DE19608740A1 - Drehmomentsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Drehmo­ mentsensoren für die Erfassung eines von einer Drehwelle erzeugten Drehmoments und insbesondere einen Drehmoment­ sensor, dessen Empfindlichkeit bei einfacher Konstruktion verbessert ist und bei dem die axialen Genauigkeiten der Bestandteile sowie die axialen Fehler bei der Zusammenfü­ gung dieser Bestandteile die Drehmomenterfassungsgenauig­ keit nur wenig beeinflussen.

Ein herkömmlicher Drehmomentsensor ist aus dem Patent US 4,805,463 bekannt. In diesem herkömmlichen Drehmoment­ sensor ist eine Eingangswelle koaxial und drehbar mit einer Ausgangswelle verbunden. Der Überlappungsabschnitt dieser Wellen ist von einem röhrenförmigen Element aus Aluminium, das verhältnismäßig kurz ist, umgeben. Das röhrenförmige Element, das den Überlappungsabschnitt der Wellen abdeckt, ist axial beweglich, wobei eine relative Bewegung der Eingangswelle zur Ausgangswelle zugelassen ist. Um das röhrenförmige Element ist eine Spule angeord­ net. Eine selbstinduktive elektromotorische Kraft, die in der Spule induziert wird, wird gemessen. Eine relative Drehung (Drehmoment) der Eingangswelle zur Ausgangswelle wird unter Verwendung des Meßergebnisses erfaßt. Wenn das röhrenförmige Element axial bewegt wird, ändert sich die Selbstinduktivität der Spule. Daher kann ein in den Eingangs- und Ausgangswellen erzeugtes Drehmoment unter Verwendung der selbstinduktiven elektromotorischen Kraft der Spule erfaßt werden.

Ein Mechanismus zum Umwandeln der relativen Drehung der ersten Welle zur zweiten Welle in eine axiale Verschie­ bung des röhrenförmigen Elements ist jedoch für den herkömmlichen Drehmomentsensor unabdingbar. Dies führt zu einer Komplexität der Sensorstruktur und zu einer redu­ zierten Zuverlässigkeit des Sensors.

Ferner ist eine ausschließliche axiale Bewegung des röhrenförmigen Elements aus Aluminium unzureichend, um eine schnelle Änderung der Selbstinduktivität der Spule hervorzurufen. Um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen, ist es notwendig, beispielsweise die Anzahl der Windungen der Spule zu erhöhen. Dies führt zu dem Nach­ teil, daß die Größe des Sensors zunimmt.

Außerdem ist ein herkömmliches Lenkhilfesystem mit der folgenden Konstruktion bekannt. In dem Lenkhilfesystem ist in ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs ein Torsions­ stab eingebaut, der in Verdrehungsrichtung elastisch verformbar ist. Zwischen einer ersten und einer zweiten Welle, die über den Torsionsstab miteinander verbunden sind, wird eine zum Lenkdrehmoment proportionale relative Drehung hervorgerufen. Das Lenkdrehmoment wird durch Messen der relativen Drehung erfaßt. Entsprechend dem erfaßten Drehmoment wird ein Hilfsdrehmoment erzeugt. Das Hilfsdrehmoment verringert die von einem Fahrer aufzu­ bringende Kraft. Ein Drehmomentsensor des Typs, in dem eine solche relative Drehung gemessen wird, ist ebenfalls bekannt. In dem Drehmomentsensor wird die Impedanz der Spule in Übereinstimmung mit einem Lenkdrehmoment verän­ dert, wobei das Drehmoment durch Messen der Impedanz der Spule erfaßt wird (siehe z. B. das Patent US 4,996,890).

In dem obenerwähnten Drehmomentsensor ist jedoch die Spule am Gehäuse befestigt, während das Element zum Verändern der Impedanz der Spule an der relativ zum Gehäuse drehbaren Welle befestigt ist. Daher beeinflussen axiale Montagefehler und Herstellungsfehler die Erfas­ sungsgenauigkeit des Drehmomentsensors in hohem Maß. Um eine zufriedenstellende Erfassungsgenauigkeit zu erhal­ ten, muß die Montagegenauigkeit und die Teilegenauigkeit hoch sein. Dies hat den Nachteil eines Anstiegs der Herstellungskosten zur Folge.

Ein weiterer herkömmlicher Drehmomentsensor ist aus dem Patent US 4,356,732 bekannt. In diesem Drehmomentsensor sind zwei röhrenförmige Elemente koaxial zueinander angeordnet, so daß sich eines der röhrenförmigen Elemente relativ zum anderen in Übereinstimmung mit einem in einer Drehwelle erzeugten Drehmoment dreht. In der äußeren Oberfläche des inneren röhrenförmigen Elements sind abwechselnd lange Nuten und Zähne ausgebildet. Im äußeren röhrenförmigen Element sind Ausschnitte ausgebildet, so daß die Überlappungsbereiche der Ausschnitte und der Nuten sich bei einer relativen Drehung der röhrenförmigen Elemente verändern. Um das äußere röhrenförmige Element ist eine Spule angeordnet. Wenn sich die Überlappungsbe­ reiche der Ausschnitte und der Nuten bei einer relativen Drehung der röhrenförmigen Elemente verändern, verändert sich die Impedanz der Spule. Daher kann ein in der Dreh­ welle erzeugtes Drehmoment durch Messen der Impedanz der Spule erfaßt werden.

Der herkömmliche Drehmomentsensor erfaßt ein in der Welle erzeugtes Drehmoment unter Verwendung der Impedanzände­ rung der Spule. In dem Drehmomentsensor erfolgt jedoch die Änderung der Impedanz nicht schnell. Daher ist die Sensorempfindlichkeit nicht zufriedenstellend.

Angesichts der Probleme des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehmo­ mentsensor zu schaffen, dessen Empfindlichkeit bei einfa­ cher Konstruktion erhöht ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehmomentsensor zu schaffen, der einen einfachen Aufbau besitzt und bei dem die axialen Genauigkeiten der Bestandteile sowie die axialen Montagefehler die Drehmo­ menterfassungsgenauigkeit nur in geringem Ausmaß beein­ flussen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehmomentsensor, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt.

Statt wie im Anspruch 1 angegeben können die Drehmomente, die in der ersten bzw. in der zweiten Drehwelle erzeugt werden, auch unter Verwendung der Impedanzänderungen der Spulen erfaßt werden.

Wenn beispielsweise angenommen wird, daß die erste Dreh­ welle eine Eingangswelle ist und die zweite Drehwelle eine Ausgangswelle ist, wird ein Drehmoment von der ersten Drehwelle zur zweiten Drehwelle über den Torsions­ stab übertragen. Somit wird die erste Drehwelle relativ zur zweiten Drehwelle gedreht, wobei der Torsionsstab verdreht wird. Hierbei wird auch eine relative Drehung der ersten Drehwelle zum röhrenförmigen Element hervorge­ rufen. Daher wird der Überlappungsbereich der Nuten der ersten Drehwelle und der Fenster des röhrenförmigen Elements verändert.

Wenn die Überlappungsbereiche der Nuten und der Fenster groß sind, liegen die Bodenflächen der Nuten, nicht jedoch die Oberfläche des umgebenden Abschnitts, durch die Fenster größtenteils frei. In diesen Zustand wird ein verhältnismäßig großer Abschnitt der Oberfläche des umgebenden Abschnitts der ersten Drehwelle aus magneti­ schem Werkstoff äquivalent mit nichtmagnetischem Werk­ stoff abgedeckt. Wenn umgekehrt der Überlappungsbereich klein ist, liegt die Oberfläche des umgebenden Abschnitts durch die Fenster frei. In diesem Zustand ist ein ver­ hältnismäßig kleiner Abschnitt der Oberfläche des umge­ benden Abschnitts der ersten Drehwelle aus magnetischem Werkstoff äquivalent mit leitendem und nichtmagnetischem Werkstoff abgedeckt.

In der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ausdruck "nichtmagnetischer Werkstoff" paramagnetische Werkstoffe sowie einige Arten von diamagnetischen Werkstoffen. Der Ausdruck "magnetischer Werkstoff" hat die Bedeutung eines ferromagnetischen Werkstoffs.

Die Permeabilität des nichtmagnetischen Werkstoffs ist angenähert gleich derjenigen von Luft und kleiner als diejenige des magnetischen Werkstoffs. Wenn ein Magnet­ fluß ein leitendes Material durchquert, wird ein einer Änderung des Magnetflusses entgegenwirkender "Wirbel­ strom" im leitenden Element erzeugt, der ein Magnetfeld entwickelt. Im Ergebnis ist der Magnetfluß im Element nicht gleichmäßig verteilt, sondern im Oberflächenbereich des Elements konzentriert. Das heißt, daß ein sogenannter Hauteffekt ("Skineffekt") hervorgerufen wird. Daher besitzt der aus leitendem und nichtmagnetischem Werkstoff hergestellte Abschnitt Eigenschaften, die einem Ein­ dringen des Magnetflusses stärker als Luft widerstehen.

Wenn die Überlappungsbereiche der Nuten und der Fenster verändert werden und ein Verhältnis des freiliegenden Bereichs der Oberfläche des umgebenden Abschnitts der ersten Drehwelle (ein Verhältnis des vom magnetischen Werkstoff belegten Abschnitts zu dem vom leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff belegten Abschnitt) verändert wird, ändern sich die Selbstinduktivität und die Gegenin­ duktivität schnell entsprechend einer relativen Drehung der ersten Drehwelle zum röhrenförmigen Element, da zwischen der Permeabilität des magnetischen Werkstoffs und derjenigen des leitenden und nichtmagnetischen Werk­ stoffs ein großer Unterschied besteht.

