DE68907075T2

DE68907075T2 - Drehmomentdetektorapparat.

Info

Publication number: DE68907075T2
Application number: DE89300774T
Authority: DE
Inventors: Tadahiko C O Patent Kobayashi; Masashi C O Patent Div Sahashi; Yoichi C O Patent Divisi Tokai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-01-26
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2009-01-27
Also published as: CA1316714C; JPH01189971A; DE68907075D1; EP0330311A3; EP0330311B1; EP0330311A2; US4891992A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentdetektorapparat zum überwachen der Größe eines Drehmomentes, welches an eine drehmomentübertragende Welle, wie z.B. eine drehende Antriebswelle eines Elektromotors oder eines Fahrzeugs angelegt ist, wobei ein magnetoelastischer Effekt eines magnetischen Metalls verwendet wird, und insbesondere einen Drehmomentdetektorapparat, welcher durch Rauschen oder ein Störungsmagnetfeld weniger beeinflußt wird.
Ein Drehmoment ist als ein grundlegender Parameter zum Steuern oder Beobachten eines drehenden Antriebsabschnittes eines Elektromotors, eines Fahrzeugs oder ähnliches sehr effektiv.
Um die Größe eines Drehmoments, welches an eine drehmomentübertragende Welle angelegt wird, sehr genau mit hoher Zuverlässigkeit zu detektieren, muß die Detektion in einer nichtberührenden Art in bezug auf die drehmomentübertragende Welle durchgeführt werden. Um diese Anforderung zu erfüllen, wurde ein Drehmomentdetektorapparat, welcher einen magnetoelastischen Effekt verwendet, der in einer amorphen magnetischen Legierung erzeugt wird, vorgeschlagen (Papers Tec. Meet. Magnetics, IEEJ, MAG-81-72). Das Prinzip dieses Drehmomentdetektorapparates wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.
In Fig. 1 bezeichnet die Referenzziffer 1 eine drehmomentübertragende Welle. Ein ringförmiger dünner Streifen 2, der aus einer amorphen magnetischen Legierung geformt ist, ist um die Welle gewickelt und an der drehmomentübertragenden Welle 1 befestigt. Eine induzierte magnetische Anisotropie Ku0 ist für den ringförmigen dünnen Streifen 2 in einer Richtung gegeben, die mit einem Neigungswinkel θ (θ = 0) zu einer Umfangsrichtung 3 geneigt ist. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird angenommen, daß 90º > θ > 45º, und eine gesättigte Magnetostriktionskonstante λs > 0 ist. Zu beachten ist, daß die Beispiele eines magnetischen Metalls, welches aus einem ringförmigen dünnen Streifen 2 besteht, einen sich zeigenden Weichmagnetismus beinhalten, wie z.B. eine amorphe magnetische Legierung, Permalloy (Fe-Ni-Legierung), Sendust (Fe-Al-Si-Legierung) und ähnliche.
Wenn angenommen wird, daß ein Drehmoment 5 an die drehmomentübertragende Welle 1 angelegt ist, dann wird eine Oberflächenbeanspruchung bzw. -dehnung δ, welche auf der drehmomentübertragenden Welle 1 erzeugt wird, auf den ringförmigen dünnen Streifen 2 übertragen. Folglich wird eine Dehnung δ in dem ringförmigen dünnen Streifen 2 in einer +45º Richtung erzeugt, und eine Stauchungsbeanspruchung - δ in einer -45º-Richtung erzeugt. Der magnetoelastische Effekt infolge dieser Beanspruchung verursacht eine induzierte magnetische Anisotropie Kul entlang der +45º-Richtung bezüglich der Umfangsrichtung des ringförmigen dünnen Streifens 2. Zu bemerken ist, daß die Größe von Kul durch Ku1 = 3λsδ repräsentiert ist.
Folglich wird die Gesamtmagnetanisotropie, welche der ringförmige dünne Streifen 2 aufweist, zu einer resultierenden Kraft der magnetischen Anisotropie Ku0 geändert, welche im voraus gegeben ist, und die induzierte magnetische Anisotropie Ku1, welche durch den magnetoelastischen Effekt verursacht wird, d.h. auf Ku2 geändert, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Durch das Detektieren der Änderung der magnetischen Anisotropie kann die Beanspruchung, welche in dem ringförmigen dünnen Streifen 2 erzeugt wird, d.h. ein Drehmoment, welches an die drehmomentübertragende Welle 1 angelegt ist, detektiert werden.
