DE60309262T2

DE60309262T2 - Drehmomentsensor

Info

Publication number: DE60309262T2
Application number: DE60309262T
Authority: DE
Inventors: Yasuo 1-4-1 Chuo Wako-shi Shimizu; Hisao 1-4-1 Chuo Wako-shi Asaumi; Shunichiro 1-4-1 Chuo Wako-shi Sueyoshi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP3898610B2; JP2004108934A; US20040050181A1; US6978686B2; DE60309262D1; EP1400795A1; EP1400795B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Drehmomentsensor, insbesondere einen kontaktlosen (ohne Kontakt arbeitenden) magnetostriktiven Drehmomentsensor.
Beschreibung des Stands der Technik
Der kontaktlose magnetostriktive Drehmomentsensor umfasst allgemein eine magnetische Metallschicht, welche eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufweist, welcher an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist, sowie eine Erregerspule und eine Detektorspule, die jeweils an einer Stelle in der Nähe der magnetostriktiven Schicht angebracht sind. Änderungen der Induktivität aufgrund von Permeabilitätsfluktuationen, welche in der magnetostriktiven Schicht durch das ausgeübte Drehmoment erzeugt werden, werden durch die Detektorspule als Potenzialdifferenzen erfasst, aus denen die Größe des ausgeübten Drehmoments erfasst wird.
Ein kontaktloser magnetostriktiver Drehmomentsensor dieses Typs ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 2001-133337 offenbart (z.B. Absätze 0036 bis 0041, 5 und 6 und anderswo).
Dieser herkömmliche Drehmomentsensor wird zur Erfassung eines Lenkdrehmoments verwendet, welches in einem elektrischen Fahrzeughilfskraftlenksystem erzeugt wird, das einen Elektromotor zur Bereitstellung einer Lenkdrehmo mentunterstützung verwendet. Ein herkömmlicher Sensor ist in der US 5131281 gezeigt.
Eine Grundanforderung eines Drehmomentsensors ist es, dass er in der Lage sein sollte, die Größe und Richtung des auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübten Drehmoments genau zu erfassen. Wenn jedoch ein Drehmomentsensor in einem elektrischen Hilfskraftlenksystem angebracht ist, wie im Fall der oben zitierten Referenz zum Stand der Technik, entsteht ein besonderes Problem aufgrund des relativ großen Betrags von durch den Elektromotor tretendem Strom. Insbesondere führt sehr wahrscheinlich durch den durch den Motor tretenden Strom erzeugtes Rauschen zur Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit, wenn der Pegel des Drehmomentsensor-Erfassungsstroms (Spannung) niedrig ist. Viele Typen von anderen elektrischen Geräten als das elektrische Hilfskraftlenksystem erzeugen ebenfalls Rauschen, welches die Erfassungsgenauigkeit beeinträchtigen kann.
Wenn ein Drehmomentsensor beispielsweise in dem elektrischen Hilfskraftlenksystem eines Fahrzeugs verwendet wird, ist es wahrscheinlich, dass er nicht zu einer zuverlässigen Erfassung in der Lage ist, und zwar aufgrund von Änderungen seiner Erfassungscharakteristik, welche durch extreme Temperaturänderungen in der Fahrzeugfahrumgebung abhängig von dem Gebiet und der Jahreszeit verursacht werden, und wegen seines Ausgesetztseins gegenüber durch den Motor oder die Fahrzeugkraftmaschine erzeugter Hitze.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, einen Drehmomentsensor bereitzustellen, der ein ausgeübtes Drehmoment genau erfassen kann, sogar dann, wenn er in der Nähe von Rauschen erzeugenden elektrischen Geräten, etwa einem elektrischen Hilfskraftlenksystem, angebracht ist, um dadurch eine ausgezeichnete Erfassungsgenauigkeit zu erzielen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Drehmomentsensor bereitzustellen, der durch Änderungen der Temperatur der Einsatzumgebung sogar dann nur wenig beeinträchtigt wird, wenn er solchen Änderungen ausgesetzt ist, und der daher eine stabile Erfassungscharakteristik aufrechterhalten kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung in einem ihrer Aspekte einen Drehmomentsensor bereit umfassend: eine magnetische Metallschicht mit einer magnetischen Anisotropie, welche an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist, eine Erregerspule und eine Detektorspule, die jeweils in der Nähe der magnetischen Metallschicht angebracht sind, eine Erfassungsschaltung mit einem Addierer, der eine Ausgabe der Detektorspule und ein Referenzsignal addiert, wenn die Erregerspule durch eine das Referenzsignal bereitstellende Erregerstromquelle erregt wird, und einen Phasenkomparator, der eine Ausgabe des Addierers und das Referenzsignal hinsichtlich der Phase vergleicht, und einen Drehmomentdetektor, der ein auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübtes Drehmoment auf Grundlage der Ausgabe des Phasenkomparators erfasst.