Die elektromotorischen Kräfte der Spulen werden durch die Einrichtung zum Messen der elektromotorischen Kraft gemessen. Ein in der ersten und in der zweiten Welle erzeugtes Drehmoment wird auf der Grundlage des Meßergeb­ nisses erfaßt, da die Selbstinduktivität und die Gegenin­ duktivität sich entsprechend einer relativen Drehung der ersten Drehwelle zum röhrenförmigen Element verändern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht zur Erläuterung der Konstruktion eines Drehmomentsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines im Drehmoment­ sensors verwendeten röhrenförmigen Elements längs der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des röhrenförmigen Elements längs der Linie B-B in Fig. 1;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Baueinheit aus Eingangswelle und Ausgangswelle sowie des daran befestigten röhrenförmigen Elements;

Fig. 5 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Bei­ spiels einer Steuerschaltung für den Motor;

Fig. 6 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Lenkdrehmoment und einem Aus­ gangssignal eines in der Motorsteuerschaltung verwendeten Differenzverstärkers;

Fig. 7 eine Vorderansicht einer Baueinheit aus der Eingangswelle und der Ausgangswelle sowie des daran befestigten röhrenförmigen Elements ge­ mäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung;

Fig. 8 eine Längsschnittansicht zur Erläuterung der Konstruktion eines Drehmomentsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines wichtigen Abschnitts der Ausführungsform von Fig. 8;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines röhrenförmigen Elements und einer Aus­ gangswelle längs der Linie A-A in Fig. 8;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des röhrenförmigen Elements und der Ausgangswelle längs der Linie B-B in Fig. 8;

Fig. 12 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Schlüsselabschnitts der dritten Ausfüh­ rungsform, die zur Darstellung seiner Abmes­ sungen nützlich ist;

Fig. 13 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Bei­ spiels einer Steuerschaltung zum Steuern ei­ nes Motors;

Fig. 14 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehungen zwischen den Lenkdrehmomenten und der Induk­ tivität der Spulen;

Fig. 15 einen Graphen, bei dem auf der Abszisse die axiale Verschiebung der Zentren der Spulen und der Joche gegenüber den Zentren der Fen­ ster aufgetragen ist und auf der Ordinate die Impedanz-Änderungsrate aufgetragen ist;

Fig. 16 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines röhrenförmigen Elements und einer Aus­ gangswelle gemäß einer vierten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 17 einen weiteren Querschnitt zur Erläuterung des röhrenförmigen Elements und der Ausgangs­ welle gemäß der vierten Ausführungsform;

Fig. 18 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Lenkdrehmomenten und den Spu­ leninduktivitäten;

Fig. 19 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Abmessungen der jeweiligen Ab­ schnitte und einem Empfindlichkeitsverhält­ nis;

Fig. 20 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Abmessungen der jeweiligen Ab­ schnitte und einem Empfindlichkeitsverhältnis in einem breiteren Bereich als in Fig. 19;

Fig. 21, 22 Querschnitte zur Erläuterung eines röhrenför­ migen Elements und einer Ausgangswelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 23 einen Graphen, der ein Empfindlichkeitsver­ hältnis gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein herkömmliches Empfindlichkeitsverhältnis im Vergleich zeigt;

Fig. 24 ein Diagramm, das die Konfiguration der Nuten der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die in der Messung verwendet wird; und

Fig. 25 ein Diagramm, das die Konfiguration der Nuten des bei der Messung verwendeten herkömmlichen Drehmomentsensors zeigt.

In den Fig. 1 bis 6 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Drehmomentsensor in ein motorge­ triebenes Lenkhilfesystem für Kraftfahrzeuge eingebaut.

Zunächst wird die Konstruktion des Drehmomentsensors beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt, die einen Längs­ schnitt eines Abschnitts eines Fahrzeug-Lenksystems darstellt, sind eine Eingangswelle 1 und eine Ausgangs­ welle 2 koaxial und relativ zueinander drehbar angeord­ net. Diese Wellen sind über einen Torsionsstab 3 mitein­ ander verbunden. Die Eingangswelle 1 und die Ausgangs­ welle 2 sind aus einem magnetischen Werkstoff wie etwa Eisen hergestellt.

Ein (nicht gezeigtes) Lenkrad ist mit dem rechten Ende (bei Betrachtung von Fig. 1) der Eingangswelle 1 drehfest verbunden und in Drehrichtung der Wellen angeordnet. Eine Ritzelwelle, die einen Teil eines bekannten Zahnstangen- Lenksystems bildet, ist beispielsweise mit dem linken Ende (bei Betrachtung von Fig. 1) der Ausgangswelle 2 verbunden. Bei dieser Konstruktion wird eine Lenkkraft, die erzeugt wird, wenn ein Fahrer das Lenkrad dreht, an die (nicht gezeigten) einzuschlagenden Räder über die Eingangswelle 1, den Torsionsstab 3, die Ausgangswelle 2 und das Zahnstangen-Lenksystem übertragen.

In derjenigen Stirnfläche der Ausgangswelle 2, die sich näher an der Eingangswelle 1 befindet, ist eine Nut 2a ausgebildet. Die Nut 2a erstreckt sich in radialer Rich­ tung vom Abschnitt, in den der Torsionsstab 3 eingescho­ ben ist. Die Nut 2a nimmt einen vorstehenden Abschnitt 1a auf, der von der Stirnfläche der Eingangswelle vor­ steht, die sich näher an der Ausgangswelle 2 befindet. Die Weite (Abmessung bei Betrachtung in Umfangsrichtung) der Nut 2a ist etwas größer als diejenige des vorstehen­ den Abschnitts 1a. Dadurch ist eine relative Drehung der Eingangswelle 1 zur Ausgangswelle 2 auf einen vorgegebe­ nen Winkelbereich (z. B. ungefähr ± 5°) eingeschränkt.

Die Ausgangswelle 2 empfängt beispielsweise über ein Schneckenrad eine Drehkraft eines (nicht gezeigten) elektrisch betriebenen Motors. Das heißt, durch geeignete Steuerung der Richtung und der Amplitude eines dem Motor zugeführten Antriebsstroms wird an die Ausgangswelle 2 ein Hilfsdrehmoment mit gewünschter Richtung und ge­ wünschter Größe angelegt.

Auf der äußeren Umfangsfläche eines Abschnitts der Ein­ gangswelle 1, der sich näher an der Ausgangswelle 2 befindet, ist ein Abschnitt 1A mit großem Durchmesser ausgebildet. Der Abschnitt 1A mit großem Durchmesser ist koaxial zur Eingangswelle 1 angeordnet. Um die äußere Umfangsfläche des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser und nahe an dieser Umfangsfläche ist ein dünnes röhren­ förmiges Element 4 angeordnet.

Das röhrenförmige Element 4 ist aus einem leitendem und nichtmagnetischen Werkstoff (z. B. Aluminium) herge­ stellt. An der Innenseite des linken Endabschnitts (in Fig. 1) des röhrenförmigen Elements 4 ist ein Abschnitt 4A mit kleinem Durchmesser vorgesehen. Der Abschnitt 4A mit kleinem Durchmesser nimmt die Ausgangswelle 2 auf und ist zu dieser koaxial. Durch diese Kopplung ist das röhrenförmige Element 4 mit der Ausgangswelle 2 drehfest verbunden.

In einem Teil (der sich vom Abschnitt 4A mit kleinem Durchmesser weiter entfernt befindet) des dünnen Ab­ schnitts des röhrenförmigen Elements 4, der den Abschnitt 1A mit großem Durchmesser umgibt, sind mehrere (sechs in der vorliegenden Ausführungsform) Fenster 4a, . . . , 4a mit rechtwinkliger Form ausgebildet. Diese Fenster sind im wesentlichen im gleichen Abstand in Umfangsrichtung aufgereiht. Ähnlich sind in einem Teil (der sich näher am Abschnitt 4A mit kleinem Durchmesser befindet) des dünnen Abschnitts des röhrenförmigen Elements 4 mehrere (sechs in der vorliegenden Ausführungsform) Fenster 4b, . . . , 4b mit rechtwinkliger Form (die die gleiche Form wie die Fenster 4a besitzen) ausgebildet. Diese Fenster sind im wesentlichen im gleichen Abstand in Umfangsrichtung aufgereiht und von den Fenstern 4a, . . . , 4a bei Betrach­ tung in Umfangsrichtung um 180° phasenverschoben.

Genauer ist die Umfangsfläche des röhrenförmigen Elements 4 gleichmäßig in zwölf Segmente unterteilt. In jedem zweiten Segmentbereich ist eines der rechtwinkligen Fenster 4a, . . . , 4a ausgebildet. In jedem zweiten Seg­ mentbereich, die zu den die Fenster 4a, . . . , 4a aufwei­ senden Segmentbereichen in Umfangsrichtung um einen Seg­ mentbereich versetzt sind, sind die rechtwinkligen Fen­ ster 4b, . . . , 4b ausgebildet, so daß sich die Fenster 4b zwischen den Fenstern 4a befinden und umgekehrt.

In einem Abschnitt (in den Fenstern 4a) des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser (der von dem röhrenförmigen Ele­ ment umgeben ist) der Eingangswelle 1 sind mehrere (sechs in der vorliegenden Ausführungsform) Nuten 5a, . . . , 5a ausgebildet. Die Nuten sind bei Betrachtung von oben rechtwinklig geformt (mit der gleichen Form wie die Fenster 4a). Diese Nuten sind in gleichem Abstand in Umfangsrichtung angeordnet. Ähnlich sind in den Fenstern 4b mehrere (sechs in der vorliegenden Ausführungsform) Nuten 5b, . . . , 5b ausgebildet. Die Nuten sind bei Be­ trachtung von oben jeweils rechtwinklig geformt (mit der gleichen Form wie die Nuten 5a). Diese Nuten sind in Umfangsrichtung ebenfalls in gleichem Abstand angeordnet.

Das röhrenförmige Element 4 und die Nuten 5a sind so angeordnet, daß dann, wenn keine relative Drehung der Eingangswelle 1 zur Ausgangswelle 2 erfolgt (das Lenk­ drehmoment ist null), die Hälfte jedes Fensters 4a mit der Hälfte jeder Nut 5a überlappt, wie in Fig. 2, einem Querschnitt der Eingangswelle 1 und des röhrenförmigen Elements 4 längs der Linie A-A in Fig. 1, gezeigt ist. Wenn daher das Lenkdrehmoment null ist, überlappt auch die Hälfte jedes Fensters 4b mit der Hälfte jeder Nut 5a, wie in Fig. 3, einem Querschnitt der Eingangswelle 1 und des röhrenförmigen Elements 4 längs der Linie B-B in Fig. 1, gezeigt ist. Die Fenster 4a und 4b sind außer Phase oder um 180° zueinander phasenverschoben. Dann ist ein Überlappungszustand des Fensters 4a und der Nut 5a einem Überlappungszustand jedes Fensters 4b und jeder Nut 5b in bezug auf die zugehörige Nut entgegengesetzt, wie aus den Fig. 2 und 3 sowie aus Fig. 4 hervorgeht, die eine Seitenansicht der Baueinheit aus Eingangswelle 1, Ausgangswelle 2 und dem daran befestigten röhrenförmigen Element 4 hervorgeht.

Das röhrenförmige Element 4 ist von einem Joch 9 umgeben, das aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist und einen Spulenträger 12 trägt. Um den Spulenträger 12 sind Spulen 10 und 11 gewickelt, die im wesentlichen gleiche technische Spezifikationen besitzen. Die Spulen 10 und 11 sind koaxial zum röhrenförmigen Element 4 angeordnet. Die Spule 10 ist um den Spulenträger 12 so gewickelt, daß sie den Abschnitt des röhrenförmigen Elements 4 umgibt, in dem die Fenster 4a ausgebildet sind. Die Spule 11 ist um den Spulenträger 12 so gewickelt, daß sie den Abschnitt des röhrenförmigen Elements 4 umgibt, in dem die Fenster 4b ausgebildet sind.