Als eine Einrichtung zum Detektieren der Änderung in der magnetischen Anisotropie im ringförmigen dünnen Streifen 2 wird herkömmlicherweise eine Detektionsspule verwendet. Die Funktion der Detektionsspule ist wie folgt. Im allgemeinen wird die magnetische Permeabilität M einer magnetischen Substanz entsprechend der magnetischen Anisotropie der Substanz bezüglich einer Richtung der magnetischen Anregung geändert. Daher wird, wenn die magnetische Anisotropie des ringförmigen dünnen Streifens 2 geändert wird, die magnetische Flußdichte B in dem ringförmigen dünnen Streifen entsprechend der Beziehung B = uH geändert. Folglich wird eine elektromotorische Kraft entsprechend der Änderung in der magnetischen Anisotropie des ringförmigen dünnen Streifens in einer Detektionsspule (nicht gezeigt) erzeugt, welche in der Nähe des ringförmigen dünnen Streifens 2 angeordnet ist. Die elektromotorische Kraft kann auf einfache Weise mit einer Detektionsschaltung gemessen werden, die mit den beiden Anschlüssen der Detektionsspule verbunden ist. Daher können die Änderung bezüglich der magnetischen Anisotropie in dem ringförmigen dünnen Streifen 2 und die Größe eines Drehmoments, welches an die drehmomentübertragende Welle 1 angelegt ist, auf der Grundlage einer Spannungsänderung über die Detektionsspulenanschlüsse detektiert werden. In diesem Fall umfaßt ein Drehmomentdetektorapparat dieses Typs einen ringförmigen dünnen Streifen als einen primären Sensor und eine Detektionsspule als einen sekundären Sensor.
Der Drehmomentdetektorapparat, der oben beschrieben ist, besitzt die folgenden Probleme.
Die magnetische Anisotropie des ringförmigen dünnen Streifens 2, welcher der primäre Sensor ist, wird ferner durch die Einflüsse von magnetischen Rauschen oder eines Störungsmagnetfeldes, welches in einer Umgebung vorhanden ist, wo der dünne Streifen angeordnet ist, geändert. Wie oben beschrieben, arbeitet der in Fig. 1 gezeigte Drehmomentdetektorapparat unter der Annahme, daß die Änderung in der magnetischen Anisotropie eines ringförmigen dünnen Streifens 2 der Größe des Drehmoment es entspricht, welches an die drehmomentübertragende Welle 1 angelegt ist. Daher beeinträchtigt der Einfluß des magnetischen Rauschens die Detektionsgenauigkeit in erheblichem Umfang. Das Störungsmagnetfeld oder -rauschen kann in verschiedenen Richtungen infolge verschiedener Faktoren, z.B. einem DC- bzw. Gleichstrommagnetfeld entlang der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle, einem DC-Magnetfeld entlang der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle, oder ähnlichem, erzeugt werden.
Dieses Problem stört Anwendungen für verschiedene elektrische Systeme, die in einem Fahrzeug befestigt sind, wie z.B. ein Servolenkungssystem, ein Übertragungssteuerungssystem, ein Motorsteuerungssystem und ähnliches, welche in steigendem Maße in den letzten Jahren entwickelt worden sind. Es ist zu bemerken, daß die Ursache des Störungsmagnetfeldes einen Magnet, einen Motor, eine elektromagnetische Kupplung und ähnliches, was in der Nähe vorhanden ist, beinhaltet. Wenn ein Strom durch die drehmomentübertragende Welle fließt, verursacht der Strom ferner ein Störungsmagnetfeld entlang der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle.
Drehmomentsensoren, welche einen dünnen metallischen Streifen als einen Teil einer geschlossenen magnetischen Schleife verwenden und welche die Probleme anderer Sensoren des Standes der Technik teilen, sind in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 63-158432 und der Europäischen Patentbeschreibung EP-A-217 640 beschrieben worden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehmomentdetektorapparat zu ermöglichen, welcher einen magnetischen dünnen Metallstreifen, der auf der Umfangsoberfläche einer drehmomentübertragenden Welle als ein primärer Sensor befestigt ist, zur Detektion der Größe eines Drehmoments besitzt, welches an die drehmomentübertragende Welle angelegt ist, um auf der Grundlage eines magnetoelastischen Effektes, welcher in dem dünnen Streifen erzeugt wird, den Einfluß, der durch magnetisches Rauschen oder ein Störungsmagnetfeld verursacht wird, zu eliminieren und einen Drehmomentdetektion mit hoher Präzision durchzuführen.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, wird ein Drehmomentdetektorapparat bereitgestellt, welcher umfaßt:
einen magnetischen dünnen Metallstreifen, der auf der Umfangsoberfläche einer drehmomentübertragenden Welle als ein Gegenstand der Drehmomentdetektion befestigt ist;
eine induzierte magnetische Anisotropie, die im voraus dem magnetischen dünnen Metallstreifen gegeben ist, wobei die induzierte magnetische Anisotropie in einer Richtung einer Hauptbeanspruchung erscheint, welche in dem magnetischen dünnen Metallstreifen erzeugt wird, wenn ein Drehmoment an die drehmomentübertragende Welle angelegt wird; und
eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Änderung in der magnetischen Anisotropie, die in dem magnetischen dünnen Metallstreifen durch ein Drehmoment erzeugt wird, welches an die drehmomentübertragende Welle angelegt wird, wobei der magnetische dünne Metallstreifen eine formmagnetische Anisotropie des magnetischen dünnen Metallstreifens besitzt, welche durch eine Form des magnetischen dünnen Metallstreifens unter dem Einfluß einer Anregungsspule verursacht wird, welche einen Teil der Detektionseinrichtung bildet und angeordnet ist, ein axiales Magnetfeld entlang einer axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle zu erzeugen, wobei die formmagnetische Anisotropie in einer Richtung erscheint, welche einen Winkel von 45º mit der Richtung der Hauptbeanspruchung bildet.
In dem Drehmomentdetektorapparat der vorliegenden Erfindung kann, da der magnetische dünne Metallstreifen die formmagnetische Anisotropie besitzt, der Einfluß des Störungsmagnetfeldes unterdrückt werden. Die formmagnetische Anisotropie bedeutet, daß ein magnetisches Materialstück eine Richtung besitzt, entlang welcher sie leicht magnetisiert werden kann, und eine Richtung besitzt, entlang welcher sie schwierig entsprechend ihrer Form zu magnetisieren ist. Zum Beispiel wird ein nadelähnliches Eisenstück auf einfache Weise in dessen Axialrichtung magnetisiert, und es ist schwierig in eine Richtung senkrecht davon zu magnetisieren. Die Richtung der formmagnetischen Anisotropie ist durch eine Richtung repräsentiert, entlang welcher ein magnetisches Materialstück auf einfache Weise magnetisiert wird.
In der folgenden Beschreibung bedeutet eine Hauptbeanspruchungsrichtung eine Richtung einer Hauptbeanspruchung, welche in dem magnetischen dünnen Streifen erzeugt wird, wenn das Drehmoment an die drehmomentübertragende Welle angelegt wird.
Diese Erfindung kann in Verbindung mit den beiliegenden Abbildungen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung besser verstanden werden, von denen:
Fig. 1 eine Ansicht zum Erklären des Prinzips eines konventionellen Drehmomentdetektorapparats ist;
Fig. 2A bis 2C Ansichten sind, die Modelle zeigen, die für die Simulation von Ausgangseigenschaften eines Drehmomentdetektorapparates entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 3 ein Diagramm ist, welches Ergebnisse zeigt, die durch die Simulation erhalten werden, welche auf den Modellen, die in Fig. 2A bis 2C gezeigt sind, basieren;
Fig. 4 eine Ansicht ist, welche ein Ausführungsbeispiel eines Drehmomentdetektorapparates entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ein Blockdiagramm ist, welches eine Schaltungsanordnung des Drehmomentdetektorapparates in dem Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 4 gezeigt ist, zeigt; und
Fig. 6 ein Diagramm ist, welches die Abhängigkeit der Detektionsempfindlichkeit eines Drehmomentdetektorapparates, der in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, von einem Gleichstrom-Vorspann- Magnetfeld zeigt.
Die gegenwärtigen Erfinder führten die folgende Simulation durch, wobei sie einen Formgebungseffekt eines magnetischen Metalls berücksichtigten.
Ein Modell, welches in dieser Simulation verwendet wird, wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 2A bis 2C erklärt. Zu bemerken ist, daß in diesem Modell ein Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeld (entsprechend magnetischem Rauschen) und ein Anregungsmagnetfeld in der axialen Richtung einer drehmomentübertragenden Welle angelegt sind. Daher sind die Parameter in den Fig. 2A bis 2C durch Winkel bezüglich der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle repräsentiert.