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung gemäß einem anderen Aspekt einen Drehmomentsensor bereit, umfassend: eine magnetische Metallschicht mit einer magnetischen Anisotropie, welche an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist, eine Erregerspule und eine Detektorspule, die jeweils in der Nähe der magnetischen Metallschicht angebracht sind, eine Erfassungsschaltung mit einer Mehrzahl der Addierer, die jeweilige Ausgaben der Detektorspulen und das Referenzsignal addieren, wenn die Erregerspule durch die Erregerstromquelle erregt wird, eine Mehrzahl von Phasenkomparatoren, die jeweilige Ausgaben der Addierer und das Referenzsignal hinsichtlich der Phase vergleichen und einen Differenzverstärker, in den jeweilige Ausgaben der Phasenkomparatoren eingegeben werden und der eine Differenz zwischen den Ausgaben verstärkt, und wobei ein Drehmomentdetektor ein auf die Dreh momentübertragungswelle ausgeübtes Drehmoment auf Grundlage einer Ausgabe des Differenzverstärkers erfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentsensors gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung,
2 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur des Drehmomentsensors von 1 im Detail zeigt,
3 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer Erfassungsschaltung von 2 noch detaillierter zeigt,
4 ist ein Schaltdiagramm, das die Konfiguration eines Wellenformaddierers von 3 detaillierter zeigt,
5 ist ein Schaubild, welches beispielhaft die Ausgabe einer Detektorspule zeigt, welche proportional zu Kompressionsspannungen und Zugspannungen erzeugt werden, die in magnetischen Metallschichten auftreten, wenn ein ausgeübtes Drehmoment auf die Drehmomentübertragungswelle im Uhrzeigersinn eingeleitet wird,
6 ist ein Schaubild, das in ähnlicher Weise die Ausgabe der Detektorspule zeigt, wenn ein ausgeübtes Drehmoment in die Drehmomentübertragungswelle im Gegenuhrzeigersinn eingeleitet wird, und
7 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Drehmomentsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der der Drehmomentsensor gemäß der ersten Ausführungsform als ein Drehmomentsensor zur Erfassung des Lenkdrehmoments eines elektrischen Hilfskraftlenksystems, welches einen Elektromotor zur Bereitstellung einer Lenkdrehmomentsunterstützung verwendet, verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS-FORMEN
Ein Drehmomentsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentsensors gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Der durch das Bezugszeichen 10 in der Zeichnung bezeichnete Drehmomentsensor umfasst ein Paar von magnetischen Metallschichten (magnetostriktiven Schichten) 14, eine Erregerspule 16 und eine Detektorspule 20. Die magnetischen Metallschichten 14, welche eine magnetische Anisotropie aufweisen, sind an einer Drehmomentübertragungswelle (Drehwelle) 12 angebracht, und die Erregerspule 16 und die Detektorspule 20 sind in enger Nähe zu den Schichten 14 angebracht.
Jede magnetische Metallschicht 14 ist derart befestigt (angebracht), dass sie vollständig die Drehmomentübertragungswelle 12 über eine vorbestimmte Breite in der Axialrichtung umgibt. Die magnetischen Metallschichten 14 sind aus einem magnetischen Schichtmaterial hergestellt, dessen Permeabilität sich mit einer Spannungsbelastung (Druckspannung und Zugspannung) deutlich ändert. Solche sind beispielsweise aus einer Ni-Fe-System-Legierungsschicht hergestellt, welche an einem Außenumfang der Drehmomentübertragungswelle 12 durch ein Nassplattierungsverfahren ausgebildet sind. Die Legierungsschicht aus einem Ni-Fe-System ist beispielsweise aus 50 bis 60 Gew.% Ni und dem Rest Fe zusammengesetzt.
Die Drehmomentübertragungswelle 12 ist aus einem Material, etwa Chrommolybdänstahl (JIS (japanischer Industriestandard)-G-4105, als SCM bezeichnet) hergestellt, welcher im Wesentlichen kein Ni enthält. Wie durch die beidseitigen Pfeile in der Zeichnung angedeutet ist, sind die magnetischen Metallschichten 14 derart gebildet, dass sie eine uniaxiale magnetische Anisotropie in Richtungen aufweisen, die um ⌷45° relativ zur Achse 12a der Drehmomentübertragungswelle 12 liegen.
Die magnetischen Metallschichten 14 können direkt am Umfang der Drehmomentübertragungswelle 12 vorgesehen sein, wie oben erläutert wurde, oder können zuerst an einem separaten röhrenartigen Element ausgebildet sein und dann an der Drehmomentübertragungswelle 12 in ihrem durch das separate Element getragenen Zustand angebracht sein. Es versteht sich für den Fachmann, dass die Materialien der magnetischen Metallschichten 14 und der Drehmomentübertragungswelle 12 nicht auf diejenigen beschränkt sind, die vorangehend genannt wurden.