Die Spulen 10 und 11 sind mit einer in einem nicht ge­ zeigten Sensorgehäuse enthaltenen Motorsteuerschaltung verbunden. Die Motorsteuerschaltung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält einen Oszillator 21, eine Gleich­ richtungs-/Glättungsschaltung 22, eine weitere Gleich­ richtungs-/Glättungsschaltung 23, Differenzverstärker 24A und 24B, Rauschbeseitigungsfilter 25A und 25B, eine Drehmomentberechnungseinrichtung 26 und eine Motoran­ triebseinrichtung 27. Der Oszillator 21 liefert an die Spulen 10 und 11 einen Wechselstrom mit vorgegebener Frequenz. Die Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 22 führt an der selbstinduktiven elektromotorischen Kraft der Spule 10 eine Gleichrichtung und eine Glättung aus. Die Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 23 führt an der selbstinduktiven elektromotorischen Kraft der Spule 11 eine Gleichrichtung und eine Glättung aus. Die Differenz­ verstärker 24A und 24B verstärken jeweils die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Gleichrichtungs-/Glättungs­ schaltungen 22 bzw. 23. Das Rauschbeseitigungs­ filter 25A entfernt aus dem Ausgangssignal des Differenz­ verstärkers 24A eine Hochfrequenz-Rauschkomponente. Das Rauschbeseitigungsfilter 25B entfernt aus dem Ausgangs­ signal des Differenzverstärkers 24B eine Hochfrequenz- Rauschkomponente. Die Drehmomentberechnungseinrichtung 26 berechnet die Richtung und die Größe der relativen Win­ kelverschiebung der Eingangswelle 1 zum röhrenförmigen Element 4 auf der Grundlage des Mittelwerts beispiels­ weise der Ausgangssignale der Rauschbeseitigungsfilter 25A und 25B und multipliziert das Ergebnis mit einem vorgegebenen Koeffizienten, um dadurch ein im Lenksystem erzeugtes Lenkdrehmoment zu erhalten. Die Motoran­ triebseinrichtung 27 liefert an den Motor einen Treiber­ strom I, um ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen, das ein Lenkdrehmoment reduziert. Der Treiberstrom I wird auf der Grundlage des Ergebnisses der Berechnung durch die Drehmomentberechnungseinrichtung 26 bestimmt.

Nun wird die Funktionsweise der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Es wird angenommen, daß das Lenksystem sich im Zustand einer Geradeausfahrt befindet und daß das Lenkdrehmoment null ist. Dann wird keine relative Drehung der Eingangs­ welle 1 zur Ausgangswelle 2 hervorgerufen. Daher wird auch keine relative Drehung der Eingangswelle 1 zum röhrenförmigen Element 4 hervorgerufen.

Wenn das Lenkrad und daher die Eingangswelle 1 gedreht werden, wird eine erzeugte Drehkraft zur Ausgangswelle 2 über den Torsionsstab 3 übertragen. Hierbei wird in der Ausgangswelle 2 ein Widerstand hervorgerufen. Der Wider­ stand hängt von einer Reibungskraft, die zwischen den eingeschlagenen Rädern und dem Boden hervorgerufen wird, sowie von einer Reibungskraft ab, die an den Zahnrädern des nicht gezeigten Zahnstangen-Lenksystems hervorgerufen wird, das am linken Ende (Fig. 1) der Ausgangswelle 2 angeordnet ist. Durch den Widerstand wird der Torsions­ stab 3 verdreht, so daß die Ausgangswelle 2 entsprechend der Eingangswelle 1 gedreht wird. Dies hat eine relative Drehung der Eingangswelle 1 zum röhrenförmigen Element 4 zum Ergebnis.

Wenn z. B. ein Lenkdrehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird (Lenkdrehmoment, das erzeugt wird, wenn das Lenkrad im Uhrzeigersinn gedreht wird), wird der Überlappungsbe­ reich des Fensters 4a und der Nut 5a im Vergleich zum Lenkdrehmoment null verkleinert, während der Überlap­ pungsbereich des Fensters 4b und der Nut 5b vergrößert wird. Wenn andererseits ein Lenkdrehmoment im Gegenuhr­ zeigersinn erzeugt wird (ein Lenkdrehmoment, das erzeugt wird, wenn das Lenkrad im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird), wird der Überlappungsbereich des Fensters 4a und der Nut 5a im Vergleich zum Lenkdrehmoment null vergrö­ ßert, während der Überlappungsbereich des Fensters 4b und der Nut 5b verkleinert wird.

Die Überlappungsabschnitte der Fenster 4a und der Nuten 5a und jene der Fenster 4b und der Nuten 5b ermöglichen, daß die Bodenflächen der Nuten 5a und 5b, nicht jedoch die Oberfläche des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser, freiliegen. Mit anderen Worten, ein Verhältnis des Ab­ schnitts der Oberfläche des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser, der durch die Fenster 4a und 4b freiliegt, zu dem Abschnitt, der von dem aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff hergestellten röhrenförmigen Element 4 umgeben ist, verändert sich in Abhängigkeit vom Lenkdrehmoment. Genauer, wenn das Lenkdrehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird, nimmt dieses Verhältnis des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser bei zunehmendem Lenkdrehmoment auf der Innenseite der Spule 10 zu, wäh­ rend es an der Innenseite der Spule 11 abnimmt. Wenn ein Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird, nimmt dieses Verhältnis des Abschnitts 1A mit großem Durchmes­ ser bei zunehmendem Lenkdrehmoment an der Innenseite der Spule 10 ab, während es an der Innenseite der Spule 11 zunimmt.

Der Abschnitt 1A mit großem Durchmesser besitzt gegenüber dem Eindringen des Magnetflusses einen geringeren Wider­ stand als das röhrenförmige Element 4. Wenn daher das Lenkdrehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird, nimmt die Selbstinduktivität der Spule 10 zu, während die Selbstin­ duktivität der Spule 11 abnimmt. Folglich ist die selbst­ induktive elektromotorische Kraft der Spule 10 groß, die selbstinduktive elektromotorische Kraft der Spule 11 ist jedoch klein. Wenn das Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeiger­ sinn erzeugt wird, nimmt die Selbstinduktivität der Spule 10 ab, während die Selbstinduktivität der Spule 11 zu­ nimmt. Folglich ist die selbstinduktive elektromotorische Kraft der Spule 10 klein, während die selbstinduktive elektromotorische Kraft der Spule 11 groß ist.

Daher verändert sich das Ausgangssignal jeder der Diffe­ renzverstärker 24A und 24B, wovon jeder die Differenz zwischen den Spulen 10 und 11 empfängt, im wesentlichen linear entsprechend der Richtung und der Größe des Lenk­ drehmoments. Das in jedem der Differenzverstärker 24A und 24B verstärkte Signal stellt die Differenz zwischen den von den Gleichrichtungs-/Glättungsschaltungen 22 bzw. 23 ausgegebenen Signalen dar. Daher können die Veränderungen der Selbstinduktivität, die durch eine Temperaturverände­ rung hervorgerufen werden, kompensiert werden.

Die Drehmomentberechnungseinrichtung 26 berechnet einen Mittelwert der von den Differenzverstärkern 24A und 24B über die Rauschbeseitigungsfilter 25A bzw. 25B empfange­ nen Ausgangssignale, multipliziert das Ergebnis mit einer vorgegebenen Proportionalitätskonstante und liefert das Ergebnis an die Motorantriebseinrichtung 27. Die Motoran­ triebseinrichtung 27 liefert an den Motor einen auf der Richtung und der Größe des Lenkdrehmoments basierenden Treiberstrom I.

Dann wird auf der Grundlage der Richtung und der Größe des im Lenksystem erzeugten Lenkdrehmoments eine Dreh­ kraft im Motor erzeugt. Die Drehkraft wird über das Schneckenrad und dergleichen zur Ausgangswelle 2 übertra­ gen. Im Ergebnis wird an die Ausgangswelle 2 ein Hilfs­ lenkdrehmoment zusätzlich ausgeübt, so daß das vom Fahrer aufzuwendende Lenkdrehmoment verringert wird.

Wenn das aus leitendem und nichtmagnetischem Werkstoff hergestellte röhrenförmige Element 4 ein Wechselfeld durchquert, wird im röhrenförmigen Element 4 ein Wirbel­ strom hervorgerufen. Dadurch kann der Magnetfluß nur schwer durch das röhrenförmige Element 4 verlaufen. Im Ergebnis stellt das röhrenförmige Element 4 dem Eindrin­ gen des Magnetfluß einen größeren Widerstand als Luft entgegen. Andererseits ist der Abschnitt 1A mit großem Durchmesser der Eingangswelle 1 aus magnetischem Werk­ stoff hergestellt und stellt daher dem Eindringen des Magnetflusses einen geringeren Widerstand (als Luft) entgegen. Daher verändert die Änderung des obengenannten Verhältnisses der freiliegenden Flächen des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser die Selbstinduktivität der Spulen 10 und 11 schnell. Folglich ändern sich auch die Aus­ gangssignale der Differenzverstärkersignale 24A und 24B schnell, wodurch die Sensorempfindlichkeit erhöht wird. Wenn dagegen kein Bedarf an einer Erhöhung der Sensoremp­ findlichkeit besteht, kann die Größe der Spulen 10 und 11 reduziert werden, indem die Anzahl der Windungen der Spulen verringert wird.

Der durch das röhrenförmige Element 4 verlaufende Magnet­ fluß ist in der Haut oder dem Oberflächenbereich des röhrenförmigen Elements 4, der sich nahe an den Spulen 10 und 11 befindet, wegen des Skineffekts, der seinerseits durch den Wirbelstrom im röhrenförmigen Element 4 hervor­ gerufen wird, konzentriert. Unter der Annahme, daß die Frequenz des an die Spulen 10 und 11 gelieferten Wechsel­ stroms durch f gegeben ist, die Permeabilität des Materi­ als des röhrenförmigen Elements 4 durch µ gegeben ist und die elektrische Leitfähigkeit des Materials durch σ gegeben ist, ist die Dicke δ der Haut, in der der Magnet­ fluß konzentriert ist, durch die folgende Gleichung (1) gegeben:

Ein Wert, der gleich δ oder größer ist, wobei δ nach der obigen Gleichung (1) berechnet wird, reicht für die Dicke des röhrenförmigen Elements 4 aus. Daher kann der Außen­ durchmesser des Sensorabschnitts, der das röhrenförmige Element 4 enthält, reduziert werden. Falls das röhrenför­ mige Element 4 dünn ist, können die äußeren Abmessungen des Sensors erheblich reduziert werden, so daß auch der Abstand von den Spulen 10 und 11 zum Abschnitt 1A mit großem Durchmesser reduziert werden kann. Folglich wird die Sensorempfindlichkeit weiter erhöht.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, sind die Abmessungen des Abschnitts, in dem der Drehmo­ mentsensor angeordnet ist, weiter reduziert (dünner). Wenn der Drehmomentsensor in einem Kraftfahrzeug verwen­ det wird, bei dem der Anbringungsraum begrenzt ist, ist die vorliegende Ausführungsform besonders nützlich.

