleiß ausgesetzt sind, ist das Einpasselement 23 durch die Plattenfeder 22 stets in Richtung auf die Gewindespindel 30a vorgespannt, so dass das Auftreten von Klappern für eine lange Zeitdauer verhindert werden kann, wobei als Ergebnis hiervon die Genauigkeit, mit der die Voranbewegung des Detektionselements 20 erfolgt, auf einem hohen Niveau gehalten werden kann.
Die Einpassbereiche 23a und 23b sind U-förmig ausgebildet, so dass die oberen Bereiche von diesen offen sind und damit eine einfache Montage der Gewindespindel 30a und der Einpassbereiche 23a und 23b ermöglicht ist.
7 zeigt eine Schnittdarstellung des Hauptbereichs eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Winkelsensors.
Bei dem in 7 dargestellten Winkelsensor ist ein Vorspannelement 50B zwischen einem Hilfszahnrad 40 und einer Unterlegscheibe 55 anstelle der Anordnung des Vorspannelements 50A zwischen dem Antriebszahnrad 36 und dem Hilfszahnrad 40 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorhanden. Ein Drehelement 13 und ein Antriebszahnrad 36 beinhalten eine Schraubverzahnung 13A bzw. eine Schraubverzahnung 36A, und ein Hilfszahnrad 40 weist eine schraubkappenenartige Verzahnung 40A auf. Das Drehelement 13 und das Antriebszahnrad 36 sowie das Drehelement 13 und das Hilfszahnrad 40 wirken in Schraubverzahnungs-Eingriff zusammen. Die Rotationsbewegungen des Hilfszahnrads 40 in den Richtungen β1 und β2 (siehe 2) werden unterbunden, so dass Bewegungen nur in den Richtungen X1 und X2 möglich sind.
Bei dem Vorspannelement 50B handelt es sich z.B. um eine Schraubenfeder oder eine Plattenfeder, und diese spannt das Hilfszahnrad 40 in Richtung auf das Antriebszahnrad 36 (d.h. in der dargestellten Richtung X2) vor. Eine schräg verlaufende oder umgekehrt kugelförmige Schraubverzahnung 40A ist auf der Außenumfangsfläche des Hilfszahnrads 40 in ähnlicher Weise vorgesehen, wie dies vorstehend beschrieben wurde, so dass bei Vorspannen des Vorspannelements 50B in Richtung auf das Antriebszahnrad 36 die Schraubverzahnung 40A des Hilfszahnrads 40 mit der Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 zusammenwirken kann.
Während der Rotationsbewegung des Drehelements 30 bewegt sich die Schraubverzahnung 40A entlang einer schräg verlaufenden Oberfläche der Schraubverzahnung 13A in Axialrichtung (d.h. in der Richtung X2), so dass keine Spalte in demjenigen Bereich, in dem die Schraubverzahnung 40A des Hilfszahnrads 40 und die Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 miteinander in Berührung treten, sowie in demjenigen Bereich erzeugt werden, in dem die Schraubverzahnung 13A und die Schraubverzahnung 36A des Antriebszahnrads 36 miteinander in Berührung treten. Auf diese Weise sind eine Oberfläche der Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 sowie eine Oberfläche der Schraubverzahnung 36A des Antriebszahnrads 36 stets miteinander in Berührung gehalten, so dass das Entstehen von Klappern durch Spiel zwischen diesen verhindert werden kann.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann die Rotationskraft des Drehelements 13 in wirksamer Weise auf das Antriebszahnrad 36 übertragen werden, so dass die Linearität des Halters 21 gesteigert werden kann und dadurch eine Detektion des Rotationswinkels des Lenkrads Sh mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.
Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Entstehung eines Spalts in demjenigen Bereich, in dem die Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 und die Schraubverzahnung 36A des Antriebszahnrads 36 miteinander in Berührung treten, durch derartiges Integrieren eines Vorspannelements 50A verhindert ist, dass sich dieses in der Richtung des Innendurchmessers und der Axialrichtung biegen kann, kann dies auch durch Integrieren des Vorspannelements 50A in einer derartigen Weise erzielt werden, dass sich dieses entweder in der Axialrichtung oder in der Richtung des Innendurchmessers biegt. Ferner kann das Vorspannelement 50A auch derart integriert sein, dass es sich in der Axialrichtung ausbreitet.
In dem Fall, in dem eine Biegung des Vorspannelements 50A lediglich in der Axialrichtung stattfindet, ist die Ausbildung vorzugsweise derart, dass das Vorspannelement 50A in Bezug auf wenigstens eines von dem Hilfszahnrad 40 und dem Antriebszahnrad 36 nicht in der Rotationsrichtung positioniert ist. In diesem Fall gleiten eine Zahnoberfläche des Antriebszahnrads 36 und eine Zahnoberfläche des Hilfszahnrads 40 die Zahnoberflächen der Schraubverzahnung 13A entlang, wobei sich als Ergebnis hiervon das Hilfszahnrad 40 und das Antriebszahnrad 36 rotationsmäßig bewegen. Somit können bei diesem Ausführungsbeispiel ähnliche Vorteile wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erwartet werden.
In dem Fall, in dem das Vorspannelement 50A nur in Richtung des Innendurchmessers gebogen wird, ist die Ausbildung vorzugsweise derart, dass das Vorspannelement 50A zumindest in Bezug auf eines von dem Hilfszahnrad 40 und dem Antriebszahnrad 36 nicht in der Axialrichtung angeordnet ist. In diesem Fall gleiten eine Zahnoberfläche des Antriebszahnrads 36 und eine Zahnoberfläche des Hilfszahnrads 40 die Zahnoberfläche der Schraubverzahnung 13A entlang, wobei sich als Ergebnis hiervon das Hilfszahnrad 40 axial bewegt, so dass seine Lage festgelegt ist. Daher sind bei diesem Ausführungsbeispiel ähnliche Vorteile zu erwarten wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
In dem Fall, in das Vorspannelement 50A derart integriert ist, dass sich dieses in der Axialrichtung ausbreitet, ist die axiale Position des Hilfszahnrads 40 durch das Antriebszahnrad 36 begrenzt. Ferner befinden sich eine Zahnoberfläche 40A2 der Schraubverzahnung 40A und eine Zahnoberfläche 13A2 der Schraubverzahnung 13A stets miteinander in Berührung, und eine Zahnoberfläche 36A2 der Schraubverzahnung 36A und eine Zahnoberfläche 13A1 der Schraubverzahnung 13A stehen ebenfalls stets miteinander in Berührung.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Vorspannelement 50A derart integriert, dass es sowohl in der Richtung des Innendurchmessers als auch in der Axialrichtung gebogen wird, wobei das Hilfszahnrad 40 in Bezug auf die Drehwelle 30 drehbar gehalten ist. Außerdem ist die axiale Bewegung des Hilfszahnrads 40 vorgeschrieben und unter Verwendung der Stelle, an der das Hilfszahnrad 40 und das Drehelement 13 miteinander in Berührung treten, als Referenz wird das Antriebszahnrad 36 in Richtung auf das Drehelement 13 vorgespannt. Das Hilfszahnrad 40 kann mit der Drehwelle 30 jedoch auch über eine Längsnutverbindung verbunden sein, wobei die Axialbewegung des Hilfszahnrads 40 auch in unbegrenzter Weise ausgeführt werden. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Vorspannelement 50A in Bezug auf mindestens eines von dem Hilfszahnrad 40 und dem Antriebszahnrad 36 nicht in der Rotationsrichtung angeordnet ist.