Die Erregerspule 16 ist um einen magnetischen Kern (nicht gezeigt) gewickelt, der in der Nähe der magnetischen Metallschichten 14 (und der Drehmomentwelle 12) angeordnet ist, insbesondere derart angeordnet ist, dass er von denselben um einen Abstand von ungefähr 0,4 bis 0,6 mm beabstandet ist, und wird durch Anlegen einer Hochfrequenzwechselspannung von ungefähr 20 bis 100 kHz von einer Erregerstromquelle 26 mit Strom versorgt.
Die Detektorspule 20 ist um einen Magnetkern (nicht gezeigt) gewickelt, der in der Nähe der magnetischen Metallschichten 14 (und der Drehmomentübertragungswelle 12) angeordnet ist, insbesondere derart angeordnet ist, dass er von denselben um einen Abstand von ungefähr 0,4 bis 0,6 mm beabstandet ist. Der magnetische Kern der Erregerspule 16 und der magnetische Kern der Detektorspule 20 sind derart angeordnet, dass sie einander von ihren Stellen in der Nähe der magnetischen Metallschichten 14 (Drehmomentübertragungswelle 12) gegenüberliegen.
Eine Magnetschaltung ist zwischen der Drehmomentübertragungswelle 12 (und den magnetischen Metallschichten 14) und den magnetischen Kernen gebildet. Wenn die Erregerspule 16 erregt wird, erzeugt eine Änderung der Permeabilität dieser Magnetschaltung, welche proportional zu einer Zugspannung erzeugt wird, die in der Drehmomentübertragungswelle 12 in Antwort auf ein von außen ausgeübtes Drehmoment entsteht, eine Spannung, die aus einer Selbstinduktionsspannung aufgrund der Änderung der Induktivität der Erregerspule 16 und der Detektorspule 20 und einer gegenseitig induzierten Spannung zusammengesetzt ist. Diese kleine Induktionsspannung wird über die Ausgangsanschlüsse der Detektorspule 20 ausgegeben. Die Ausgabe der Detektorspule 20 wird durch einen synchronen Gleichrichter 28 extrahiert und, wie später erläutert wird, zur Erfassung oder Bestimmung der Richtung und Größe des ausgeübten Drehmoments verwendet.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur des Drehmomentsensors von 1 im Detail zeigt.
Wie gezeigt ist, umfasst die Detektorspule 20 dieser Ausführungsform eine erste Detektorspule 20a (als "sekundär" in der Zeichnung bezeichnet) sowie eine zweite Detektorspule 20b (als "tertiär" bezeichnet). Die Erregerspule 16 ist als "primär" bezeichnet.
Die Erregerspule 16 ist mit der Erregerstromquelle 26 verbunden und wird durch Anwendung einer Hochfrequenzspannung von derselben erregt. Wenn ein Drehmoment ausgeübt wird, wird eine kleine Spannung proportional zum ausgeübten Drehmoment durch die erste und zweite Detektorspule 20a, 20b ausgegeben. Die Positionen, an denen die Windungen beginnen, unterscheiden sich zwischen der ersten und der zweiten Detektorspule 20a, 20b. Die erste und die zweite Detektorspule 20a, 20b sind daher differenziell verbunden.
Wie in 2 gezeigt ist, besitzt der Drehmomentsensor 10 gemäß dieser Ausführungsform eine Erfassungsschaltung 28, umfassend einen Wellenformaddierer 30, der die Ausgaben (Wellenformen) der ersten Detektorspulen 20a, 20b und ein Referenzsignal addiert, einen ersten und einen zweiten Wellenformformer 32, 34, der die Ausgabe des Wellenformaddierers 30 und das Referenzsignal jeweils in eine Wellenform formt, sowie einen Phasenkomparator 36, der hinsichtlich der Phase die Ausgaben des ersten und des zweiten Wellenformformers 32, 34 vergleicht. Die Richtung und Größe des ausgeübten Drehmoments wird durch die Ausgabe des Phasenkomparators 36 bestimmt. Die Ausgabe der Erregerstromquelle 26 kann als Referenzsignal ohne Modifikation verwendet werden. Anders ausgedrückt, wirkt die Erregerstromquelle 26 ebenfalls als ein Referenzsignalgenerator zum Erzeugen des Referenzsignals.
3 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration der Erfassungsschaltung 28 von 2 detaillierter zeigt.