Weiterhin erfordert der Drehmomentsensor gemäß der vor­ liegenden Erfindung nicht den Mechanismus zum Umsetzen einer relativen Drehbewegung der Eingangswelle 1 zur Ausgangswelle 2 in eine geradlinige Bewegung. Daher ist die Konstruktion des Drehmomentsensors einfach, außerdem wird die Genauigkeit des Sensors verbessert.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Ein­ gangswelle 1 einer ersten Drehwelle; die Ausgangswelle 2 einer zweiten Drehwelle und der Abschnitt 1A mit großem Durchmesser einem umgebenen Abschnitt aus magnetischem Werkstoff. Der Oszillator 21, die Gleichrichtungs-/Glättungs­ schaltungen 22 und 23 sowie die Differenzver­ stärker 24A und 24B bilden die Einrichtung zum Messen der elektromotorischen Kraft.

In Fig. 7 ist eine zweite Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung gezeigt. Ähnlich wie in Fig. 4, in der die erste Ausführungsform gezeigt ist, ist Fig. 7 eine Vor­ deransicht der Baueinheit der Ausgangswelle 1, der Aus­ gangswelle 2 und dem daran befestigten röhrenförmigen Element 4. In Fig. 7 sind gleiche oder äquivalente Ab­ schnitte mit den gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform bezeichnet.

In der ersten Ausführungsform werden zwei Gruppen von Nuten 5a, . . . , 5a bzw. 5b, . . . , 5b, die axial voneinander getrennt sind, verwendet. In der zweiten Ausführungsform wird anstelle der zwei Gruppen von Nuten eine einzige Gruppe von Nuten 5c, . . . , 5c verwendet. Daher sind die Herstellungskosten geringer. Andere nützliche Wirkungen der ersten Ausführungsform werden auch mit der zweiten Ausführungsform erhalten.

Die obigen Ausführungsformen verwenden jeweils zwei Verstärker-/Filtersysteme; ein Paar von Differenzverstär­ kern 24A und 24B sowie ein Paar von Rauschbeseitigungs­ filtern 25A und 25B, die die Zuverlässigkeit verbessern.

Es kann auch lediglich ein Verstärkungs-/Filtersystem verwendet werden, falls die Zuverlässigkeit der jeweili­ gen Schaltungen zufriedenstellend ist. Gegebenenfalls können auch drei Verstärkungs-/Filtersysteme verwendet werden.

In den obenerwähnten Ausführungsformen wird der erfin­ dungsgemäße Drehmomentsensor in einem motorgetriebenen Lenkhilfesystem für Kraftfahrzeuge verwendet, die Anwen­ dung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.

Die Ausführungsformen sind jeweils so konstruiert, daß die selbstinduktiven elektromotorischen Kräfte der Spulen 10 und 11 gemessen werden. Es kann jedoch auch eine gegeninduktive elektromotorische Kraft gemessen werden, wenn eine Oszillatorspule vorgesehen wird. Ferner kann das Drehmoment unter Verwendung der selbstinduktiven elektromotorischen Kraft einer Spule oder der gegeninduk­ tiven elektromotorischen Kraft ohne Verwendung der Diffe­ renz zwischen den Signalen von den zwei Spulen erfaßt werden.

Wie oben beschrieben, sind in der ersten und in der zweiten Ausführungsform im röhrenförmigen Element, das aus leitendem und nichtmagnetischem Werkstoff hergestellt ist, Fenster ausgebildet, wobei das röhrenförmige Element zusammen mit einer zweiten Drehwelle gedreht wird. Wenig­ stens ein vom röhrenförmigen Element umgebener Abschnitt einer ersten Drehwelle ist aus einem magnetischen Werk­ stoff hergestellt. Im umgebenen Abschnitt sind axial verlaufende Nuten ausgebildet. Eine Veränderung des Überlappungsbereichs des Fensters und der Nut wird anhand der elektromotorischen Kraft der Spule gemessen. Ein in der ersten und in der zweiten Drehwelle erzeugtes Drehmo­ ment wird auf der Grundlage des Meßergebnisses erfaßt.

Daher werden die Wirkungen erhalten, daß die Erfassung des Drehmoments mit hoher Genauigkeit bei einem einfachen Aufbau und kompakten Abmessungen der Vorrichtung aus ge­ führt werden kann.

Nun wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 8 ist eine Längsschnittansicht der Gesamtkonstruk­ tion der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung. In dieser Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Drehmomentsensor in ein motorbetriebenes Lenkhilfesystem für Kraftfahrzeuge eingebaut.

Zunächst wird die Konstruktion des Drehmomentsensors beschrieben. Wie in Fig. 8 gezeigt, sind eine Eingangs­ welle 102 und eine Ausgangswelle 103, die über einen Torsionsstab 104 miteinander gekoppelt sind, durch Lager 105a und 105b in einem Gehäuse 101 drehbar unterstützt. Die Eingangs- und Ausgangswelle 102 und 103 sowie der Torsionsstab 104 sind koaxial angeordnet. Die Eingangs­ welle 102 und der Torsionsstab 104 sind über eine Hülse 102A, mit der die Enden dieser Komponenten über Keilnuten verbunden sind, drehfest verbunden. Das andere Ende des Torsionsstabs 104 ist mit der Ausgangswelle 103 über Keilnuten und daher drehfest verbunden. Die Eingangswelle 102 und die Ausgangswelle 103 sind aus einem magnetischen Werkstoff, z. B. Eisen, hergestellt.

Mit dem rechten Ende (bei Betrachtung von Fig. 8) der Eingangswelle 102 ist ein (nicht gezeigtes) Lenkrad drehfest verbunden und in Drehrichtung der Wellen ange­ ordnet. Beispielsweise ist mit dem linken Ende (bei Betrachtung von Fig. 8) der Ausgangswelle 103 eine Rit­ zelwelle, die einen Teil eines bekannten Zahnstangen- Lenksystems bildet, verbunden. Bei dieser Konstruktion wird eine Lenkkraft, die erzeugt wird, wenn ein Fahrer das Lenkrad dreht, an die einzuschlagenden Räder (nicht gezeigt) über die Eingangswelle 102, den Torsionsstab 104, die Ausgangswelle 103 und das Zahnstangen-Lenksystem übertragen.

Die Hülse 102A, die am Endabschnitt der Eingangswelle 102 befestigt ist, ist lang genug, um die äußere Umfangsflä­ che des Endes der Ausgangswelle 103 abzudecken. An der inneren Umfangsfläche eines Abschnitts der Hülse 102A, der die äußere Umfangsfläche des Endabschnitts der Aus­ gangswelle 103 abdeckt, sind mehrere erhöhte, axial verlaufende Stege 102a ausgebildet. An der äußeren Um­ fangsfläche der Ausgangswelle 103, die dem erhöhten Steg 102a zugewandt ist, sind mehrere axial verlaufende Nuten 103a (deren Anzahl derjenigen der erhöhten Stege 102a entspricht) ausgebildet. Die erhöhten Stege 102a sind in die entsprechenden Nuten 103a mit einem geringen Spiel in Umfangsrichtung eingesetzt. Dadurch ist eine relative Drehung der Eingangswelle 102 zur Ausgangswelle 103 auf einen vorgegebenen Winkelbereich (z. B. ungefähr ± 5°) eingeschränkt.

An der Ausgangswelle 103 ist koaxial ein Schneckenrad 106 so angebracht, daß es zusammen mit der Ausgangswelle 103 drehbar ist. Ein Eingriffabschnitt 106a (aus Harz herge­ stellt) des Schneckenrades 106 ist mit einer Schnecke 107b, das an der äußeren Umfangsfläche der Ausgangswelle 107a eines elektrisch angetriebenen Motors 107 ausgebil­ det ist, in Eingriff. Eine Drehkraft des Motors 107 wird an die Ausgangswelle 103 über die Ausgangswelle 107a, die Schnecke 107b und das Schneckenrad 106 übertragen. Ein Hilfslenkdrehmoment mit geeigneter Richtung wird an die Ausgangswelle 103 angelegt, indem die Drehrichtung des Motors 7 geeignet geändert wird.

An der Hülse 102A, die mit der Eingangswelle 102 fest verbunden ist, ist ein dünnes, röhrenförmiges Element 108 in der Weise befestigt, daß es die äußere Umfangsfläche der Ausgangswelle 103 eng umgibt.

Das röhrenförmige Element 108 ist aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff (z. B. Aluminium) herge­ stellt. Fig. 9 zeigt perspektivisch das röhrenförmige Element 108 (das als "umgebender Abschnitt" bezeichnet wird) sowie die vom röhrenförmigen Element 108 umgebene Ausgangswelle 103, wobei ein Teil des umgebenden Ab­ schnitts, der sich näher an der Hülse 102A befindet, mehrere (neun in der vorliegenden Ausführungsform) recht­ winklige Fenster 108a, . . . , 108a enthält, die in Umfangs­ richtung gleichmäßig beabstandet angeordnet sind. Ein weiterer Teil des umgebenden Abschnitts, der sich weiter entfernt von der Hülse 102A befindet, enthält mehrere (neun in der vorliegenden Ausführungsform) rechtwinklige Fenster 108b, . . . , 108b (mit derselben Form wie die Fenster 108a), die in Umfangsrichtung in gleichmäßigem Abstand angeordnet sind und relativ zu den Fenstern 108a bei Betrachtung in Umfangsrichtung um 180° phasenverscho­ ben sind. In der äußeren Umfangsfläche des Abschnitts der Ausgangswelle 103, der vom röhrenförmigen Element 108 umgeben ist, sind mehrere (gleiche Anzahl wie die Fenster 108a und 109a, also neun) Nuten 103A mit ungefähr recht­ winkligem Querschnitt und axialem Verlauf ausgebildet.

Die Einzelheiten dieses Aufbaus werden mit Bezug auf Fig. 10, die einen Querschnitt des röhrenförmigen Ele­ ments 108 und der Ausgangswelle 103 längs der Linie A-A in Fig. 8 zeigt, sowie mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben, die einen Querschnitt des röhrenförmigen Elements 108 und der Ausgangswelle 103 längs der Linie B-B in Fig. 8 zeigt. Wie gezeigt, ist die äußere Oberfläche des röhren­ förmigen Elements 108 in N (N = neun in der vorliegenden Ausführungsform) Segmente unterteilt. Ein Winkel zwischen Linien, die vom Zentrum des röhrenförmigen Elements 108 bei Betrachtung im Querschnitt in radialer Richtung zu den beiden Enden jedes Segments verlaufen, ist als Peri­ odenwinkel 0 (= 360/N, θ = 40° in der vorliegenden Aus­ führungsform) definiert. Ein Bereich, innerhalb dessen eine relative Drehung des röhrenförmigen Elements 108 zur Ausgangswelle 103 (der Eingangswelle 102 zur Ausgangs­ welle 103) erlaubt ist, ist durch einen Winkel c defi­ niert ist.