In Fig. 2A ist ein Paar magnetischer dünner Metallstreifen #1 und #2 auf der Umfangsoberfläche der drehmomentübertragenden Welle befestigt. Wie in Fig. 2A gezeigt ist, besitzen die magnetischen dünnen Metallstreifen #1 und #2 eine rechteckige Bandform. Die magnetischen dünnen Metallstreifen #1 und #2 sind mit induzierten magnetischen Anisotropien, welche induzierte magnetische Anisotropiekonstanten K¹u0 bzw. K²u0 besitzen, entlang der Hauptbeanspruchungsrichtung (eine +45º oder -45º-Richtung bezüglich der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle) durch eine magnetisch ausheilende oder eine Hitzebehandlung in einem Magnetfeld ausgestattet. Zusätzlich besitzen die magnetischen dünnen Metallstreifen #1 und #2 formmagnetische Anisotropien, wobei sie formmagnetische Anisotropiekonstanten K¹'u0 und K²'u0 besitzen, welche auf ihrer rechteckigen Form basieren. Wie in Fig. 2A gezeigt ist, besitzt jede formmagnetische Anisotropie eine Richtung entlang der langen Seiten des entsprechenden rechteckigen magnetischen dünnen Metallstreifens. Die Richtung der formmagnetischen Anisotropie kann allgemein als eine 45º-Richtung bezüglich der Hauptbeanspruchungsrichtung, wie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist, definiert werden. Die Größe der formmagnetischen Anisotropie ändert sich entsprechend einem Verhältnis der Länge der langen Seiten zu jener der kurzen Seiten.
Der Grund, warum die bandförmigen magnetischen dünnen Metallstreifen anstelle der ringförmigen dünnen Streifen 2, die in Fig. 1 gezeigt sind, verwendet werden, ist der folgende. Das heißt, der ringförmige dünne Streifen 2 ist durch das Biegen eines bandförmigen dünnen Streifens gebildet, der mit einer vorbestimmten magnetischen Anisotropie im voraus entsprechend der Krümmung der drehmomentübertragenden Welle 1 bereitgestellt ist. Da eine neue magnetische Anisotropie infolge einer Beanspruchung während der Deformation auftritt, wird die magnetische Anisotropie Ku0, die im voraus gegeben ist, verringert. Auf der anderen Seite ist es sehr schwierig, daß dem dünnen Streifen, welcher ringförmig geformt worden ist, die magnetische Anisotropie Ku0 gegeben wird. Im Gegensatz dazu ist die magnetische Anisotropie Ku0 einfacher in den bandförmigen magnetischen dünnen Metallstreifen durch eine magnetisch Ausheilung einzuführen. Ferner können die bandförmigen magnetischen dünnen Metallstreifen, welche zum Teil die Umfangsoberfläche der drehmomentübertragenden Welle bedecken, eine Verringerung der induzierten magnetischen Anisotropie Ku0, welche im voraus gegeben ist, unterdrücken, da sie an einer kleineren Deformation während der Befestigung leidet. Jedoch ist es für Fachleute auf diesem Gebiet bekannt, solch einen bandförmigen magnetischen dünnen Metallstreifen als einen Primärsensor zu verwenden.
Das Paar der magnetischen dünnen Metallstreifen # 1 und # 2 wird verwendet, da die Drehmomente in positiver und negativer Richtung mit guter Linearität detektiert werden. Wenn nur ein Primärsensor, welcher eine Richtung der induzierten magnetischen Anisotropie entsprechend +θ oder -θ besitzt, verwendet wird, verursachen die Drehmomente in der positiven und negativen Richtung, daß die Größe der Detektionsausgangssignale schon variiert, wenn ein Drehmoment, welches denselben absoluten Wert besitzt, angelegt ist. Im Gegensatz dazu kann, wenn das Paar der Primärsensoren und ein Paar von entsprechenden Detektionsspulen verwendet wird und das Paar der Detektionsspulen auf differentielle Weise miteinander verbunden wird, ein Ausgangssignal erhalten werden, welches eine exzellente Linearität von der positiven Richtung zu der negativen Richtung besitzt.
Wie in Fig. 2B gezeigt ist, wird, wenn das Drehmoment T an die drehmomentübertragende Welle angelegt wird, in jedem der magnetischen dünnen Metallstreifen #1 und #2 eine Dehnungsbeanspruchung +δA und eine Stauchungsbeanspruchung -δA in der Hauptbeanspruchungsrichtung erzeugt, d.h. in einer +45º-Richtung bzw. einer -45º-Richtung.
Fig. 2C zeigt ein Modell, wenn das Drehmoment T detektiert wird, welches wie oben beschrieben angelegt ist. Angenommen, daß ein alternierendes Magnetfeld ±Hp entlang der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle angelegt wird, um eine Detektionsspule (nicht gezeigt) anzuregen, und ein Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeld Hb entlang der axialen Richtung als ein Störungsmagnetfeld vorhanden ist. Die Richtungen einer Sättigungsmagnetisierung IS in den magnetischen dünnen Metallstreifen #1 und #2 sind jeweils durch θ&sub1; und θ&sub2; bezüglich der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle repräsentiert.
Die Simulation, die auf den oben erwähnten Modellen basierend durchgeführt wurde, wird nachfolgend beschrieben.