Insbesondere umfasst die Erfassungsschaltung 28 eine Mehrzahl von Sätzen von Wellenformaddierern, insbesondere zwei Sätze von Wellenformaddierern (erster Wellenformaddierer 30a, zweiter Wellenformaddierer 30b), welche die jeweiligen Ausgaben der ersten und der zweiten Detektorspule 20a, 20b und das Referenzsignal jeweils addieren, wenn die Erregerspule 16 erregt wird, eine Mehrzahl von oder mehrere Sätze, insbesondere zwei Sätze, von Wellenformformern (einen ersten und einen zweiten Wellenformformer 32a, 32b und 34a, 34b), die jeweils die jeweiligen Ausgaben (Wellenformen) der Wellenformaddierer 30a, 30b und das Referenzsignal in eine Wellenform umformen und jeweils als wellenformförmige Pulse ausgeben, eine Mehrzahl oder mehrere Sätze, insbesondere zwei Sätze, von Phasenkomparatoren (erster Phasenkomparator 36a, zweiter Phasenkomparator 36b), die jeweils die jeweiligen Ausgaben (Pulse) der Wellenformformer 32a, 34a, 32b, 34b und das Referenzsignal in ihrer Phase vergleichen und die Ergebnisse des Vergleichs jeweils als Pulse ausgeben, eine Mehrzahl oder mehrere Sätze, insbesondere zwei Sätze, von Integrationsschaltungen (erste Integrationsschaltung 38a, zweite Integrationsschaltung 38b), welche eine D/A-Umwandlung durchführen, d.h. die Ausgaben des jeweiligen ersten und zweiten Phasenkomparators 36a, 36b umwandeln, genauer, die jeweiligen Ausgangspulse derselben in Spannungswerte umwandeln, sowie einen Differenzverstärker 40, der die Spannungswerte Va, Vb, die von der Spannungsumwandlung resultieren, in die Integrationsschaltungen 38a, 38b eingibt und der die Differenz zwischen diesen verstärkt.
Insbesondere addiert in der Erfassungsschaltung 28 der erste Wellenformaddierer 30a die Ausgaben der ersten Detektorspule 20a und das Referenzsignal, wenn die Erregerspule 16 erregt wird. Dann formen die Wellenformformer 32a des ersten Satzes die Ausgabe des ersten Wellenformaddierers 30a in Wellenformen um, während der Wellenformer 34 des ersten Satzes das Referenzsignal in Wellenformen umwandelt, und als wellenformförmige Impulse ausgibt. Dann vergleicht der erste Phasenkomparator 36a die Ausgaben des ersten Satzes von Wellenformformern 32a, 34a in ihrer Phase gibt das Ergebnis des Vergleichs als Impuls aus. Dann wandelt die erste Integrationsschaltung 38a die Impulsausgabe des ersten Phasenkomparators 36a in einen Spannungswert Va um. Die Vorrichtungen des zweiten Satzes wirken in einer ähnlichen Weise derart, dass die zweite Integrationsschaltung 38b die von dem zweiten Phasenkomparator 36b ausgegebenen Impulse in einen Spannungswert Vb umwandelt. Dann werden die Spannungswerte Va, Vb, die von der Spannungsumwandlung in der ersten und der zweiten Integrationsschaltung 38a, 38b herrühren, in den Differenzverstärker 40 eingegeben, der die Differenz zwischen diesen verstärkt.
Die Ausgabe Vout des Differenzverstärkers 40 wird an einen Drehmomentdetektor 42 übertragen, der beispielsweise als ein Mikrocomputer ausgebildet ist, welcher diese zur Erfassung oder Bestimmung der Richtung und Größe des ausgeübten Drehmoments verwendet. Daher werden die Richtung und Größe des ausgeübten Drehmoments aus der Polarität und der Größe der Ausgabe (Ausgangsspannung) des Differenzverstärkers 40 bestimmt.
Wie in 4 gezeigt ist, sind die Wellenformaddierer 30a, 30b jeweils mit einem Operationsverstärker 300 ausgestattet, dessen nicht invertierender Eingangsanschluss durch Widerstände mit Eingangsanschlüssen 302, 304 verbunden ist, und dessen invertierender Eingangsanschluss durch eine Spannungsteilerschaltung mit Erde verbunden ist. Aufgrund dieser Konfiguration werden das Referenzsignal und die Detektorspulenausgabe, welche durch die Eingangsanschlüsse 302, 304 empfangen werden, addiert und die Summe über die Ausgangsanschlüsse 306, 308 ausgegeben.
Der erste und der zweite Wellenformformer 32, 34 können beispielsweise als herkömmliche Schmitt-Triggerschaltungen konfiguriert sein, und der Phasenkomparator 36 kann als ein EXKLUSIV-ODER-Gatter konfiguriert sein. Die Integrationsschaltungen 38a, 38b umfassen Widerstände 380a, 380b und Kondensatoren 382a, 382b, die zwischen denselben und Erdanschlüssen eingefügt sind. Der Differenzverstärker 40 ist mit einem Operationsverstärker 400 ausgestattet. Die Integrationsschaltungen 38a, 38b und der Differenzverstärker 40 besitzen bekannte Konfigurationen.
5 ist ein Schaubild, welches die Ausgabe der Detektorspule 20 wiedergibt, die proportional zu in den Magnetmetallschichten 14 auftretender Zugspannung und Druckspannung erzeugt wird, wenn ein ausgeübtes Drehmoment in die Drehmomentübertragungswelle 12 in der Richtung im Uhrzeigersinn eingeleitet wird. 6 ist ein Schaubild, das die Ausgabe der Detektorspule 20 wiedergibt, wenn ein ausgeübtes Drehmoment in die Drehmomentübertragungswelle im Gegenuhrzeigersinn eingeleitet wird.