Das röhrenförmige Element 108 ist von Jochen 109A und 109B umgeben, um die Spulen 110 bzw. 111 mit im wesentli­ chen gleichen technischen Spezifikationen gewickelt sind. Diese Spulen 110 und 111 sind koaxial zum röhrenförmigen Element 108 angeordnet. Die Spule 110 ist um das Joch 109A gewickelt, so daß sie den Abschnitt des röhrenförmi­ gen Elements 108 mit den darin ausgebildeten Fenstern 108a umgibt. Ebenso ist die Spule 111 um das Joch 109B gewickelt, so daß sie den Abschnitt des röhrenförmigen Elements 108 mit den darin ausgebildeten Fenstern 108b umgibt. Die Joche 109A und 109B sind am Gehäuse 101 befestigt. Im Gehäuse 101 ist ein Raum, in dem das Schneckenrad 106 angeordnet ist, von einem Raum, in dem die Joche 108A und 109B angeordnet sind, durch eine Öldichtung 112 getrennt. Die Anordnung der Öldichtung 112 verhindert, daß sich Schmiermittel, das dem Eingriffteil des Schneckenrads 106 und des Motors 107 zugeführt wird, zu den Jochen 109A und 109B bewegt. Die vorliegende Ausführungsform ist so beschaffen, daß sie die folgende Gleichung (2) erfüllt:

A < Lw < B (2)

wobei A: axiale Länge der Spule 111
B: axiale Länge des Jochs 109B
Lw: axiale Länge des Fensters 108b (siehe Fig. 12).

Obwohl nicht genau erläutert, besitzt die Spule 110 die gleiche Konfiguration wie die Spule 111; besitzt das Joch 109A die gleiche Konfiguration wie das Joch 109B; und besitzt das Fenster 108a die gleiche Form wie das Fenster 108b. Daher gilt Gleichung (2) auch für die axiale Länge A der Spule 110, die axiale Länge B des Jochs 109A und die axiale Länge Lw des Fensters 108a.

Die Spulen 110 und 111 sind mit einer auf einer Steuer­ karte 114 eines Sensorgehäuses 113 angebrachten Motor­ steuerschaltung verbunden. Die Motorsteuerschaltung, die in Fig. 13 gezeigt ist, enthält einen Oszillator 121, eine Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 122, eine wei­ tere Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 123, Differenz­ verstärker 124A und 124B, Rauschbeseitigungsfilter 125A und 125B, eine Drehmomentberechnungseinrichtung 126 sowie eine Motorantriebseinrichtung 127. Der Oszillator 121 liefert an die Spulen 110 und 111 über eine Konstant­ stromschaltung 120 einen Wechselstrom mit einer vorgege­ benen Frequenz. Die Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 122 führt an der selbstinduktiven elektromotorischen Kraft der Spule 110 eine Gleichrichtung und eine Glättung aus. Die Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 123 führt an der selbstinduktiven elektromotorischen Kraft der Spule 111 eine Gleichrichtung und eine Glättung aus. Die Diffe­ renzverstärker 124A und 124B verstärken jeweils die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Gleichrich­ tungs-/Glättungsschaltungen 122 und 123. Das Rauschbesei­ tigungsfilter 125A beseitigt eine Hochfrequenz-Rauschkom­ ponente aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 124A. Das Rauschbeseitigungsfilter 125B beseitigt eine Hochfrequenz-Rauschkomponente aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 124B. Die Drehmomentberechnungsein­ richtung 126 berechnet die Richtung und die Größe einer relativen Winkelverschiebung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Element 108 auf der Grundlage beispiels­ weise des Mittelwerts der Ausgangssignale der Rauschbe­ seitigungsfilter 124A und 124B und multipliziert das Ergebnis mit einem vorgegebenen Koeffizienten, um dadurch ein Lenkdrehmoment zu erhalten, das im Lenksystem erzeugt wird. Die Motorantriebseinrichtung 127 liefert an den Motor einen Treiberstrom I, um ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen, das das Lenkdrehmoment reduziert. Der Treiber­ strom I wird durch das Ergebnis der Berechnung durch die Drehmomentberechnungseinrichtung 126 bestimmt.

Nun wird die Funktionsweise dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Es wird angenommen, daß sich das Lenksystem im Zustand einer Geradeausfahrt befindet und daß das Lenkdrehmoment null ist. Dann wird keine relative Drehung der Eingangs­ welle 102 zur Ausgangswelle 103 hervorgerufen. Daher wird auch keine relative Drehung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Element 108 hervorgerufen.

Wenn das Lenkrad und daher die Eingangswelle 102 gedreht werden, wird eine erzeugte Drehkraft über den Torsions­ stab 104 zur Ausgangswelle 103 übertragen. Hierbei wird in der Ausgangswelle 103 ein Widerstand hervorgerufen. Der Widerstand hängt von der Reibungskraft, die zwischen den eingeschlagenen Rädern und dem Boden hervorgerufen wird, sowie von einer Reibungskraft im Eingriffabschnitt, in dem die Ausgangswelle 103 mit den Zahnstangen-Lenksys­ tem gekoppelt ist, ab. Durch den Widerstand wird der Torsionsstab 104 verdreht, so daß die Ausgangswelle 103 der Eingangswelle 102 folgend gedreht wird. Dies hat eine relative Drehung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Element 108 zur Folge.

Wenn beispielsweise ein Lenkdrehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird (Lenkdrehmoment, das erzeugt wird, wenn das Lenkrad im Uhrzeigersinn gedreht wird), wird das röhren­ förmige Element 108 in den Fig. 10 und 11 im Gegenuhrzei­ gersinn gedreht, so daß der Überlappungsbereich des Fensters 108a und des erhöhten Teils 103B im Vergleich zu dem Fall, in dem das Lenkdrehmoment null ist, vergrößert wird, während der Überlappungsbereich des Fensters 108b und des erhöhten Teils 103B verkleinert wird. Wenn ein Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird (Lenkdrehmoment, das erzeugt wird, wenn das Lenkrad im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird), wird das röhrenförmige Element 108 in den Fig. 10 und 11 im Uhrzeigersinn ge­ dreht, so daß der Überlappungsbereich des Fensters 108a und des erhöhten Teils 103B im Vergleich zu dem Fall, in dem das Lenkdrehmoment null ist, verkleinert wird, wäh­ rend der Überlappungsbereich des Fensters 108b und des erhöhten Teils 103B vergrößert wird.

Wie oben beschrieben und in Fig. 14 gezeigt, nimmt bei einer Zunahme des Drehmoments im Uhrzeigersinn die Induk­ tivität L₁₀ der Spule 110 zu, während die Induktivität L₁₁ der Spule 111 abnimmt. Bei einer Zunahme des Drehmo­ ments im Gegenuhrzeigersinn nimmt die Induktivität L₁₀ der Spule 110 ab, während die Induktivität L₁₁ der Spule 111 zunimmt. Die Beziehung zwischen einer relativen Drehung des röhrenförmigen Elements 108 der Ausgangswelle 103 und dem Lenkdrehmoment ist in Fig. 14 ebenfalls gezeigt.

Wenn die Induktivitätswerte L₁₀ und L₁₁ wie in Fig. 14 gezeigt verändert werden, werden auch die Impedanzwerte der Spulen 110 und 111 auf ähnliche Weise verändert, falls die Frequenz ω des an die Spulen 110 und 111 gelie­ ferten Stroms fest ist. Die selbstinduktiven elektromoto­ rischen Kräfte der Spulen 110 und 111 werden ebenfalls auf ähnliche Weise verändert. Daher werden die Ausgangs­ signale der Differenzverstärker 124A und 124B, wovon jeder die Differenz zwischen den selbstinduktiven elek­ tromotorischen Kräften der Spulen 110 und 111 verstärkt, in Übereinstimmung mit der Richtung und der Größe des Lenkdrehmoments im wesentlichen linear verändert. Die Selbstinduktionsveränderungen, die beispielsweise durch die Temperatur verursacht werden, werden kompensiert, da die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Gleich­ richtungs-/Glättungsschaltungen 122 und 123 von jedem der Differenzverstärker 124A und 124B verarbeitet wird.

Die Drehmomentberechnungseinrichtung 126 berechnet einen Mittelwert der Ausgangssignale, die über die Rauschbesei­ tigungsfilter 125A und 125B von den Differenzverstärkern 124A und 124B empfangen werden, multipliziert das Erheb­ nis mit einer vorgegebenen Proportionalitätskonstante und liefert das Ergebnis an die Motorantriebseinrichtung 127. Die Motorantriebseinrichtung 127 liefert auf der Grund­ lage der Richtung und der Größe des Lenkdrehmoments an den Motor einen Treiberstrom I.

Dann wird im Motor 107 eine Drehkraft erzeugt, die von der Richtung und von der Größe des im Lenksystem erzeug­ ten Lenkdrehmoments abhängt. Die Drehkraft wird über das Schneckenrad und dergleichen an die Ausgangswelle 103 übertragen. Im Ergebnis wird in der Ausgangswelle 103 zusätzlich ein Hilfslenkdrehmoment angelegt, so daß das vom Fahrer aufzubringende Lenkdrehmoment reduziert wird.

Wie oben beschrieben, werden in der vorliegenden Ausfüh­ rungsform die axiale Länge A der Spulen 110 und 111, die axiale Länge B der Joche 109A und 109B sowie die axiale Länge Lw der Fenster 108a und 108b in der Weise gewählt, daß der Ausdruck (2) erfüllt ist. Selbst in dem Fall, in dem die Zentren der Spulen 110 und 111 und der Joche 109A und 109B bei Betrachtung in axialer Richtung zu den Zentren der Fenster 108a und 108b aufgrund von axialen Fehlern bei der Montage des röhrenförmigen Elements 108 im Gehäuse 101, einer axialen Verschiebung der Fenster 108a und 108b des röhrenförmigen Elements 108 und der­ gleichen axial verschoben sind, kann niemals eine erheb­ liche Abnahme der Impedanz der Spulen 110 und 111 auftre­ ten.

Fig. 15 zeigt einen Graphen, in dem auf der Abszisse die axiale Verschiebung der Zentren der Spulen 110 und 111 sowie der Joche 109A und 109B relativ zu den Zentren der Fenster 108a und 108b aufgetragen ist und auf der Ordi­ nate die Impedanzänderungsrate aufgetragen ist. Bei einer Messung, deren Ergebnisse in dem Graphen eingetragen sind, betrug die axiale Länge A der Spulen 110 und 111 8 mm, wobei die axiale Länge Lw der Fenster 108a und 108b von 10 mm bis 14 mm in Schritten von 1 mm verändert wurde. Wie ersichtlich ist, ist die Änderung der Impedanz jeder der Spulen 110 und 111, die durch die axiale Ver­ schiebung hervorgerufen wird, um so kleiner, je größer die axiale Länge Lw ist.