Die magnetischen Energien der magnetischen dünnen Metallstreifen #1 und #2 sind durch die folgenden Gleichungen definiert. In diesen Gleichungen sind E&sub1;+ und E&sub2;+ die magnetischen Energien, wenn ein Anregungsmagnetfeld +Hp ist, und es sind E&sub1;&supmin; und E&sub2;&supmin; die magnetischen Energien, wenn ein Anregungsmagnetfeld -Hp ist. Zu beachten ist, daß NW der entmagnetisierte Faktor in der Breitenrichtung des magnetischen dünnen Metallstreifens ist, und NL der entmagnetisierende Faktor in der longitudinalen Richtung des magnetischen dünnen Metallstreifens ist. Daher repräsentiert ein Verhältnis von NW zu NL die formmagnetische Anisotropie des magnetischen dünnen Metallstreifens.
Der erste, zweite, dritte und vierte Term auf der rechten Seite in jeder Gleichung repräsentiert jeweils die folgenden Energieterme:
Erster Term: magnetostatischer Energieterm eines magnetischen dünnen Metallstreifens
Zweiter Term: Energieterm, der auf einer induzierten magnetischen Anisotropie beruht
Dritter und vierter Term:
Energieterme, die auf einer formmagnetischen Anisotropie basieren.
K'u1 und K'u2 erfüllen jeweils die folgenden Gleichungen:
K'u1 = K¹u0 + 3λs A
K'u2 = K²u0 - 3λs A
Durch das Lösen der Differentialgleichung dE/dθ = 0 für die obigen Gleichungen, kann der Winkel θ, der die magnetische Energie minimiert, erhalten werden. Das Ausgangssignal von dem Drehmomentdetektorapparat in dem oben erwähnten Modell wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Vout = IS(cosθ&sub1;&spplus; - cosθ&sub1;&supmin;) - IS(cosθ&sub2;&spplus; - cosθ&sub2;&supmin;)
Basierend auf der oben erwähnten Theorie wurde eine Änderung im Ausgangssignal, wenn ein Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeld Hb entsprechend einem Störungsmagnetfeld geändert wurde, simuliert. In dieser Simulation waren folgende Bedingungen gegeben.
Durchmesser der drehmomentübertragenden Welle:
20 mm
Anregungsmagnetfeld Hp: 0,09 Oe
Drehmoment T: 1 kg m
Um den Formeffekt des magnetischen dünnen Metallstreifens zu überprüfen, wurde das Verhältnis des entmagnetisierenden Faktors NW zu NL als ein Parameter verwendet, und NW : NL wurde innerhalb des Bereiches von 10 : 1 bis 1 : 2 unter der Bedingung von 4π(NW + NL) = 0,1 geändert.
Fig. 3 zeigt die Simulationsergebnisse. Fig. 3 offenbart:
(I) Wenn NW : NL = 1 : 1
Die Größe in der longitudinalen Richtung des magnetischen dünnen Metallstreifens ist gleich der in der Breitenrichtung. In diesem Fall ist, falls das Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeld Hb gleich Null ist, der absolute Wert des Ausgangssignals groß. Jedoch ändert sich der Ausgangswert in großem Umfang abhängig von dem Vorspannmagnetfeld Hb und dies zeigt an, daß der Einfluß des Störungsmagnetfeldes auffallend ist.
(II) Wenn NW : NL in dem Bereich von 2 : 1 bis 10 : 1 liegt
Dieser magnetische dünne Metallstreifen besitzt eine rechteckige Form und ist befestigt, wobei dessen longitudinale Richtung entlang der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle ausgerichtet ist. In diesem Fall wird das Ausgangssignal, wenn das Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeld Hb Null ist, auf einen Wert unterhalb dem des Falles (I) verringert. Jedoch wird bei der Anwendung des Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeldes Hb der absolute Wert des Ausgangssignals vergrößert, und bildet eine Spitze bei dem gewissen Hb. Zusätzlich ist die Ausgangskurve relativ moderat und besitzt einen flachen Bereich in deren Spitzenteilgebiet. Dies zeigt an, daß die Abhängigkeit von dem Vorspann-Magnetfeld Hb gering ist, und daß dieser magnetische dünne Metallstreifen nicht auf einfache Weise durch das Störungsmagnetfeld beeinflußt wird.
(III) Wenn NW : NL = 2 : 3 oder 1 : 2
Dieser magnetische dünne Metallstreifen besitzt eine rechteckige Form und ist befestigt, wobei dessen longitudinale Richtung entlang der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle ausgerichtet ist. In diesem Fall verringert sich das Ausgangssignal des Drehmomentdetektorapparats linear mit einer Zunahme des Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeldes Hb. Dies zeigt an, daß eine Widerstandsfähigkeit gegen das Störungsmagnetfeld gering ist.