Während die Schraubverzahnung 40A bei Rotation der Drehwelle 30 sich axial entlang einer schräg verlaufenden Oberfläche der Schraubverzahnung 13A bewegt, so dass keine Spalte in dem Bereich, in dem die Schraubverzahnung 13A und die Schraubverzahnung 40A des Hilfszahnrads 40 miteinander in Berührung treten, sowie in dem Bereich entstehen, in dem die Schraubverzahnung 13A und die Schraubverzahnung 36A des Antriebszahnrads 36 miteinander in Berührung stehen. Auf diese Weise befinden sich eine Zahnoberfläche der Schraubverzahnung 13A des Drehelements 13 und eine Zahnoberfläche der Schraubverzahnung 36A des Antriebszahnrads 36 stets in Berührung miteinander, so dass kein Klappern aufgrund von Spiel zwischen diesen entsteht.
Obwohl bei dem ersten Ausführungsbeispiel das Vorspannelement 50A zwischen dem Antriebszahnrad 36 und dem Hilfszahnrad 40 vorgesehen ist, kann ein Vorspannelement auch zwischen dem Hilfszahnrad 40 und der Unterlegscheibe 55 angeordnet werden, wobei als Ergebnis hiervon die Unterlegscheibe 55 und das Antriebszahnrad 36 derart gehalten sind, dass sich diese in integraler Weise drehen.
Obwohl bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele das Ausmaß, in dem die Einpassbereiche 23a und 23b des Einpasselements 23 und die Gewindenuten der Gewindespindel 30a an den Kontaktbereichen miteinander in Berührung stehen, durch die Ausbildung der Einpassbereiche 23a und 23b als separate Bereiche an beiden Enden des Einpasselements 23 vergrößert ist, können die Einpassbereiche 23a und 23b auch in integraler Weise von dem einen Ende bis zu dem anderen Ende des Einpasselements 23 ausgebildet sein.
Obwohl bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele die Plattenfeder 22 und der Halter 21 sowie die Plattenfeder 22 und das Einpasselement 23 durch Schnitte und Erhebungen an zwei Stellen miteinander verbunden sind, können diese auch an mindestens zwei oder mehr Stellen oder durch Verbinden der gesamten Oberfläche von diesen miteinander verbunden sein.
Obwohl als Führungselemente zum Führen des Detektionselements 20 zwei Schienen 17e1 und 17e2 an der zweiten Basis 17e vorgesehen sind, können auch eine Schiene oder drei oder mehr Schienen verwendet werden, solange das Detektionselement 20 in linearer Weise in der Bewegungsrichtung bewegt werden kann.
Obwohl bei jedem der Ausführungsbeispiele die Schnitte 22a und 22b kreuzförmig ausgeführt sind, können diese auch als Öffnungen oder als Öffnungen mit um diese herum ausgebildeten kreuzförmigen Schnitten ausgebildet sein, damit sie sich auf die entsprechenden Erhebungen 21g und 21h passen lassen. Obwohl die Plattenfeder durch Aufschieben der Schnitte 22a und 22b auf die entsprechenden Erhebungen 21h und 21g gehalten ist, kann die Plattenfeder 22 auch durch Einsatzformen durch den Halter 21 gehalten werden. Das heißt, es können andere Befestigungskonstruktionen als die vorstehend beschriebene verwendet werden, solange die Plattenfeder 22 durch den Halter 21 derart positioniert und gehalten ist, dass keinerlei Klappern der Plattenfeder 22 in Bezug auf den Halter 21 entsteht.
Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Ausschnittbereich 22C jeweils quadratisch ist, kann er auch eine Formgebung aufweisen, die den Bereich zwischen den Schnitten 22A und 22B oder den Bereich zwischen den Öffnungen 22C und 22D trennt. Obwohl es sich bei den Montageflächen 22A und 22B der Plattenfeder 22 um ebene Flächen handelt, können ferner auch Rippen an diesen entlang der Axialrichtung ausgebildet sein, oder Enden von diesen können an Biegelinien parallel zu der Axiallinie gebogen sein, um die Verdrehfestigkeit ohne Beeinträchtigung des gebogenen Bereichs der Plattenfeder 22 zu erhöhen.
Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die vorstehend ausführlich beschrieben worden sind, kann Spiel zwischen dem Drehelement und dem Antriebszahnrad durch das Hilfszahnrad vermindert werden, so dass es möglich wird, die Rotationskraft des Drehelements in effizienter Weise auf das Antriebszahnrad zu übertragen. Auf diese Weise lässt sich die Linearität des Drehwinkelsensors steigern, so dass sich der Rotationswinkel mit hoher Genauigkeit detektieren lässt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung verständlich ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Ausmaß erhöht werden, in dem die Gewindespindel und die Einpassbereiche miteinander in Berührung treten, so dass das tendenziell zwischen diesen auftretende Klappern verringert werden kann. Ferner kann das Detektionselement in seiner Axialrichtung mit höherer Genauigkeit voran bewegt werden, so dass der Rotationswinkel der ersten Drehwelle mit hoher Genauigkeit detektiert werden kann.

Claims

Winkelsensor zum Detektieren eines Rotationswinkels einer ersten Drehwelle durch einen Detektionsvorgang eines Detektionsbereichs, wobei der Winkelsensor Folgendes aufweist: ein erstes Zahnrad (13), das eine zylindrische Formgebung aufweist und sich in Abhängigkeit von der ersten Drehwelle dreht; eine zweite Drehwelle (30), die sich in einer zu der ersten Drehwelle rechtwinkligen Richtung erstreckt; ein zweites Zahnrad (36), das sich zusammen mit der zweiten Drehwelle (30) dreht und mit dem ersten Zahnrad (13) an einem Schnittpunkt zusammenwirkt, an dem eine imaginäre Normallinie vom Rotationszentrum des ersten Zahnrads (13) die zweite Drehwelle (30) vertikal schneidet; ein drittes Zahnrad (40), das auf der zweiten Drehwelle (30) an einer von dem Schnittpunkt beabstandeten Stelle drehbar angeordnet ist; und einen Detektionsbereich (20) zum Detektieren der Rotationsbewegung der zweiten Drehwelle (30); dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Zahnrad (40) mit dem ersten Zahnrad (13) zusammenwirkt, dass die dem zweiten Zahnrad benachbarte Seite des dritten Zahnrads (40) einen kleineren Außendurchmesser als die von dem zweiten Zahnrad abgegelegene Seite des dritten Zahnrads aufweist; und dass das erste Zahnrad (13) sowohl mit dem zweiten Zahnrad (36) als auch mit dem dritten Zahnrad (40) in Schraubverzahnungs-Eingriff zusammenwirkt; und dass ein Vorspannelement (50A) auf der zweiten Drehwelle (30) zwischen dem zweiten Zahnrad (36) und dem dritten Zahnrad (40) vorgesehen ist, um die Zähne (36a) des zweiten Zahnrads (36) derart mit den Zähnen (13A) des ersten Zahnrads (13) in Kontakt zu bringen, dass kein Spalt dazwischen verbleibt, sowie die Zähne (40A) des dritten Zahnrads (40) derart mit den Zähnen (13A) des ersten Zahnrads (13) in Kontakt zu bringen, dass kein Spalt dazwischen verbleibt; und dass die Zähne (40A) des dritten Zahnrads (40) im Axialschnitt schraubenförmig entlang einer Umfangsrichtung des ersten Zahnrads (13) ausgebildet sind.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (50) eine Vorspannkraft auf das zweite Zahnrad (36) in einer Rotationsrichtung von diesem ausübt.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (50) eine Vorspannkraft in einer Richtung ausübt, in der sich das zweite Zahnrad (36) dem ersten Zahnrad (13) annähert.
Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dritte Zahnrad (40) ein schraubverzahntes Stirnrad mit umgekehrt kugelförmiger Oberfläche ist.