Es ist ausreichend, wenn die axiale Länge B der Joche 109A und 109B den folgenden Ausdruck erfüllt:

B < A + 2δ,

wobei δ die Eindringtiefe des Flusses ist. Es ist jedoch notwendig, die gegenseitigen Einflüsse der Spulen 110 und 111 sowie die Einflüsse von außerhalb der Joche 109A und 109B in axialer Richtung zu beseitigen, indem die Maß­ nahme getroffen wird, daß die Fenster 108a und 108b nicht aus dem Bereich der Joche 109A und 109B aufgrund axialer Fehler bei der Montage der Bestandteile bewegt werden. Hierzu wird bevorzugt, die axiale Länge B der Joche 109A und 109B sowie die axiale Länge Lw der Fenster 108a und 108b in der Weise zu wählen, daß die folgende Beziehung erfüllt ist:

B < Lw.

Wie oben beschrieben, werden in der vorliegenden Ausfüh­ rungsform die axialen Längen A, B und Lw so gewählt, daß sie den Ausdruck (2) erfüllen.

Wenn die Änderung der Impedanz der Spulen 110 und 111 verringert wird, wird im gleichen Maß die Verschlechte­ rung der Erfassungsgenauigkeit verringert. Mit anderen Worten, falls eine weitere Verbesserung der Erfassungsge­ nauigkeit nicht erforderlich ist, sind relativ geringe Genauigkeiten bei der Zusammenfügung der Bestandteile zulässig. Dies führt zu einer Verringerung der Herstel­ lungskosten.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Ein­ gangswelle 102 einer zweiten Drehwelle; die Ausgangswelle 103 einer ersten Drehwelle; und der Abschnitt der Aus­ gangswelle 103, der von dem röhrenförmigen Element 108 umgeben ist, einem umgebenen Abschnitt.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, sind gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung in einem röhrenförmigen Element, das aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt ist und das zusammen mit einer zweiten Drehwelle drehbar ist, Fenster ausgebildet, ist ein umgebener Abschnitt der ersten Drehwelle, der vom röhrenförmigen Element umgeben ist, aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt, sind im umgebenen Abschnitt der ersten Drehwelle axial verlau­ fende Nuten ausgebildet, wird unter Verwendung von Ände­ rungen der Impedanzwerte der Spulen, die sich aus einer Änderung der Überlappungsbereiche der Fenster und der Nuten ergeben, ein Drehmoment erfaßt und ist die axiale Länge jedes Fensters länger als die axiale Länge der Spulen, jedoch kürzer als die axiale Länge der Joche, an denen die Spulen gehalten werden. Bei einer solchen Konstruktion besitzt der Drehmomentsensor gemäß dieser Ausführungsform einen einfachen Aufbau und hat ferner die vorteilhafte Wirkung, daß die axialen Genauigkeiten der Bestandteile und die axialen Fehler bei der Zusammenfü­ gung der Teile die Drehmomenterfassungsgenauigkeit nur wenig beeinflussen.

Nun wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Die Gesamtkonstruktion der vierten Ausführungsform ist gleich derjenigen der dritten Ausführungsform, so daß gleiche oder ähnliche Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und eine nochmalige Be­ schreibung hiervon weggelassen wird.

Wie in den Fig. 16 und 17, die jeweils einen Querschnitt des röhrenförmigen Elements 108 und der Ausgangswelle 103 zeigen, dargestellt ist, ist die äußere Oberfläche des röhrenförmigen Elements 108 in N (N = 9 in der vorliegen­ den Ausführungsform) Segmente unterteilt. Ein Winkel zwischen vom Zentrum des röhrenförmigen Elements 108 radial nach außen verlaufenden Linien zu den jeweiligen Enden eines Segments bei Betrachtung im Querschnitt ist als ein Periodenwinkel θ1 (= 360/N, θ1 = 40° in der vorliegenden Ausführungsform) definiert. In demjenigen Teil des umgebenden Abschnitts des röhrenförmigen Ele­ ments 108, der sich näher an der Hülse 102A befindet, reicht jedes der Fenster 108a von einem Ende des Segments zu einem Punkt, der von diesem Ende in Winkelrichtung um einen Winkel a1 beabstandet ist. Der übrige Teil des Segments, der durch einen Winkel b1 (= θ1 - a1) definiert ist, weist keinen Ausschnitt auf. In dem Teil des umge­ benden Abschnitts, der sich weiter von der Hülse 102A entfernt befindet, reicht jedes der Fenster 108b vom anderen Ende des Segments zu einem Punkt, der von diesem Ende in Winkelrichtung um den Winkel a1 beabstandet ist, und ist vom Fenster 108a um eine halbe Periode (θ1/2) verschoben. Der verbleibende Teil des Segments, der durch einen Winkel b1 (= θ1 - a1) definiert ist, besitzt keinen Ausschnitt. Die Umfangsweite (bei Betrachtung in Umfangs­ richtung) jedes erhöhten Teils 103B zwischen den benach­ barten Nuten 103A ist durch einen Winkel c1 definiert, die Weite jeder der Nuten 103A ist durch einen Winkel d1 definiert und ein Bereich, innerhalb dessen eine relative Drehung des röhrenförmigen Elements 108 zur Ausgangswelle 103 (der Eingangswelle 102 zur Ausgangswelle 103) zuge­ lassen ist, ist durch einen Winkel e1 definiert.

Wenn der Torsionsstab 4 nicht verdreht ist (das Lenk­ drehmoment ist null), beispielsweise c1 = 20°, ist das Zentrum eines Fensters 108a bei Betrachtung in Umfangs­ richtung in radialer Richtung auf das linke Ende der momentan dem Fenster 108 zugeordneten Nut 103A ausgerich­ tet (auf die rechte Kante des erhöhten Teils 103B, der sich links hiervon befindet) (siehe Fig. 16). Das Zentrum eines Fensters 108b ist in radialer Richtung auf das rechte Ende der momentan dem Fenster 108b zugeordneten Nut 103A (auf die linke Kante des erhöhten Teils 103B, der sich rechts hiervon befindet) (siehe Fig. 17) ausge­ richtet. Daher ist der Überlappungsbereich des Fensters 108a und der Nut 103A demjenigen des Fensters 108b und der Nut 103A bei Betrachtung in Umfangsrichtung entgegen­ gesetzt. Das Zentrum jedes der Fenster 108a und 108b ist bei Betrachtung in Umfangsrichtung von der entsprechenden Nut 103A um θ1/4 verschoben.

In dieser Ausführungsform lautet die Beziehung zwischen diesen Winkeln folgendermaßen:

b1 < a1 (3)
d1 < c1 (4)
e1 < θ1/4 (5)

Die Bedingungen der Ungleichungen (3) und (4) sind not­ wendig, um eine schnelle Änderung der Impedanz der Spulen zu sichern, wie später beschrieben wird. Die Bedingung der Ungleichung (5) ist für eine monotone Zunahme oder Abnahme der Impedanz der Spulen wichtig.

Obwohl die Funktionsweise der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nahezu die gleiche wie diejenige der dritten Ausführungsform ist, wird sie im folgenden beschrieben.

Es wird angenommen, daß das Lenksystem sich im Zustand einer Geradeausfahrt befindet und daß das Lenkdrehmoment null ist. Dann wird keine relative Drehung der Eingangs­ welle 102 zur Ausgangswelle 103 hervorgerufen. Folglich wird auch keine relative Drehung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Element 108 hervorgerufen.

Wenn das Lenkrad und daher die Eingangswelle 102 gedreht wird, wird die erzeugte Drehkraft über den Torsionsstab 104 an die Ausgangswelle 103 übertragen. Herbei wird an der Ausgangswelle 103 ein Widerstand erzeugt. Der Wider­ stand hängt von einer Reibungskraft, die zwischen den eingeschlagenen Rädern und dem Boden erzeugt wird, sowie von einer Reibungskraft im Eingriffabschnitt, wo die Ausgangswelle 103 mit dem Zahnstangen-Lenksystem gekop­ pelt ist, ab. Durch den Widerstand wird der Torsionsstab 104 verdreht, so daß die Ausgangswelle 103 der Eingangs­ welle 102 folgend gedreht wird. Dies hat eine relative Drehung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Element 108 zur Folge.

In einem Fall, in dem das röhrenförmige Element 108 keine darin ausgebildeten Fenster besitzt, wird, wenn an die Spulen ein Wechselstrom geliefert wird, um darin ein Wechselfeld hervorzurufen, in der äußeren Oberfläche des röhrenförmigen Elements 108 ein Wirbelstrom erzeugt, da das röhrenförmige Element 108 aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt ist. Die Richtung des erzeugten Wirbelstroms ist derjenigen des an die Spule gelieferten Stroms entgegengesetzt.

Wenn die vom Wirbelstrom entwickelten Magnetfelder den von den Spulen erzeugten Magnetfeldern überlagert werden, werden diese Magnetfelder innerhalb des röhrenförmigen Elements 108 kompensiert.

In einem Fall, in dem das röhrenförmige Element 108 darin ausgebildete Fenster 108a und 108b aufweist, verhindern die Fenster 108a und 108b, daß der in der äußeren Ober­ fläche des röhrenförmigen Elements 108 erzeugte Wirbel­ strom durch die äußere Umfangsfläche zirkuliert. Daher fließt der Wirbelstrom längs einer der Stirnseiten jedes Fensters 108a und 108b zur Innenseite des röhrenförmigen Elements 108. An der Innenseite des röhrenförmigen Ele­ ments 108 fließt der Wirbelstrom in der gleichen Richtung wie der Spulenstrom. Der Wirbelstrom bewegt sich von der Innenseite des röhrenförmigen Elements 108 durch die äußere Stirnseite des Fensters und kehrt zur Außenseite oder Oberfläche des röhrenförmigen Elements 108 zurück. Somit wird der Wirbelstrom-Pfad geschlossen.

Mit anderen Worten, in jeder Spule sind mehrere Wirbel­ strom-Schleifen in Umfangsrichtung periodisch (θ1 = 360/N) angeordnet.

Die von den Spulenströmen entwickelten Magnetfelder sind dem Wirbelstrom überlagert. Das resultierende Magnetfeld ist so verteilt, daß sich seine Intensität in Umfangs­ richtung, d. h. entlang, oberhalb und unterhalb des Gehäuses des röhrenförmigen Elements 108 bei Betrachtung im Querschnitt, periodisch verändert und in Richtung zum Zentrum des röhrenförmigen Elements 108 allmählich ab­ nimmt. Das Magnetfeld, das in Umfangsrichtung verteilt ist, ist im Zentrum jedes Fensters 108a und 108b, wo das Magnetfeld von den benachbarten Wirbel strömen stark beeinflußt wird, am größten und an einer Position, die vom Zentrum des Fensters um eine halbe Periode (θ1/2) verschoben ist, schwach.