Die oben erwähnten Simulationsergebnisse führen zu dem folgenden Schluß. Wenn das Störungsmagnetfeld in der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle angelegt ist, wird der magnetische dünne Metallstreifen geformt, um eine ähnliche Form zu besitzen, so daß die Dimension in der longitudinalen Richtung ungefähr doppelt so groß ist, wie die in der Breitenrichtung, und er wird befestigt, wobei dessen longitudinale Richtung entlang der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle ausgerichtet ist, wodurch auf effektive Weise der Einfluß des Störungsmagnetfeldes unterdrückt wird. Falls die Drehmomentdetektion in einem Zustand durchgeführt wird, wo ein vorbestimmtes Gleichstrom-Vorspann- Magnetfeld angelegt ist, so daß die Messung in Spitzenteilgebieten der Kurven, die in Fig. 3 gezeigt sind, durchgeführt werden kann, kann eine stabilere Drehmomentdetektion sichergestellt werden.
Basierend auf dieser Schlußfolgerung kann ein ähnlicher Schluß gezogen werden, wenn das Störungsmagnetfeld in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle angelegt ist. Insbesondere in diesem Fall besitzt der magnetische dünne Metallstreifen auf ähnliche Weise eine längliche bzw. in die Länge gezogene Form und er ist befestigt, wobei dessen longitudinale Richtung entlang der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle ausgerichtet ist, so daß der Einfluß des Störungsmagnetfeldes auf effektive Weise unterdrückt werden kann.
Der gleiche Effekt kann erhalten werden, wenn das alternierende Magnetfeld ±Hp in der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle angelegt wird, um die Detektionsspule anzuregen. In diesem Fall ist die formmagnetische Anisotropie entlang der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle für die magnetischen dünnen Metallstreifen # 1 und # 2 gegeben, wodurch eine Widerstandsfähigkeit gegen das Störungsmagnetfeld in der axialen Richtung erhalten wird. Zu beachten ist, daß als eine Einrichtung zum Anregen der Detektionsspule in der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle ein magnetischer Kopf verwendet werden kann, der z.B. in U.S. Nr. 4 762 008 offenbart ist.
Ein Drehmomentdetektorapparat entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit der Anordnung, die auf den Simulationsergebnissen basiert, wird nun beschrieben.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel des Drehmomentdetektorapparates entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das dessen Schaltungsanordnung zeigt.
In Fig. 4 bezeichnet die Referenzziffer 11 eine drehmomentübertragende Welle. Die drehmomentübertragende Welle ist aus einem ferromagnetischen Material, wie z.B. S45C gemacht, und besitzt einen Durchmesser von 20 mm. Ein Paar magnetischer dünner Metallstreifen 12a und 12b einer amorphen Legierung als primäre Sensoren ist auf der Umfangsoberfläche der drehmomentübertragenden Welle 11 befestigt. Jeder der magnetischen dünnen Metallstreifen 12a und 12b besitzt eine längliche rechtwinklige Form, wobei diese eine Breite von 4mm und eine Länge von 30 mm besitzen, und eine Dicke von 20 um besitzen. Die magnetischen dünnen Metallstreifen 12a und 12b sind von einem amorphen magnetischen Legierungsdünnfilm abgeschnitten, welcher die folgende Zusammensetzung besitzt und durch ein Einzelrollverfahren hergestellt wird.
(Fe0.2Co0.8)&sub7;&sub8;Si&sub8;B&sub1;&sub4;
Die vorbestimmten induzierten magnetischen Anisotropien K¹u0 und K²u0 sind für die magnetischen dünnen Metallstreifen 12a und 12b durch ein magnetisches Ausheilen oder eine Hitzebehandlung in einem magnetischen Feld gegeben, bevor sie auf der drehmomentübertragenden Welle 11 angebracht werden. Die Richtungen von diesen induzierten magnetischen Anisotropien K¹u0 bzw. K²u0 entsprechen +45º-und -45º-Richtungen bezüglich der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle 11. Die formmagnetischen Anisotropien K¹'u0 und K²'u0 sind jeweils für die magnetischen dünnen Metallstreifen 12a und 12b durch den länglichen rechteckigen Formeffekt gegeben. Die Richtungen von diesen formmagnetischen Anisotropien entsprechen einer 45º-Richtung (in diesem Fall der Umfangsrichtung der drehmomentübertragenden Welle 11) bezüglich der Hauptbeanspruchungsrichtung, welche in bzw. an der Oberfläche erzeugt wird, wenn ein Drehmoment angelegt wird. Zu beachten ist, daß die Größen der induzierten magnetischen Anisotropien K¹u0 und K²u0 und die formmagnetischen Anisotropien K²'u0 und K²'u0 die folgenden sind:
:K¹u0: K²u0: 1 x 10&sup4; erg/cm³
K¹'u0: K²'u0: 1 x 10&sup5; erg/cm³