Die in 5 und 6 mit a bezeichneten Wellenformen geben das Referenzsignal wieder (das die Referenzwellenform oder Referenzphase anzeigt), die mit b1, b2 bezeichneten Wellenformen geben die erfassten Wellenformen wieder, und die mit c1, c2 bezeichneten Wellenformen geben die Summenwellenformen wieder, die durch Addieren des Referenzsignals und der erfassten Wellenformen erhalten werden. Die Phasen der erfassten Wellenform b2 in 6 und der erfassten Wellenform b1 in 5 unterscheiden sich um 180° und, wie durch A und B in 5 und 6 gezeigt ist, sind entgegengesetzt gerichtet.
Die addierten Wellenformen (addierten Werte) c1, c2, die in 5 und 6 gezeigt sind, werden den Phasenkomparatoren 36a, 36b zugeleitet, welche wiederum ihre Phasen mit denjenigen des Referenzsignals vergleichen und Ausgabeimpulse nach Maßgabe der Richtung und des Betrags von deren Abweichungen ausgeben.
In dem Drehmomentsensor 10 dieser Ausführungsform werden die durch Addieren der Ausgaben der Detektorspulen erhaltenen Werte und das Referenzsignal in ihrer Phase mit dem Referenzsignal verglichen und das ausgeübte Drehmoment wird aus dem Wert bestimmt, der durch Verstärken der Differenzen, die als Vergleichsergebnisse ausgegeben werden, erhalten wird. Daher wird sogar dann, wenn die erfasste Ausgabe ungefähr dieselbe Spannung aufweist wie diejenige eines Drehmomentsensors des Standes der Technik, der Drehmomentsensor 10 nur gering von Rauschen durch andere elektrische Geräte beeinträchtigt und eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit kann realisiert werden, da die fortdauernde Verstärkung durch den Differenzverstärker 40 beispielsweise um ein 1/20 verringert werden kann.
Da das ausgeübte Drehmoment aus dem Wert erfasst wird, der durch Verstärken der Differenz zwischen den Werten erhalten wird, die durch Vergleichen der Werte in ihrer Phase erhalten werden, ist der Drehmomentsensor 10 nur wenig durch Temperaturänderung beeinträchtigt. Aufgrund des Einschlusses von zwei Systemen von Detektorspulen 20 kann weiterhin eine Unterscheidung eines Fehlers und eines Ausfalls des Drehmomentsensors 10 leicht erreicht werden, beispielsweise durch Vergleichen der Ausgabe der Detektorspule 20a und der Ausgabe der Detektorspule 20b als Absolutwerte und Überprüfen, ob diese innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegen. Ferner wird die Konfiguration durch die direkte Verwendung der Ausgabe der Erregerstromquelle 26 als Referenzsignal vereinfacht.
7 ist eine erläuternde Ansicht, welche den Drehmomentsensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der der Drehmomentsensor gemäß der ersten Ausführungsform als ein Drehmomentsensor zur Erfassung des Lenkdrehmoments eines elektrischen Fahrzeughilfskraftlenksystems verwendet wird, welches einen Elektromotor zur Bereitstellung einer Lenkdrehmomentunterstützung verwendet.
Um dies unter Bezugnahme auf die Figur zu erläutern, ist ein am Sitz des Führers eines Fahrzeugs 100 angebrachtes Lenkrad 104 mit einer Lenkwelle 106 verbunden, die mit einer Transmissionswelle 112 durch ein Kreuzgelenk 108, 110 verbunden ist.
Die Transmissionswelle 112 ist mit einem Ritzel 116 eines Zahnstangenlenkgetriebes 114 verbunden. Das Ritzel 116 kämmt mit einer Zahnstange 118 des Lenkgetriebes 114 derart, dass eine von dem Lenkrad 104 eingeleitete Drehbewegung durch das Ritzel 116 in eine Hin- und Herbewegung der Zahnstange 118 zum Lenken der beiden Räder 112 (gelenkte Räder) in einer gewünschten Richtung durch Spurstangen (Lenkstangen) 120 und Achsschenkelbolzen (nicht gezeigt), die an entgegengesetzten Enden der Vorderachse angebracht sind, übertragen wird.
Ein Elektromotor 128 und ein Kugelumlaufspindelmechanismus 130 sind koaxial an der Zahnstange 118 angeordnet. Die Ausgabe des Motors wird durch den Kugelumlaufspindelmechanismus 130 übertragen, um in die Hin- und Herbewegung der Zahnstange 118 umgewandelt zu werden, wodurch die Zanstange 118 in der Richtung angetrieben wird, welche das Lenkrehmoment (oder Lenkkraft) unterstützt (d.h. verringert), welches durch das Lenkrad 104 eingeleitet wird.