Im röhrenförmigen Element 108 ist die Welle 103, die aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist, koaxial zum röhrenförmigen Element 108 angeordnet. Die Nuten 103A und die erhöhten Teile 103B, die mit der gleichen Periode wie die Fenster 108a und 108b angeordnet sind, sind in der äußeren Oberfläche der Ausgangswelle 3 angeordnet.

Wenn in ein Magnetfeld ein magnetischer Werkstoff gesetzt wird, wird er magnetisiert, wobei der magnetisierte magnetische Werkstoff spontan einen Magnetfluß entwickelt. Der Betrag des Magnetflusses nimmt proportional zur Intensität des Magnetfeldes zu, bis der magnetische Werkstoff magnetisch gesättigt ist.

Die spontane Magnetisierung der Ausgangswelle 103 verän­ dert sich unter dem Einfluß des in Umfangsrichtung peri­ odisch sich verändernden Magnetfeldes und des in radialer Richtung sich verändernden Magnetfeldes mit einer relati­ ven Phase der Ausgangswelle 103 zum röhrenförmigen Ele­ ment 108.

Eine Phase der Ausgangswelle, mit der die spontane Magne­ tisierung maximal wird, wird auf einen Punkt gesetzt, bei dem das Zentrum jedes der Fenster 108a und 108b mit dem Zentrum jedes der erhöhten Teile 103B im wesentlichen zusammenfällt.

Die Spuleninduktivität verändert sich mit der Veränderung der spontanen Magnetisierung. Der Veränderungsverlauf der Spuleninduktivität ist im wesentlichen sinusförmig.

Die Phase der Ausgangswelle ist dann, wenn auf die Welle an sich kein Drehmoment wirkt, zur Phase der maximalen spontanen Magnetisierung (Induktivität) um eine Viertel­ periode (θ1/4) verschoben. Die Phasendifferenz zwischen der Fensterreihe, die sich näher an der Hülse 102A befin­ det, und der Fensterreihe, die von der Hülse 102A weiter entfernt ist, beträgt eine halbe Periode (θ1/2), wie oben bereits erwähnt worden ist.

Wenn bei dieser mechanischen und elektrischen Konstruk­ tion auf die Welle ein Drehmoment wirkt und zwischen der Ausgangswelle 103 und dem röhrenförmigen Element 108 eine Phasendifferenz erzeugt wird, erhöht eine der Spulen 110 und 111 ihre Induktivität, während die andere ihre Induk­ tivität mit der gleichen Veränderungsrate absenkt.

Wenn ein Lenkdrehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird, wird das röhrenförmige Element 108 in den Fig. 16 und 17 im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Hierbei nimmt die Indukti­ vität L₁₀ der Spule 110 ausgehend von dem Induktivitäts­ wert, bei dem das Lenkdrehmoment null ist, zu, während die Induktivität L₁₁ der Spule 111 abnimmt, wie in Fig. 18 gezeigt ist. Bei einer Zunahme des Lenkdrehmo­ ments im Gegenuhrzeigersinn nimmt die Induktivität L₁₀ der Spule 110 ab, während die Induktivität L₁₁ der Spule 111 ansteigt. Die Beziehung zwischen einem relativen Drehwinkel des röhrenförmigen Elements 108 zur Ausgangs­ welle 103 und dem Lenkdrehmoment ist in Fig. 18 ebenfalls gezeigt. Wie aus dem Graphen dieser Figur hervorgeht, verändern sich die Induktivitätswerte L₁₀ und L₁₁ in einem Bereich, in dem der Relativwinkel um einen Winkel (θ1/4) aus der Position, in der das Lenkdrehmoment null ist, in Richtung eines Lenkdrehmoments im Uhrzeigersinn oder eines Lenkdrehmoments im Gegenuhrzeigersinn verän­ dert wird, monoton. Wenn das Lenkdrehmoment den Bereich übersteigt, verändern sich die Induktivitätswerte L₁₀ und L₁₁ in entgegengesetzter Richtung. Aus diesem Grund ist der Bereich für die relative Drehung auf ±e1 einge­ schränkt.

Wenn die Induktivitätswerte L₁₀ und L₁₁ wie in Fig. 18 gezeigt verändert werden, werden auch die Impedanzwerte der Spulen 110 und 111 auf ähnliche Weise verändert, falls die Frequenz ω des an die Spulen 110 und 111 gelie­ ferten Stroms fest ist. Die elektromotorischen Selbstin­ duktionskräfte der Spulen 110 und 111 verändern sich ebenfalls auf ähnliche Weise. Daher werden die Ausgangs­ signale der Differenzverstärker 124A und 124B, wovon jeder die Differenz zwischen den elektromotorischen Selbstinduktionskräften der Spulen 110 und 111 verstärkt, in Übereinstimmung mit der Richtung und der Größe des Lenkdrehmoments. Die Selbstinduktionsveränderungen, die beispielsweise durch die Temperatur hervorgerufen werden, werden kompensiert, da die Differenz zwischen den Aus­ gangssignalen der Gleichrichtungs-/Glättungsschaltungen 122 und 123 durch jeden der Differenzverstärker 124A und 124B verarbeitet werden.

Die Drehmomentberechnungseinrichtung 126 berechnet einen Mittelwert der über die Rauschbeseitigungsfilter 125A und 125B von den Differenzverstärkern 124A bzw. 124B empfan­ genen Ausgangssignalen, multipliziert das Ergebnis mit einer vorgegebenen Proportionalitätskonstante und liefert das Ergebnis an die Motorantriebseinrichtung 127. Die Motorantriebseinrichtung 127 liefert auf der Grundlage der Richtung und der Größe des Lenkdrehmoments an den Motor einen Treiberstrom I.

Dann wird im Motor 107 eine Drehkraft erzeugt, die von der Richtung und von der Größe des im Lenksystem erzeug­ ten Lenkdrehmoments abhängt. Die Drehkraft wird über das Schneckenrad und dergleichen an die Ausgangswelle 103 übertragen. Im Ergebnis wird an die Ausgangswelle 103 zusätzlich ein Hilfslenkdrehmoment angelegt, so daß das vom Fahrer aufzubringende Lenkdrehmoment reduziert wird.

Unter der Annahme, daß in den in den Fig. 16 und 17 gezeigten Winkelbeziehungen die Umfangsweiten sämtlicher Fenster 108a und 108b, sämtlicher Nuten 103A und sämtli­ cher erhöhter Teile 103B einander gleich sind, gilt die folgende Gleichung:

a1 = b1 = c1 = d1 = θ1/2.

Da N = 9 gilt, ist

θ1/2 = 20°.

Die Impedanz wurde durch geeignete Veränderung der Winkel a1 bis d1 unter Bezugnahme auf

a = b = c = d = 20°

gemessen. Die Ergebnisse der Messung sind in Fig. 19 gezeigt. In Fig. 19 ist auf der Abszisse der Winkel d1 aufgetragen, während auf der Ordinate ein Empfindlich­ keitsverhältnis (Impedanzveränderungsrate) des Drehmo­ mentsensors aufgetragen ist. Bei der Messung wurde der Winkel a1 im Bereich zwischen 20° und 8° verändert. In Fig. 19 repräsentieren die Polygonallinien die Ergebnisse der Messung bei den entsprechenden Winkeln a1.

Wie aus dem die Meßergebnisse zeigenden Graphen hervor­ geht, wird das Empfindlichkeitsverhältnis erhöht, falls der Winkel d1, der die Umfangsweite jeder der Nuten 103A definiert, auf einen Wert größer als 20° gesetzt ist (d. h. der Winkel d1 ist größer als der Winkel c1 ge­ setzt, der die Umfangsweite jedes der erhöhten Teile 103B definiert). Der Graph lehrt auch, daß das Empfindlich­ keitsverhältnis erhöht wird, falls der Winkel a1, der die Umfangsweite jedes der Fenster 108a und 108b definiert, kleiner als 20° gesetzt ist (d. h. der Winkel a1 ist kleiner als der Winkel b1 gesetzt.

Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung kann das Impedanzänderungsverhältnis und daher die Sensorempfind­ lichkeit erhöhen und dabei die Werkstoffqualität sowie die Abmessungen der anderen Teile unverändert lassen, da die Ausführungsform so beschaffen ist, daß sie die Un­ gleichungen (3) und (4) erfüllt.

Die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors kann beispiels­ weise bei unveränderter Anzahl der Windungen der Spulen erhöht werden. Aus dieser Tatsache folgt, daß dann, wenn eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit nicht erforder­ lich ist, die Sensorgröße durch Verringern der Anzahl der Windungen der Spulen 110 und 111 reduziert werden kann, außerdem können die Anforderungen an die Temperatureigen­ schaften der verwendeten elektronischen Bauteile gelockert werden oder die verwendete elektronische Schaltung kann gegenüber einer Zerstörung unempfindlich gemacht werden, indem der Verstärkungsfaktor des Verstärkers abgesenkt wird. Die Tatsache, daß die Größenreduzierung des Sensors möglich ist, ist insbesondere dann sehr nützlich, wenn der Sensor in einem Fahrzeug mit begrenz­ tem Einbauraum wie in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden soll.

In dem Graphen von Fig. 20 wurde das Empfindlichkeitsver­ hältnis für die Winkel a1 von 8°, 10° und 12° über einen breiteren Bereich des Winkels d1 gemessen. Der Graph lehrt, daß die optimale Breite der Nuten 103A 28° beträgt (d. h. d1 = 28° und c1 = 12°). Die Graphen der Fig. 19 und 20 lehren, daß die optimale Weite des Fensters 108a (108b) 12° beträgt (d. h. a1 = 12° und b1 = 28°). Das Empfindlichkeitsverhältnis wird auf der Grundlage dieser optimalen Werte um ungefähr 50% im Vergleich zu demjeni­ gen, bei dem der Winkel d1 gleich dem Winkel c1 ist (d1 = c1 = 20°), verbessert.

Die optimalen Werte verändern sich in geringem Maß in Abhängigkeit von der Werkstoffqualität und von den Abmes­ sung der anderen Teile des Drehmomentsensors, diese können jedoch ohne weiteres gemessen werden. Daher können die optimalen Werte durch ein Experiment auf der Ent­ wurfsstufe bei der tatsächlichen Herstellung von Drehmo­ mentsensoren erhalten werden.