In dem Drehmomentdetektorapparat dieses Ausführungsbeispiels sind zylindrische Detektionsspulen 13a und 13b als Sekundärsensoren zu den amorphen magnetischen dünnen Metallstreifen 12a und 12b in einer nichtberührenden Art bereitgestellt. Diese Detektionsspulen 13a und 13b sind so angeordnet, die drehmomentübertragende Welle 11 zu umschließen, und sind auf den entsprechenden magnetischen dünnen Metallstreifen 12a und 12b gelegen. Ferner ist eine zylindrische Anregungsspule 14 zum Anregen dieser Detektionsspulen außerhalb der Detektionsspulen 13a und 13b angeordnet. Jede dieser Detektionsspulen 13a und 13b und die Anregungsspule 14 wird durch Wickeln eines Kupferdrahtes, welcher einen Drahtdurchmesser von 0,3 mm besitzt, um einen nichtmagnetischen Teilrahmen (nicht gezeigt) erhalten. Die Anzahl der Windungen ist für die Detektionsspulen 13a und 13b 100, und für die Anregungsspule 14 beträgt die Anzahl 300.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, besitzt der Drehmomentdetektorapparat dieses Ausführungsbeispieles einen Oszillator 21. Der Oszillator 21 erzeugt einen Sinuswellen-Anregungsstrom von 10 kHz. Der Anregungsstrom wird durch einen Verstärker 22 verstärkt und an die Anregungsspule 14 angelegt. Folglich sind, da die Anregungsspule 14 angeregt ist, die Detektionsspulen 13a und 13b und die magnetischen dünnen Metall streifen 12a und 12b in dem alternierenden Magnetfeld (Anregungsmagnetfeld Hp) plaziert, wobei auf diese Weise ein Drehmomentdetektions-Freigabezustand gebildet wird. In diesem Zustand, wenn das Drehmoment angelegt wird und die magnetischen Anisotropien der magnetischen dünnen Metallstreifen 12a und 12b geändert werden, treten Spannungsänderungen in den Detektionsspulen 13a und 13b durch eine Änderung in der magnetischen Permeabilität auf. Die Spannungsänderungen werden einem Synchronisierungsdetektor 26 über Differenzverstärker 23, 24 und 25 zugeführt und gleichgerichtet. Auf diese Weise kann ein Gleichstrom-Drehmomentdetektionssignal erhalten werden, welches sich entsprechend einer Änderung im Drehmoment ändert.
Schließlich wird ein Experiment erklärt, worin eine Drehmomentdetektion praktisch ausgeführt wurde, wobei der oben erwähnte Drehmomentdetektorapparat verwendet wurde, und der Einfluß des Störungsmagnetfeldes untersucht wurde. In diesem Experiment war das gesamte System, welches in Fig. 4 gezeigt ist, in einer zylindrischen Spule gehäust, und ein Gleichstrom floß durch die Spule, um ein Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeld (entsprechend der Störung) entlang der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle anzulegen. Beim Ändern der Größe des Vorspann-Magnetfeldes wurde eine Änderung in der Drehmomentdetektionsempfindlichkeit bei einer vorbestimmten Anregungsspannung überprüft. Fig. 6 zeigt die Prüfungsergebnisse.
Wie offensichtlich aus Fig. 6 ist, wird die Drehmomentdetektionsempfindlichkeit vergrößert und deren Änderung minimiert, wenn der absolute Wert des Gleichstrom-Vorspann-Magnetfeldes entlang der axialen Richtung der drehmomentübertragenden Welle 11 ungefähr 20 Oe überschreitet, Daher wird, wenn ein Drehmoment detektiert wird, wobei der Apparat dieses Ausführungsbeispiels verwendet wird, ein vorbestimmtes Vorspann-Magnetfeld von 20 Oe oder mehr bevorzugt im voraus angelegt. Auf diese Weise kann, wenn das Störungsmagnetfeld angelegt wird, eine Änderung in der Detektionsempfindlichkeit, die durch dieses verursacht ist, minimiert werden.
Die experimentellen Ergebnisse unterstützen die Simulationsergebnisse und decken auf, daß der Drehmomentdetektorapparat dieses Ausführungsbeispiels weniger durch das Störungsmagnetfeld beeinflußt wird und das stabile Detektionsausgangssignal erhalten werden kann.
Die obige Beschreibung ist mit einem Ausführungsbeispiel verbunden, worin ein rechteckiger magnetischer dünner Metallstreifen als ein Primärsensor, wie in den Fig. 2A bis 2C und 4 gezeigt ist, verwendet wird. Doch kann die vorliegende Erfindung auf ähnliche Weise auf einen Fall angewendet werden, worin der ringförmige dünne Streifen 2 wie in der betreffenden Art, die in Fig. 1 gezeigt wird, als ein Primärsensor verwendet wird. In diesem Fall kann die formmagnetische Anisotropie des ringförmigen dünnen Streifens 2 durch die Änderung eines Verhältnisses von dessen Durchmesser zu dessen Breite gesteuert werden.