Der Drehmomentsensor 110 ist in der Nähe des Lenkrads 114 angebracht und gibt ein Signal aus, das die Richtung und Größe des Lenkrehmoments (Lenk kraft), welches durch den Fahrzeugführer eingeleitet wird, wiedergibt. Ferner ist ein Lenkwinkelsensor 132 als ein Drehdecodierer oder dergleichen in der Nähe der Lenkwelle 106 zum Erzeugen eines Signals vorgesehen, welches die Richtung des durch den Fahrzeugführer eingeleiteten Lenkwinkels wiedergibt.
Raddrehzahlsensoren 134, welche als Magnetaufnehmer oder dergleichen ausgebildet sind, sind in der Nähe der Räder 122 angebracht. Jeder gibt einmal pro Radumdrehung ein Signal aus. Raddrehzahlsensoren desselben Typs sind darüber hinaus in der Nähe der beiden hinteren Räder angebracht und geben einmal pro Radumdrehung Signale ab. Der Motor (nicht gezeigt) des Fahrzeugs 100 ist auf der Seite der Vorderräder angebracht. Die Räder 122 sind Antriebsräder und die hinteren Räder sind Mitlaufräder.
Das Bezugszeichen 140 bezeichnet eine ECU (elektronische Steuer/Regeleinheit), die als ein Mikrocomputer ausgebildet ist. Die Ausgaben des Drehmomentsensors 10 und dergleichen werden zu der ECU 140 übertragen. Die ECU 140 verwendet den Unterstützungsbetrag des Eingangslenkdrehmoments zur Berechnung eines Befehlswerts (in einem Tastverhältnis einer Pulsbreitenmodulation) und gibt es an die Motortreiberschaltung 142 zur Steuerung/Regelung des Motors 128 aus.
Auf Grundlage der vorangehenden Konfiguration der zweiten Ausführungsform ist der Drehmomentsensor 10, der für das elektrische Hilfskraftenksystem verwendet wird, nur geringfügig durch Rauschen von Strom beeinträchtigt, der durch den Motor 128 fließt, und kann daher eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit erreichen. Weiterhin stellt seine Fähigkeit zur Aufrechterhaltung einer stabilen Erfassungscharakteristik, die nur wenig durch Temperaturänderungen beeinflusst wird, eine bessere Erfassungsgenauigkeit sicher.
Wie vorangehend ausgeführt, ist die erste Ausführungsform in einem ersten Aspekt derart konfiguriert, dass sie einen Drehmomentsensor 10 aufweist, umfassend: eine magnetische Metallschicht 14 mit einer magnetischen Anisotro pie, welche an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist, eine Erregerspule 16 und Detektorspule 20, die jeweils in der Nähe der magnetischen Metallschicht angebracht sind, eine Erfassungsschaltung 28 mit einem Addierer (Wellenformaddierer) 30, der eine Ausgabe der Detektorspule und ein Referenzsignal addiert, wenn die Erregerspule 16 durch eine Erregerstromquelle 26 erregt wird, und einen Phasenkomparator 36, der eine Ausgabe des Addierers und des Referenzsignals hinsichtlich der Phasen vergleicht, und einen Drehmomentdetektor 42, der ein auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübtes Drehmoment auf Grundlage der Ausgabe des Phasenkomparators erfasst.
Daher werden die Ausgabe der Detektorspule und das Referenzsignal addiert, wenn die Erregerspule erregt wird, die Phasen des Summenwerts und das Referenzsignal werden verglichen und das auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübte Drehmoment, genauer ausgedrückt, die Richtung, in welche das Drehmoment ausgeübt wird, und die Größe des ausgeübten Drehmoments, werden aus dem ausgegebenen Vergleichsergebnis erfasst, genauer ausgedrückt, aus der Polarität und der Größe des Spannungswerts, der durch Spannungsumwandlung des ausgegebenen Vergleichsergebnisses erhalten wird. Anders ausgedrückt, kann aufgrund dessen, dass das ausgeübte Drehmoment aus der Ausgabe erfasst wird, welche die Phasendifferenz zwischen der erfassten Ausgabe und dem Referenzsignal wiedergibt, die Erfassungsgenauigkeit sogar dann verbessert werden, wenn der Erfassungsstrom schwach ist, weil die Erfassung geringfügig durch Rauschen von anderen elektrischen Geräten und dergleichen beeinträchtigt ist.
Wie in 3 gezeigt ist, ist die erste Ausführungsform mit jeweils zwei Detektorspulen 20, Wellenformaddierern 30, Phasenkomparatoren 36, Integrationsschaltungen 38 und dergleichen versehen, aber es ist möglich stattdessen jeweils nur ein jeweiliges Element vorzusehen. In einem solchen Fall wird das ausgeübte Drehmoment aus der Ausgabe Va (oder Vb) der Integrationsschal tung 38 erfasst. Der erste Aspekt der Erfindung wird auf Grundlage dieser Konfiguration beschrieben.