Die obenbeschriebene Ausführungsform ist so beschaffen, daß sie die Ungleichungen (3) und (4) erfüllt. Wie aus den Meßergebnissen der Fig. 19 und 20 ersichtlich ist, wird die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors im Ver­ gleich zu derjenigen eines herkömmlichen Drehmomentsen­ sors verbessert, wenn eine der Ungleichungen erfüllt ist.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Ein­ gangswelle 102 einer zweiten Drehwelle; die Ausgangswelle 103 einer ersten Drehwelle; die erhöhten Teile 103B den nutenfreien Teilen; und der Abschnitt der Ausgangswelle 103, der vom röhrenförmigen Element 108 n ist, einem umgebenen Abschnitt.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, sind in der vierten Ausführungsform im röhrenförmigen Element, das aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt ist und das zusammen mit einer ersten Dreh­ welle drehbar ist, Fenster ausgebildet, ist ein umgebener Abschnitt der zweiten Drehwelle, der vom röhrenförmigen Element umgeben ist, aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt, sind im umgebenen Abschnitt der ersten Drehwelle axial verlaufende Nuten ausgebildet, ist die Umfangsweite jeder der Nuten größer als jene des nuten­ freien Teils, wird eine Änderung des Überlappungsbereichs jedes der Fenster mit der diesem Fenster zugeordneten Nut durch die in der zugehörigen Spule erzeugte elektromoto­ rische Kraft gemessen und wird ein Drehmoment, das in der ersten und in der zweiten Drehwelle erzeugt wird, unter Verwendung der Ergebnisse der Messung erfaßt, wobei die Sensorempfindlichkeit durch eine Erhöhung des Impedanzän­ derungsverhältnisses der Spule verbessert wird.

Nun wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Die Gesamtkonstruktion der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die gleiche wie diejenige der dritten Ausführungsform, so daß gleiche oder ähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und eine nochmalige Beschreibung hiervon weggelassen wird.

In der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung, die in den Querschnitten der Fig. 21 und 22 darge­ stellt ist, ist die Seitenwand 103C jeder der Nuten 103A in radialer Richtung gegenüber der Ausgangswelle 103 erhöht. Genauer ist die Seitenwand 103C jeder der Nuten 103A längs einer Linie, die vom Zentrum der Ausgangswelle 103 (das mit der axialen Mittellinie des Torsionsstabs 104 zusammenfällt) in radialer Richtung verlängert ist, erhöht.

Unter der Annahme, daß in den in den Fig. 21 und 22 gezeigten Winkelbeziehungen die Umfangsweiten sämtlicher Fenster 108a, 108b, sämtlicher Nuten 103A und sämtlicher erhöhten Teile 103B einander gleich sind, gilt die fol­ gende Gleichung:

a = (θ - a) = b = (θ - b) = θ/2.

Da N = 9 gilt, ist

θ/2 = 20°.

Die Impedanz wurde durch geeignetes Verändern der Winkel ª im Bereich zwischen 20° und 8° bei festem Winkel b gemessen, wobei gilt:

b = (θ - b) - 20°.

Die Ergebnisse der Messung sind in Fig. 23 gezeigt. In Fig. 23 sind auf einer der zwei Abszissen die Meßergeb­ nisse für den Fall aufgetragen, in dem die Seitenwand 103C der Nut 103A in radialer Richtung der Drehwelle 103 erhöht ist, wie in Fig. 24 gezeigt ist (d. h. für die Form der vorliegenden Ausführungsform), während auf der anderen Abszisse die Meßergebnisse für den Fall aufgetra­ gen sind, in dem die Nut 103A einen rechtwinkligen Quer­ schnitt besitzt, wie in Fig. 25 (Stand der Technik) gezeigt ist. In der in Fig. 25 gezeigten Struktur ist der Winkel der oberen Endweite der Nut 103A auf 200 gesetzt.

Wie aus dem die Meßergebnisse zeigenden Graphen hervor­ geht, wird das Empfindlichkeitsverhältnis erhöht, wenn die Seitenwand 103C in radialer Richtung der Drehwelle 103 gegenüber der herkömmlichen Nutenform mit rechtwink­ ligem Querschnitt erhöht ist (die Empfindlichkeit wird um ungefähr 10% im Vergleich zum Stand der Technik erhöht). Das heißt, daß bei der Form der vorliegenden Ausführungs­ form, bei der die Seitenwand 103C in radialer Richtung der Drehwelle 103 erhöht ist, das Impedanzänderungsver­ hältnis erhöht werden kann, um die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern, wobei die Werkstoffqualität oder die Größe der anderen Komponenten unverändert bleibt.

Die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors kann beispiels­ weise ohne Änderung der Anzahl der Spulenwindungen erhöht werden. Aus dieser Tatsache folgt, daß dann, wenn eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit nicht erforderlich ist, die Sensorgröße durch Verringerung der Anzahl der Windungen der Spulen 110 und 111 verringert werden kann und daß die Anforderungen an die Temperatureigenschaften der verwendeten elektronischen Bauteile gelockert werden können oder daß die verwendete elektrische Schaltung gegenüber einer Zerstörung unempfindlich gemacht werden kann, indem der Verstärkungsfaktor des Verstärkers er­ niedrigt wird. Die Tatsache, daß die Größenreduzierung des Sensors möglich ist, ist insbesonders dann sehr nützlich, wenn er in einem Fahrzeug mit einem begrenzten Einbauraum wie in der vorliegenden Ausführungsform ver­ wendet wird.

Fig. 23 zeigt auch, daß bei geeigneter Einstellung der Weiten der Fenster 108a und 108b das Empfindlichkeitsver­ hältnis weiter erhöht werden kann. Der Graph lehrt, daß die optimalen Weiten der Fenster 108a und 108b 12° betra­ gen (d. h. a = 12°, (θ - a) = 28°). Die optimalen Werte hängen in geringem Maß von der Werkstoffqualität und den Abmessungen der anderen Teile des Drehmomentsensors ab, diese können jedoch ohne weiteres gemessen werden. Daher können die optimalen Werte durch ein Experiment auf der Stufe des Entwurfs der tatsächlichen Herstellung von Drehmomentsensoren erhalten werden.

Wenn die Nut 103A so geformt ist, daß die Seitenwand 103C in radialer Richtung der Drehwelle 103 erhöht ist, weist der Querschnitt der Nut 103A eine Bodenseite auf, die sich näher an der Oberseite befindet, so daß die Bearbei­ tung der Nut einfach wird. Das heißt, bei der herkömmli­ chen Form der Nut, die in Fig. 25 gezeigt ist, muß diese Nut 103A durch Ausschneiden gebildet werden. Wenn ande­ rerseits die Form der Nut wie in Fig. 24 gezeigt beschaf­ fen ist, kann die Nut einfach entweder durch Schmieden oder durch Gießen oder aber wie bisher durch Schneiden gebildet werden. Da die Anzahl der Wahlmöglichkeiten für den Herstellungsprozeß erhöht ist, können die Kosten reduziert werden. Da beispielsweise bei der Form gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Seitenfläche der Nut 103a, die als Anschlag in Drehrichtung dient, in radialer Richtung der Drehwelle 103 erhöht ist, kann die Nut 103A gleichzeitig zum Schmieden (Kaltschmieden) oder Gießen der Drehwelle 103 ausgebildet werden. Somit können die Herstellungskosten in dem Ausmaß reduziert werden, in dem eine Schneidearbeit der Nut 103A unnötig wird.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Ein­ gangswelle 102 einer zweiten Drehwelle; die Ausgangswelle 103 einer ersten Drehwelle; die erhöhten Teile 103B nutenfreien Teilen; und der Abschnitt der Ausgangswelle 103, der vom röhrenförmigen Element 108 umgeben ist, einem umgebenen Abschnitt.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, sind gemäß der vorliegenden Erfindung in einem röhrenförmigen Element, das aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt ist und das zusammen mit einer ersten Drehwelle drehbar ist, Fenster ausgebildet, ist ein umgebener Abschnitt der zweiten Drehwelle, der vom röhrenförmigen Element umgeben ist, aus einem magneti­ schen Werkstoff hergestellt, sind Nuten, die axial ver­ laufen und deren Seiten gegenüber der ersten Drehwelle im Querschnitt radial erhöht sind, im umgebenen Abschnitt der ersten Drehwelle ausgebildet, wird eine Änderung des Überlappungsbereichs jedes der Fenster und der dem ent­ sprechenden Fenster zugehörigen Nuten durch die elektro­ motorische Kraft gemessen, die in der zugeordneten Spule erzeugt wird, und wird ein Drehmoment, das in der ersten und in der zweiten Drehwelle erzeugt wird, unter Verwen­ dung der Meßergebnisse erfaßt, wobei die Sensorempfind­ lichkeit durch ein erhöhtes Impedanzänderungsverhältnis der Spule verbessert wird.

Claims (4)

1. Drehmomentsensor, mit
einer ersten Drehwelle (1; 103),
einer zweiten Drehwelle (2; 102), die im wesent­ lichen koaxial zur ersten Drehwelle (1; 103) angeordnet ist, und
einem Torsionsstab (3; 104), der die erste Dreh­ welle (1; 103) mit der zweiten Drehwelle (2; 102) verbin­ det,
gekennzeichnet durch
ein röhrenförmiges Element (4; 108), das aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff herge­ stellt ist, mit der zweiten Welle (2; 102) drehfest verbunden ist und eine äußere Umfangsfläche der ersten Drehwelle (1; 103) umgibt,
eine Spule (10, 11; 110, 111), die das röhrenför­ mige Element (4; 108) umgibt, und
eine Meßeinrichtung (21, 22, 23, 24A, 24B; 121, 122, 123, 124A, 124B), zum Messen der elektromotorischen Kräfte, die in der Spule (10, 11; 110, 111) induziert werden,
wobei
wenigstens ein umgebener Abschnitt (1A) der ersten Drehwelle (1; 103), der vom röhrenförmigen Element (4; 108) umgeben ist, aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist,
der umgebene Abschnitt (1A) der ersten Drehwelle (1; 103) axial verlaufende Nuten (5a, 5b; 103A) enthält;
das röhrenförmige Element (4; 108) Fenster (4a, 4b; 108a, 108b) enthält, derart, daß diese Fenster (4a, 4b; 108a, 108b) so angeordnet sind, daß sie mit den entsprechenden Nuten (5a, 5b; 103A) teilweise überlappen und ein entsprechender Überlappungsbereich des Fensters mit der Nut entsprechend einer relativen Winkelposition des röhrenförmigen Elements (4; 108) zur ersten Drehwelle (1; 103) verändert wird; und
die Spule (11, 12; 111, 112) die Abschnitte des röhrenförmigen Elements (4; 108) umgibt, wo die Fenster (4a, 4b; 108a, 108b) ausgebildet sind, so daß ein in der ersten Welle (1; 103) und in der zweiten Welle (2; 102) erzeugtes Drehmoment auf der Grundlage des Meßergebnisses der Meßeinrichtung (21, 22, 23, 24A, 24B; 121, 122, 123, 124A, 124B) zum Messen der elektromotorischen Kraft erfaßt wird.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die axiale Länge jedes der Fenster (108a, 108b) länger als die axiale Länge der Spule (111, 112), jedoch kürzer als die axiale Länge eines Jochs (109A, 109B) zum Halten der Spule (111, 112) ist.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umfangsweite jeder der Nuten (103A) des umgebenden Abschnitts größer als diejenige eines erhöhten Teils (103B) des umgebenden Abschnitts zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten (103A) ist.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Seitenwand jeder der Nuten (103A) in radia­ ler Richtung der ersten Drehwelle (1; 103) erhöht ist.