Claims

1. Drehmomentdetektorapparat mit

einem magnetischen dünnen Metallstreifen (12a, 12b), der auf der Umfangsoberfläche einer Drehmoment übertragenden Welle (11) als ein Gegenstand der Drehmomentdetektion befestigt ist;

einer induzierten magnetischen Anisotropie, die dem magnetischen dünnen Metallstreifen (12a, 12 b) im voraus gegeben wird, wobei die induzierte magnetische Anisotropie in einer Richtung einer Hauptbeanspruchung erscheint, welche in dem magnetischen dünnen Metallstreifen (12a, 12b) erzeugt wird, wenn ein Drehmoment an die Drehmoment übertragende Welle (11) angelegt ist; und

einer Detektionseinrichtung (13a, 13b, 14) zum Detektieren einer Änderung in der magnetischen Anisotropie, welche in dem magnetischen dünnen Metallstreifen durch ein Drehmoment erzeugt wird, welches an die Drehmoment übertragende Welle (11) angelegt ist,

dadurch gekennzeichent, daß

der magnetische dünne Metallstreifen eine formmagnetische Anisotropie des magnetischen dünnen Metallstreifens besitzt, die durch eine Form des magnetischen dünnen Metallstreifens unter dem Einfluß einer Anregungsspule (14) verursacht ist, welche einen Teil der Detektionseinrichtung bildet und angeordnet ist, um ein axiales Magnetfeld entlang einer axialen Richtung der Drehmoment übertragenden Welle (11) zu erzeugen, wobei die formmagnetische Anisotropie in einer Richtung erscheint, die einen Winkel von 45º mit der Richtung der Hauptbeanspruchung bildet.

2. Apparat nach Anspruch 1, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß die Detektionseinrichtung eine zylindrische Detektionsspule (13a, 13b) umfaßt, welche so angeordnet ist, daß sie die Drehmoment übertragende Welle (11) umschließt, wobei die Anregungsspule (14) zylindrisch ist, um so die Detektionsspule (14), die außerhalb der Drehmoment übertragenden Welle angeordnet ist, zum Detektieren einer Änderung in der magnetischen Permeabilität, welche durch eine Änderung in der magnetischen Anisotropie des magnetischen dünnen Metallstreifens (12a, 12b) verursacht ist, als eine Änderung der Anschlußspannung der Anregungsspule (13a, 13b) anzuregen.

3. Apparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Paar von magnetischen dünnen Metallstreifen (12a, 12b) bereitgestellt ist, und daß die Richtungen der induzierten magnetischen Anisotropien, die den magnetischen dünnen Metallstreifen (12a, 12b) gegeben sind, symmetrisch bezüglich der Richtung der Hauptbeanspruchung sind.

4. Apparat nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß das Paar der magnetischen dünnen Metallstreifen (12a, 12b) eine Bandform besitzt.

5. Apparat nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, der ferner gekennzeichnet ist durch ferner: eine Einrichtung zum Anlegen eines vorbestimmten Gleichstrom-Vorspann- Magnetfeldes in der gleichen Richtung wie diejenige eines voraussichtlichen Störungsmagnetfeldes.

6. Apparat nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß das magnetische Metall eine amorphe Legierung ist.

7. Apparat nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß die formmagnetische Anisotropie des magnetischen dünnen Streifens (12a, 12b) ein entmagnetisierendes Faktorverhältnis (Nw:NL) von 2:1 bis 10:1 enthält.