Die erste Ausführungsform ist darüber hinaus derart konfiguriert, dass sie einen Drehmomentsensor 10 aufweist, umfassend: eine magnetische Metallschicht 14 mit einer magnetischen Anisotropie, welche an einer Drehmomentübertragungswelle 12 angebracht ist, eine Erregerspule 16 und eine Mehrzahl von Detektorspulen 20a, 20b, die jeweils in der Nähe der magnetischen Metallschicht angebracht sind, eine Erfassungsschaltung 28 mit einer Mehrzahl von Addierern 30, die jeweilige Ausgaben der Detektorspulen und das Referenzsignal addieren, wenn die Erregerspule 16 durch die Erregerstromquelle 26 erregt wird, eine Mehrzahl von Phasenkomparatoren 36a, 36b, die jeweilige Ausgaben der Addierer und das Referenzsignal hinsichtlich der Phase vergleichen, und einen Differenzverstärker 40, in den jeweilige Ausgaben der Phasenkomparatoren eingegeben werden und der eine Differenz zwischen den Ausgaben verstärkt und wobei ein Drehmomentdetektor 42 ein auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübtes Drehmoment auf Grundlage einer Ausgabe des Differenzverstärkers erfasst.
Daher werden die Ausgaben der jeweiligen Detektorspulen und das Referenzsignal addiert, wenn die Erregerspule erregt ist, die Summen werden jeweils hinsichtlich ihrer Phase mit dem Referenzsignal verglichen und das ausgeübte Drehmoment wird aus dem Wert erfasst, der durch Verstärken der ausgegebenen Differenzen als die Vergleichsergebnisse erhalten wird. Daher wird ähnlich zu dem, was hinsichtlich des Obigen erläutert wurde, die Erfassung nur geringfügig durch Rauschen von anderen elektrischen Geräten und dergleichen beeinträchtigt, sogar dann, wenn der erfasste Strom schwach ist, und weiterhin wird die Erfassung nur geringfügig durch Temperaturänderungen beeinträchtigt, weil das ausgeübte Drehmoment aus Werten bestimmt wird, die durch Verstärken der Differenzen von mehreren, insbesondere zwei Vergleichsergebnissen erhalten werden. Da eine stabile Erfassungscharakteristik daher erhal ten werden kann, kann eine noch größere Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit erreicht werden.
In diesem Drehmomentsensor umfasst die Erfassungsschaltung 28 ferner eine Mehrzahl von Integrationsschaltungen 38a, 38b, die die jeweiligen Ausgaben der Phasenkomparatoren in Spannungswerte (Va, Vb) umwandeln, in den Differenzialverstärker 40 werden die Spannungswerte, die aus der Spannungsumwandlung in den Integrationsschaltungen resultieren, eingegeben und dieser verstärkt eine Differenz zwischen den Spannungswerten, und der Drehmomentdetektor 42 erfasst Richtung und Größe des auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübten Drehmoments aus der Polarität und Größe des Differenzspannungswerts.
In dem Drehmomentsensor umfasst die Erfassungsschaltung 28 ferner eine Mehrzahl von Wellenformformern 32, 32b, 34a, 34b, die die jeweiligen Ausgaben des (Wellenform)-Addierers 30a, 30b und das Referenzsignal in eine Wellenform umformen.
In dem Drehmomentsensor wird das Referenzsignal durch die Erregerstromquelle 26 erzeugt. Da das Referenzsignal die Ausgabe der Erregerstromquelle der Erregerspule ist, anders ausgedrückt, kein Generator zur Erzeugung des Referenzsignals erforderlich ist, ist die Konfiguration proportional einfacher.
Die zweite Ausführungsform ist darüber hinaus derart konfiguriert, dass der Drehmomentsensor 10 in einem elektrischen Fahrzeughilfskraftlenksystem angebracht ist, welches einen Elektromotor 128 verwendet, um ein Lenkunterstützungsdrehmoment bereitzustellen, und welches das Lenkdrehmoment des elektrischen Fahrzeughilfskraftlenksystems erfasst. Daher ist der Drehmomentsensor in einem elektrischen Hilfskraftlenksystem enthalten. Anfälligkeit gegenüber Rauschen von Strom, welcher durch den Elektromotor des elektrischen Hilfskraftlenksystems fließt, ist niedrig, eine Erfassungscharakteristik, die stabil gegenüber Temperaturänderungen ist, kann realisiert werden.
Wie in 3 gezeigt, ist die erste Ausführungsform mit jeweils zwei der Detektorspulen 20, des Wellenformaddierers 30, des Phasenkomparators 36, der Integrationsschaltung 38 und dergleichen versehen, aber es ist möglich, stattdessen jeweils drei oder mehr derselben zu verwenden.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist die erste Ausführungsform mit dem ersten und dem zweiten Wellenformformer 32a, 32b, 34a, 34b versehen, aber diese können weggelassen werden, weil sie nicht immer unerlässlich für den Drehmomentsensor dieser Erfindung erforderlich sind.
Obwohl das Referenzsignal durch die Erregerstromquelle 26 ausgegeben wird, ist es alternativ möglich, einen von der Erregerstromquelle 26 separaten Referenzsignalgenerator für diesen Zweck vorzusehen.
In einem Drehmomentsensor 10, welcher eine magnetische Metallschicht mit einer magnetischen Anisotropie aufweist, welche an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist, und eine Erregerspule 16 aufweist und ein Paar von Detektorspulen 20a, 20b aufweist, die jeweils in der Nähe der magnetischen Metallschicht angebracht sind, werden Ausgaben der Detektorspulen und ein Referenzsignal jeweils in Wellenformaddierern 30a, 30b addiert, wenn die Erregerspule 16 durch eine Erregerstromquelle 26 erregt wird. Dann werden die Ausgaben der Addierer und das Referenzsignal jeweils hinsichtlich der Phase in Phasenkomparatoren 36a, 36b verglichen und die Ausgaben der Komparatoren werden jeweils in Spannungswerte umgewandelt. Ein Differenzverstärker 40 verstärkt eine Differenz zwischen den Spannungswerten, und ein Drehmomentdetektor 42 erfasst Richtung und Größe des auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübten Drehmoments aus der Polarität und Größe des Differenzspannungswerts, wodurch es ermöglicht wird, ein ausgeübtes Drehmoment sogar dann genau zu erfassen, wenn es in der Nähe von Rauschen produzierenden elektrischen Geräten, wie einem elektrischen Hilfskraftlenksystem angebracht ist.

Claims

Drehmomentsensor (10) umfassend: eine magnetische Metallschicht (14) mit einer magnetischen Anistropie, welche an einer Drehmomentübertragungswelle (12) angebracht ist, und eine Erregerspule (16) und eine Detektorspule (20), die jeweils in der Nähe der magnetischen Metallschicht angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: eine Erfassungsschaltung (28) mit einem Addierer (30), der dazu ausgebildet ist, eine Ausgabe der Detektorspule und ein Referenzsignal zu addieren, wenn in Gebrauch die Erregerspule (16) durch eine das Referenzsignal bereitstellende Erregerstromquelle (26) erregt wird, und einen Phasenkomparator (36), der dazu ausgebildet ist, eine Ausgabe des Addierers und das Referenzsignal hinsichtlich der Phase zu vergleichen, und einen Drehmomentdetektor (42), der dazu ausgebildet ist, ein auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübtes Drehmoment auf Grundlage der Ausgabe des Phasenkomparators zu erfassen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Detektorspule (20) eine Mehrzahl von Spulen (20a, 20b) umfasst und wobei die Erfassungsschaltung (28) umfasst: eine Mehrzahl von Addierern (30a, 30b), die dazu ausgebildet sind, jeweilige Ausgaben der Erfassungsspulen und das Referenzsignal zu addieren, wenn in Gebrauch die Erregerspule (16) durch die Erregerstromquelle (26) erregt wird, eine Mehrzahl von Phasenkomparatoren (36a, 36b), die dazu ausgebildet sind, jeweilige Ausgaben der Addierer und das Referenzsignal hinsichtlich der Phase zu vergleichen, und einen Differenzverstärker (40), der derart ausgebildet ist, dass jeweilige Ausgaben der Phasenkomparatoren eingegeben werden, und er eine Differenz zwischen den Ausgaben verstärkt, und wobei der Drehmomentdetektor (42) dazu ausgebildet ist, ein auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübtes Drehmoment auf Grundlage einer Ausgabe des Differenzverstärkers zu erfassen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2, wobei die Erfassungsschaltung (28) ferner eine Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen (38a, 38b) umfasst, die dazu ausgebildet sind, die jeweiligen Ausgaben der Phasenkomparatoren in Spannungswerte umzuwandeln, wobei der Differenzverstärker (40) derart ausgebildet ist, dass die Spannungswerte (Va, Vb), die von der Spannungsumwandlung in den integrierten Schaltkreisen herrühren, eingegeben werden, und dazu ausgebildet ist, eine Differenz zwischen den Spannungswerten zu verstärken, und wobei der Drehmomentdetektor dazu ausgebildet ist, Richtung und Betrag des auf die Drehmomentübertragungswelle ausgeübten Drehmoments aus Polarität und Betrag des Differenzspannungswerts zu erfassen.
Drehmomentsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Erfassungsschaltung ferner eine Mehrzahl von Wellenformformern (32a, 32b, 34a, 34b) umfasst, die dazu ausgebildet sind, die Wellenformen von jeweilige Ausgaben des Addierers und das Referenzsignal zu formen.
Drehmomentsensor nach einer der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Gebrauch das Referenzsignal durch die Erregerstromquelle (26) erzeugt wird.
Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Drehmomentsensor dazu ausgebildet ist, in einem elektrischen Fahrzeuglenksystem angebracht zu werden, welches dazu ausgebildet ist, einen Elektromotor (128) zur Bereitstellung einer Lenkdrehmomentun terstützung zu verwenden, und welches dazu ausgebildet ist, das Lenkdrehmoment des elektrischen Fahrzeuglenksystems zu erfassen.